加筋橋減載機制分析

1利用微織構模型進行土壓力計算黃土地區縱橫。在黃土地區的高填充技術中，高填充方漢洞的應用比較廣泛。高填方涵洞通常承受較大的填土荷載,由于其埋深較大,其受力特性有別于一般構筑物。自上個世紀初開始,許多學者對深埋結構的受力與變形特性進行了廣泛地分析和討論。Marston等的研究結果表明,柔性管道上部垂直土壓力小于其上覆土體自重,而剛性管涵上的垂直壓力大于其上覆土柱體自重,并指出了管道與填土的相對剛度對涵洞的受力特性具有一定的影響。Sprangler對管道采用先填后挖減載方法進行了試驗研究,并得出管道垂直土壓力與管道上方內外土柱體之間的相對沉降有關的結論。顧安全通過室內模型試驗,研究了在涵頂鋪筑松土、谷殼、稻草等作為柔性填料的減載效果,并推導了上埋式涵洞垂直土壓力計算表達式。Bennett等和Abhiji等通過一系列模型試驗,對涵洞的變形、應力和應變進行了測量和比較。上述學者以及Hoeg和Penman等的測試成果都表明,剛性涵洞結構頂部的土壓力比其上覆土柱體自重約大50%~100%。Stone等和Okabayashi等利用離心模型試驗研究了箱涵上覆輕質和柔性填料時的受力與變形特性,對涵體彎矩和變形的測試結果驗證了上覆輕質填料的減載作用。Dancygier等研究了深埋管道上方設置柔性區時,填土與柔性材料之間的相互作用的機制,并通過系列模型試驗得到了減載效果最佳的柔性區域的尺寸及布置方式。Sun等應用有限元方法分析了深埋結構上覆輕質發泡材料時的應力和變形。王曉謀等以相似理論為基礎,用海綿模擬柔性填料鋪設在涵頂進行室內模型試驗,推導了涵頂鋪設柔性填料情況下的土壓力計算公式。Vaslestad等在2個足尺涵洞頂部開挖減載孔并回填超輕聚苯乙烯塊,研究了涵洞長期受力特性及柔性材料的長期減載效果,由于聚苯乙烯材料成本較高,制約了其在高速公路工程中的應用。Lee等通過試驗研究了涵頂采用廢舊輪胎作為輕質回填材料的涵頂減載效果。馬強等利用數值模擬對中松側實、柔性填料、先填后挖等減載措施對涵頂土壓力的影響進行了分析。上述研究表明,可壓縮材料作為回填材料能夠減小涵頂受到的土壓力。綜上所述,由于可壓縮材料的本構關系不明確或長期性能不穩定,或者工程造價太高,大大限制了這些減載措施的應用。為此,楊錫武等提出了在柔性填料上方鋪設加筋材料的加筋橋減載法,并通過系列模型試驗對其減載效果進行了分析。目前,國內外尚沒有比較完整的加筋橋減載法處理高填方涵洞的現場試驗的相關報道?，F場測試結果的匱乏制約了加筋橋減載法地推廣和應用。本文的主要目的是通過對現場實測結果的分析來研究高填方涵洞上覆土壓力的分布及變化規律,為涵頂設置加筋橋的高填方涵洞的設計和土壓力計算理論研究提供參考和依據。2鋼筋橋減載的原則要對涵洞進行有效的減載,應當先弄清楚涵洞-填土的相互工作機制。2.1洞穴剛度與土壓力圖1為涵洞-填土共同工作機制示意圖。圖中M11、M12和M13為涵頂路堤填土的質量,M22為涵洞的質量,M21和M23為涵洞臺背填土質量。K11、K12和K13為涵頂路堤填土的剛度,K22為涵洞剛度,K21和K23為涵洞臺背填土剛度,uf0741、uf0742表示涵頂內、外土柱體之間的摩擦力(或剪切力)。