基于分布角法的涵顶土压力研究★

王雯璐 张建锋 李印霞

(1.河南工程学院资源与环境学院，河南 郑州 451191; 2.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026)



基于分布角法的涵顶土压力研究★

王雯璐1，2张建锋1李印霞1

(1.河南工程学院资源与环境学院，河南 郑州 451191; 2.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026)

为了研究沿涵洞纵向不同位置的涵顶竖向土压力的分布规律，基于分布角法推导了土压力计算法，分析了土压力沿涵洞纵向的分布规律，探讨了拱效应，结果表明涵顶拱效应使规范的“土柱法”计算值偏大，结构过于安全而不经济。

高填方涵洞，竖向土压力，分布角法，拱效应

为了保护绿色生态环境，合理利用开挖路堑的土石方，山区高速公路常修建高路堤取代桥梁。高路堤涵洞上方的填土高达几十米，是典型的高填方涵洞。欧美国家为了保护自然山体完整和沿线风光，很少修建高填方涵洞，较多的是采用明涵。国内，郑俊杰考虑到涵顶和涵台的土压力差，根据涵顶竖向力的平衡分析了土压力的分布规律；宁宝宽根据Winkler弹性地基条件和Marston公式推导了盖板涵竖向土压力。我国的JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范推荐的土柱法未考虑拱效应和涵洞受力机理，使得设计荷载偏大，结构设计偏于保守而不经济，影响施工质量和高速公路的运营。对于高填方涵洞，多是研究不同填土高度下竖向土压力的规律，很少研究路堤边坡对涵顶竖向土压力的影响，即沿着涵洞纵向竖向土压力的分布规律。本文基于分布角法，探讨了距离涵洞口不同位置即沿涵洞纵向不同位置时涵顶竖向土压力的计算方法。分析了竖向土压力沿涵洞纵向的分布规律，探讨了拱效应，讨论了基于分布角法的土压力计算值和按照JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范计算值的误差，用于指导高填方涵洞竖向荷载计算和结构设计。

1 计算模型

沿着涵洞纵向顶面建立x轴，涵洞高度方向建立y轴，如图1所示。假设路基宽度为W，边坡坡度为1∶n，涵洞上部填土高度为H，土体重度为γ，竖向土压力的扩散角为2α。竖向土压力计算模型见图2。

(1)

(2)

3)当X位于EF内时，即X∈(H(n+tanα)，H(n-tanα)+W)时，土压力的计算式为：

(3)

2 计算结果分析

不同填土高度沿涵洞纵向不同位置采用分布角法和规范计算的涵顶土压力如表1～表3所示。

表1 涵顶填土12 m距涵洞口不同位置的土压力

表2 涵顶填土16 m距涵洞口不同位置的土压力

表3 涵顶填土20 m距涵洞口不同位置的土压力

1)在不同的填土高度和涵洞不同纵向位置的条件下，分布角法计算的涵顶竖向土压力和规范计算结果较接近，说明基于分布角法的土压力算法是可行的。如填土16m时，距涵洞口较近(4m和8m)的计算值(91kPa和181kPa)和规范值(320kPa)差别较大，其他观测点结果较接近。

2)相同填土高度时，距离涵洞口不同距离的土压力变化规律说明高填方涵洞沿纵向存在“拱效应”。

涵洞填土达到20m时，位于涵洞口16m的涵顶土压力计算值319kPa，小于规范值400kPa。说明涵顶填土达到一定高度时，土体发生压缩和变形，土颗粒互相楔紧，形成自然土拱。若使用规范的“土柱法”设计涵洞会使结构过于安全而不经济。

3 结语

1)涵洞纵向不同位置的涵顶竖向土压力的计算值和规范值较接近，基于分布角法计算竖向土压力是可行的。

2)沿涵洞纵向长度的增加，涵顶产生拱效应，采用规范的“土柱法”计算结果偏大，造成结构设计过于安全而不经济。

[1]KarinskiYS,DancygierAN,LeviathanI.Ananalyticalmodeltoevaluatethestaticsoilpressureonaburiedstructure.EngineeringStructures,2003,25(1):91-101.

[2]郑俊杰,赵建斌,陈保国.高路堤下涵洞垂直土压力研究.岩土工程学报,2009,31(7):1009-1013.

[2]宁宝宽,龚 雷,范 鹤，等.路堤下盖板涵的竖向土压力分布.沈阳工业大学学报,2013,35(3):345-349.

[3]JTGD60—2004，公路桥涵设计通用规范.

[4]王雯璐，赵江鹏，赵大军，等.图珲高速公路高填方涵洞涵顶竖向土压力试验.广西大学学报(自然科学版)，2013,38(6):1272-1276.

Studyonculvertearthpressurebasedondistributinganglemethod★

WangWenlu1，2ZhangJianfeng1LiYinxia1

(1.Henan Institute of Engineering, Resources and Environmental Engineering Department, Zhengzhou 451191， China；2.Jilin University, College of Construction Engineering, Changchun 130026， China)

Toinvestigatethepatternofverticalearthpressureonlongitudinalculvert,basedondistributinganglemethod,thecalculationmethodofverticalearthpressurewasdeduced.Thelawofearthpressurewasanalyzedandthearchingeffectwasdiscussed.Thecalculatedresultsby“soilcolumnmethod”incodewaslarge.Structureisnotcost-efficientbecausedesignistoosafe.

high-fillculvert，verticalearthpressure，distributinganglemethod，archingeffect

1009-6825(2015)01-0147-02

2014-10-23 ★：国家重点基础研究发展计划“973”项目(项目编号：2010CB731503)；吉林省交通厅科技项目

王雯璐(1983- )，女，讲师，在读博士； 张建锋(1979- )，男，讲师； 李印霞(1984- )，女，讲师

U449.31

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