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    重庆时时彩刷钱秘籍: 高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法.pdf

    关 键 词:
    填方 涵洞 垂直 压力 计算方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201610972101.4

    申请日:

    2017.01.09

    公开号:

    CN106777451A

    公开日:

    2017.05.31

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G06F 17/50申请日:20170109|||公开
    IPC分类号: G06F17/50 主分类号: G06F17/50
    申请人: 长安大学
    发明人: 冯忠居; 郝宇萌; 潘放; 李军; 隆云国; 建鑫龙; 李炎; 李少杰; 李保瑞; 邵景干; 邵平; 蒙超荣; 尹洪桦; 董芸秀; 王振; 芦佳; 范哲
    地址: 710064 陕西省西安市雁塔区二环南路中段126号
    优先权:
    专利代理机构: 西安恒泰知识产权代理事务所 61216 代理人: 李婷
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    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610972101.4

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2017.06.23|||2017.05.31

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明的高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法,综合考虑了填土高度、跨径、地形条件、地基模量、减荷措施等因素的影响,解决了现有规范中没有考虑涵洞结构、填土介质、地形条件及地基的共同作用等因素致使设计计算结果与涵洞实际受力相差较大,避免了因设计过于保守造成的材料浪费及设计荷载不足导致的涵洞结构安全隐患,在保证涵洞结构安全性的前提下,直接和间接经济效益明显。