由圖1可知,由于涵洞剛度K22大于涵洞臺背填土剛度K21和K23,使得M11和M13的豎向位移大于M12的豎向位移。則作用在涵頂上的土壓力不僅僅是上覆土柱體重量M12g,還有涵頂上部內、外土柱體之間的剪力傳遞,則作用在涵頂的實際土壓力為由以上分析可知,一般情況下涵頂土壓力大于其上覆土柱體重量。由圖1可以看出,涵洞與其臺背填土的剛度差異越大,M21(或M23)與M22之間的差異沉降越大,uf0741和uf0742也隨之增大,由式(1)可知,涵頂土壓力也將增大。2.2小體積土柱體的填土荷載轉移如圖2所示,在高填方路堤下采用人工措施減小涵頂上方填土的剛度(K1uf0a22(27)K12),可減小涵頂內外土柱體之間的沉降差,甚至使涵頂內土柱體的沉降量略大于外土柱體的沉降量,可以減小內、外土柱體之間的剪應力uf0741和uf0742,甚至使內、外土柱體之間的剪應力uf0741和uf0742反向,將作用在涵洞頂部的填土荷載轉移到涵洞臺背填土上,以達到減小涵頂填土荷載的目的。2.3層土工格柵加筋橋組加筋橋減載法就是在涵頂上方一定寬度和高度范圍內鋪填壓實度較小的松散土體或柔性填料,形成一個柔性減載孔來增大涵頂上方土柱體的沉降,但為了避免減載孔內的松土或柔性填料引起過量沉降,在減載孔上方鋪設一層或多層土工格柵,并在其上填土壓密,格柵兩端錨固在兩側密實土層中,形成加筋橋,如圖3所示。在涵頂采用加筋橋減載法時應當保證涵頂松散填土頂部的沉降1s大于同一平面涵頂兩側填土沉降2s,即內、外土柱體之間的沉降差:(35)s(28)(s1-s2)(29)0。加筋橋減載法可以通過2種方式將涵頂內土柱體的自重荷載傳遞到外土柱體:(1)在填土自重作用下,涵頂松散填土會發生較大的沉降,從而通過內、外土柱體接觸面上的剪切力將涵頂上方土柱體自重向涵頂兩側土柱體轉移;(2)埋設于涵頂減載孔上方的格柵或其他加筋材料,通過“提兜效應”部分承擔作用于涵頂上的垂直土壓力,并將這部分荷載轉移到外土柱體上,從而進一步減小涵頂土壓力。3現場試驗3.1區域地貌及地貌長(治)安(陽)高速公路的長治-平順段位于山西省東南部,公路沿途地貌單元主要為黃土覆蓋構造剝蝕基巖低中山區、陶清河山間凹陷區、沖積平原區。本試驗段涵洞位于長治-平順高速公路第11合同段。涵洞所在區域地貌類型主要為丘陵地貌,公路沿線存在的特殊性巖土主要為濕陷性黃土,巖性一般為粉土,少數為粉質黏土。年降水量一般在537.4~656.7mm,地質勘察范圍內未發現地下水。3.2涵頂土壓力分布現場試驗以樁號為MHK42+059處的高填方混凝土拱涵為測試對象,該涵洞總長為89.52m,高度為6.35m,頂部寬度為7.0m,基礎寬度為9.65m,凈寬為3.0m。涵洞上方最大填土高度為17.2m,基底平面溝谷寬度約為31.6m,涵洞軸線距離左側岸坡約為10.6m,邊坡坡角接近90°,涵洞軸線距離右側岸坡約為21m,邊坡坡角接近90°,該涵洞為典型的寬胸腔非對稱溝埋式涵洞。本試驗結合該拱涵結構,在涵頂采用加筋橋減載措施,通過在涵頂不同位置布設振弦式土壓力盒測試涵洞的受力狀態及受力變化規律。