    权利要求书

    1.高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
    步骤一:建立涵洞离心模型和涵洞数值仿真模型;涵洞离心模型和涵洞数值仿真模型
    涉及的参数包括:综合影响因子C,填土高度H,跨径D,沟谷宽度B,沟谷坡度α,EPS厚度HEPS,
    影响因素系数b1、b2、b3、b4、b5、b6;
    步骤二:将涵洞离心模型放入离心机内进行离心模型试验,将涵洞数值仿真模型利用
    有限元分析软件进行数值仿真实验,分别得到综合影响因子C,填土高度H,跨径D,沟谷宽度
    B,沟谷坡度α,EPS厚度HEPS与涵洞涵顶垂直土压力的关系为正相关还是负相关;
    步骤三:根据步骤二中得到的各个参数与涵洞涵顶垂直土压力的关系,计算涵洞涵顶
    垂直土压力,采用的公式为:
    <mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>q</mi> <mi>v</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>K</mi> <mi>s</mi> </msub> <mi>&gamma;</mi> <mi>H</mi> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>CH</mi> <mrow> <msub> <mi>b</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <msup> <mi>D</mi> <msub> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </msub> </msup> <msup> <msub> <mi>E</mi> <mi>d</mi> </msub> <msub> <mi>b</mi> <mn>3</mn> </msub> </msup> <msup> <mi>B</mi> <msub> <mi>b</mi> <mn>4</mn> </msub> </msup> <msup> <mi>&alpha;</mi> <msub> <mi>b</mi> <mn>5</mn> </msub> </msup> <msup> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>E</mi> <mi>P</mi> <mi>S</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>b</mi> <mn>6</mn> </msub> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mi>&gamma;</mi> <mi>H</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>=</mo> <msup> <mi>C&gamma;H</mi> <msub> <mi>b</mi> <mn>1</mn> </msub> </msup> <msup> <mi>D</mi> <msub> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </msub> </msup> <msup> <msub> <mi>E</mi> <mi>d</mi> </msub> <msub> <mi>b</mi> <mn>3</mn> </msub> </msup> <msup> <mi>B</mi> <msub> <mi>b</mi> <mn>4</mn> </msub> </msup> <msup> <mi>&alpha;</mi> <msub> <mi>b</mi> <mn>5</mn> </msub> </msup> <msup> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>E</mi> <mi>P</mi> <mi>S</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>b</mi> <mn>6</mn> </msub> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
    式中:
    ——qv为高填方涵洞涵顶垂直土压力;
    ——C为综合影响因子;
    ——H为填土高度;
    ——D为跨径;
    ——Ed为地基土模量;
    ——B为沟谷宽度,α为沟谷坡度;
    ——HEPS为EPS厚度;
    ——b1、b2、b3、b4、b5、b6为影响因素系数;
    ——Ks为涵顶垂直土压力集中系数;
    其中,综合影响因子C的取值范围为0.20~2.30,b1的取值范围为0.50~1.50,b2的取值
    范围为-0.40~0.40、b3的取值范围为0.05~0.50、b4的取值范围为0.0~0.70、b5的取值范
    围为-0.50~0.0、b6的取值范围为-0.50~0.0。
    2.如权利要求1所述的高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法,其特征在于,当涵洞为盖
    板涵时,所述影响因素系数b1、b2、b3、b4、b5、b6的取值如下:
    若填土高度H≤15m时,C=0.399,b1=1.218,b2=‐0.127,b3=0.265,b4=0.294,b5=‐
    0.181,b6=‐0.135;若填土高度H>15m时,C=1.297,b1=0.864,b2=‐0.133,b3=0.179,b4=
    0.296,b5=‐0.179,b6=‐0.134;
    当地形条件为平地时,b4=b5=0,当无EPS减少荷载的措施时,b6=0。
    3.如权利要求1所述的高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法,其特征在于,当涵洞为箱
    涵时,所述影响因素系数b1、b2、b3、b4、b5、b6的取值如下:
    若填土高度H≤15m时,C=0.624,b1=1.173,b2=0.122,b3=0.172,b4=0.294,b5=‐
    0.188,b6=‐0.144;若填土高度H>15m时,C=1.426,b1=0.838,b2=‐0.132,b3=0.17,b4=
    0.297,b5=‐0.185,b6=‐0.142;
    当地形条件为平地时,b4=b5=0,当无EPS减少荷载的措施时,b6=0。
    4.如权利要求1所述的高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法,其特征在于,当涵洞为圆
    管涵时,所述影响因素系数b1、b2、b3、b4、b5、b6的取值如下:
    若填土高度H≤15m时,C=0.708,b1=1.107,b2=0.019,b3=0.165,b4=0.42,b5=‐
    0.297,b6=‐0.226;若填土高度H>15m时,C=1.318,b1=0.847,b2=‐0.023,b3=0.165,b4=
    0.421,b5=‐0.296,b6=‐0.225;
    当地形条件为平地时,b4=b5=0,当无EPS减少荷载的措施时,b6=0。
    5.如权利要求1所述的高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法,其特征在于,当涵洞为拱
    涵时,所述影响因素系数b1、b2、b3、b4、b5、b6的取值如下:
    若填土高度H≤15m时,C=1.119,b1=1.042,b2=‐0.149,b3=0.131,b4=0.254,b5=‐
    0.171,b6=‐0.091;若填土高度H>15m时,C=1.824,b1=0.851,b2=‐0.118,b3=0.137,b4=
    0.306,b5=‐0.193,b6=‐0.154;
    当地形条件为平地时,b4=b5=0,当无EPS减少荷载的措施时,b6=0。
    6.如权利要求1所述的高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法,其特征在于,所述涵顶垂
    直土压力集中系数Ks按照下表进行取值:

    说明书

    高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法

    技术领域

    本发明属于岩土工程技术领域,涉及高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法。适用
    于涵洞以及其他各种上埋式、沟埋式构筑物,诸如用于圆管涵,拱涵,盖板涵,箱涵,尾矿坝
    (库)下的排洪洞,土石坝下的廊道、泄水洞,填埋式地下变电站、各类地下通道等。