涵洞路段具體施工步驟為:(1)涵洞結構施工完成后,在涵洞兩側分層填土并反復碾壓,直至填土高度達到預設格柵所在高程;(2)在涵頂上方,沿涵洞軸線將填土開挖并清除,形成一寬度為7m而高度漸變的溝槽;(3)在涵頂上方的溝槽中回填重度約為14.8kN/m3的松散煤渣,直至預設格柵所在高程;(4)在松散煤渣頂部鋪設新型三向格柵,而后分層填土并壓實?，F場試驗測試斷面及測點布置如圖4所示。如圖4所示,路堤頂面寬度為30m,現場測試的4個斷面分別位于路肩及距路肩10m對應的涵洞節段,4個斷面的減載孔高度分別為2.0、1.5、1.0、0.5m。在涵頂上方及格柵上、下分層埋設土壓力盒來測試不同填土高度的涵頂垂直土壓力,通過對稱布置土壓力盒,研究土壓力變化規律和偏載效應。各測試斷面土壓力盒布置如圖5所示。在施工過程中,對4個斷面涵頂土壓力進行連續觀測,測試之初有2個土壓力盒(48063,63034)失效。主要測試成果繪于圖6~11中。(注:圖中的填土高度均為格柵上方填土的高度)圖6的曲線反映了1-1斷面格柵下表面處土壓力隨填土高度的變化規律。由圖6看出,由于涵洞上方布置了減載孔,其中回填材料的模量遠小于其兩側密實填土,減載孔兩側土體的壓縮量小于涵洞上方減載孔的壓縮量,從而在格柵平面處,內外土柱體之間產生正的沉降差,通過內、外土柱體之間的摩擦與剪切作用以及格柵的“提兜作用”,涵頂上部填土壓力向涵洞兩側土體轉移,緩解了涵頂土壓力集中現象,使涵洞上方土壓力小于線性土壓力。同時在涵洞軸線左右3.75m處,土壓力顯著增大,隨著到涵洞軸線距離的增加,涵頂兩側土壓力逐漸減小而趨于上覆土柱自重。此外,由于在1-1斷面處涵洞軸線到左右邊坡的距離分別為10.6、21.0m,涵頂土壓力出現偏載效應,即距離邊坡較遠的一側的土壓力大于距離邊坡較近一側的土壓力,實測填土完成時1-1斷面左右兩側應力差值為93kPa。偏載效應會導致涵臺外某一側的土壓力過大,從而導致地基產生不均勻沉陷,引起結構物開裂。涵洞設計和施工過程中,應重視偏載效應對結構內力的影響。在格柵上表面處,涵頂及其外側土壓力分布規律如圖7所示。圖中的測試成果同樣表明,內、外土柱體之間的摩擦與剪切作用將涵頂上部填土壓力向涵洞兩側土體轉移,降低了涵頂土壓力集中程度,使涵頂土壓力小于上覆土體自重。此外,由圖可以看到,當填土高度為2.8m時,格柵上表面各處土壓力相差不大。隨著填土高度的增加,減載孔外側距離涵洞軸線3.75m處土壓力開始增大。隨著填土高度進一步增大至12.0m后,減載孔外側距離涵洞軸線7.25m處的土壓力開始增大。由此可見,涵洞上方土柱體之間的剪力隨著填土高度的增加逐漸向遠離涵軸處擴散。比較圖6、7可以看出,格柵上、下表面處土壓力并不相等。涵洞軸線處格柵上表面土壓力略大于其下表面土壓力,而在距離涵洞軸線3.75m處,格柵下表面土壓力略大于其上表面的土壓力。格柵上、下表面的土壓力相差10%左右,證明了格柵的“提兜作用”可以減小涵頂壓力,使減載效率提高10%左右。圖8為4-4斷面格柵上表面處的土壓力,通過與圖7的對比可以看出,相同填土高時,4-4斷面涵洞軸線上方土壓力大于1-1斷面,而減載孔兩側土壓力小于1-1斷面。4-4斷面減載孔高度僅有0.5m,而1-1斷面減載孔高度為2.0m,因此,較高的減載孔有利于提高涵頂荷載轉移的效率。沿涵洞軸線,涵頂處土壓力隨填土高度的變化規律如圖9所示。(土柱法為文獻推薦的線性土壓力計算方法,其大小為涵洞上覆土體自重。)由圖9可知,涵頂平面垂直土壓力隨著填土荷載的增加而呈非線性增加。實測1-1與2-2斷面涵頂土壓力均小于其上覆土柱體自重。實測4-4斷面涵頂土壓力在填土之初略小于土柱法計算結果,當填土高度為5.8~9.2m時,涵頂壓力增長速率增大,略大于線性土壓力,而后隨著填土高度進一步增加,涵頂壓力增長速率又逐漸減小,涵頂壓力又逐漸小于線性土壓力計算結果。產生這一現象的原因是4-4斷面減載孔高度較小(0.5m),在填土過程中逐漸被壓實,繼續填土,不能再起到減載作用,而引起涵頂土壓力增大,并大于線性土壓力計算結果。而當填土高度大于一定高度(9.2m)以后,岸坡對填土的摩擦作用逐漸表現出來,從而又使涵頂上方的土壓力減小。由圖6中1-1斷面測試成果可知,距離岸坡較近的一側,涵頂外側的土壓力較小,這也是岸坡和涵洞上方填土之間的摩阻力作用的結果。從圖9也可以看出,在相同填土高度時,1-1斷面涵頂土壓力最小,4-4斷面涵頂土壓力最大。填土高于9.2m以后,1-1斷面土壓力比4-4斷面小40%左右。由此可知,涵頂減載效果與減載孔高度密切相關,不同的減載孔高度對涵洞減載效果有較大的影響,減載孔高度越高,減載效果越明顯。沿涵洞軸線,格柵下、上表面的土壓力隨填土高度的變化規律如圖10、11所示。由圖10可以看出1-1和2-2斷面格柵下表面土壓力實測值均小于按線性土壓力理論(土柱法)計算的結果。3-3與4-4斷面格柵下表面土壓力實測結果與線性土壓力理論計算結果較為接近。在填土高度大于6.3m以后,由于減載孔填料被逐漸壓密,3-3和4-4斷面的格柵上方填土壓力增長速率有所增大。圖9中各斷面處土壓力均大于圖10中的土壓力,這部分差值是由減載孔中松散填料自重引起的。由圖11可以看出,格柵上表面處土壓力隨填土荷載的增加呈非線性增加。通過與圖10結果進行對比可以看出,在減載孔上方格柵上表面壓力要大于格柵下表面的壓力。而由圖6、7的比較可以看出,在減載孔兩側,格柵上表面處的壓力小于格柵下表面處的壓力。這表明在減載孔上方鋪設格柵,格柵具有“提兜效應”,將減載孔上的土壓力向其兩側轉移,從而減小涵頂所受的土壓力。4加筋橋減載法的應用總結(1)在涵頂采用加筋橋減載改變了涵洞上方的土壓力分布,將原來集中于涵洞上方的荷載通過內外土柱之間的摩擦傳遞到涵頂兩側,使作用于涵頂上方的土壓力向涵臺外側轉移,從而減小了涵頂應力,達到減載的目的。(2)減載孔上方鋪設的格柵具有“提兜效應”,使涵頂上方土壓力更加有效地轉移至涵頂兩側,進一步減小涵頂壓力。此外由于格柵具有加筋作用,鋪設格柵可避免因松散填料長期變形引起的路面工后不均勻沉降。(3)涵頂減載效果與減載孔高度密切相關,不同的減載孔高度對涵洞減載效果有較大的影響,減載孔高度越高,減載效果越明顯。為取得較好的減載效果,可以考慮增大減載孔高度,但過高的減載孔高度又可