    背景技术

    涵洞广泛应用于交通、水利及市政工程等基础设施领域,其作用是宣泄底面水流
    (小溪或小河流),或便于人、畜和车辆通行而设置的横穿路基的构造物。

    在高速公路建设中尤其在我国山区高速公路建设中高填方涵洞的应用非常普遍。
    高填方涵洞由于涵顶上覆填土高度大加之涵洞-填土-地基受力体系的复杂性使涵顶实际
    垂直土压力计算难以准确计算。一方面,地基、地形和施工工艺等现场条件对涵顶垂直土压
    力影响较大,若在涵洞周边存在边坡则可以分担一部分涵顶填土荷载减少涵顶所受垂直土
    压力;另一方面,当高填方涵洞地基土条件较差时,为防止地基承载力不足造成较大沉降量
    过大或不均匀沉降,设计及施工人员通常增加基础尺寸,甚至采用管桩处理形式进一步加
    大地基土刚度从而增大涵顶实际垂直土压力;此外,由于高填方涵洞实际上覆垂直土压力
    较大,往往采取减荷措施,其中EPS板的运用较为广泛。由于EPS板材料性质与填土、涵洞及
    地基土受力性质完全不同致使涵顶垂直土压力的计算更加复杂。据统计,目前国内外已有
    数十种涵顶垂直土压力计算方法,但不同计算方法由于理论假设不同或缺乏理论支撑等原
    因使涵顶垂直土压力计算结果存在较大出入,使设计及施工人员难以选择。综上,涵顶垂直
    土压力的计算方法直接影响涵洞结构的设计、施工及安全,严重时,将直接影响到高速公路
    的正常运营。

    因此,研究一种能够综合考虑各种影响因素的涵顶垂直土压力的计算方法,以期
    得到更加符合实际的涵顶垂直土压力值,对于保障涵洞结构的正常使用及高速公路的安全
    发展起到至关重要现实意义。

    发明内容

    针对上述现有技术中存在的问题或缺陷,本发明的目的在于,提供一种高填方涵
    洞顶垂直土压力计算方法。其综合考虑结构形式、填土高度、跨径尺寸、地基土模量、沟谷宽
    度、EPS厚度等各种因素,提出各种影响因素下高填方涵洞垂直土压力计算公式,并通过计
    算得到各种因素的影响系数以及垂直土压力集中系数Ks参考值,其计算结果较现行的方法
    更接近实际;本发明旨在使涵顶垂直土压力计算更加符合工程实际,从而达到改善涵洞结
    构受力状态,适当减小结构尺寸,配筋数量及材料强度以达到安全可靠、经济合理的目标。

    为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

    本发明的高填方涵洞顶垂直土压力计算方法,包括以下步骤:

    步骤一:建立涵洞离心模型和涵洞数值仿真模型;涵洞离心模型和涵洞数值仿真
    模型涉及的参数包括:综合影响因子C,填土高度H,跨径D,沟谷宽度B,沟谷坡度α,EPS厚度
    HEPS,影响因素系数b1、b2、b3、b4、b5、b6;

    步骤二:将涵洞离心模型放入离心机内进行离心模型试验,将涵洞数值仿真模型
    利用有限元分析软件进行数值仿真实验,分别得到综合影响因子C,填土高度H,跨径D,沟谷
    宽度B,沟谷坡度α,EPS厚度HEPS与涵洞涵顶垂直土压力的关系为正相关还是负相关;

    步骤三:根据步骤二中得到的各个参数与涵洞涵顶垂直土压力的关系,计算涵洞
    涵顶垂直土压力,采用的公式为:


    式中:

    ——qv为高填方涵洞涵顶垂直土压力;

    ——C为综合影响因子;

    ——H为填土高度;

    ——D为跨径;

    ——Ed为地基土模量;

    ——B为沟谷宽度,α为沟谷坡度;

    ——HEPS为EPS厚度;

    ——b1、b2、b3、b4、b5、b6为影响因素系数;

    ——Ks为涵顶垂直土压力集中系数;

    其中,综合影响因子C的取值范围为0.20~2.30,b1的取值范围为0.50~1.50,b2的
    取值范围为-0.40~0.40、b3的取值范围为0.05~0.50、b4的取值范围为0.0~0.70、b5的取
    值范围为-0.50~0.0、b6的取值范围为-0.50~0.0。

    进一步地,当涵洞为盖板涵时,所述影响因素系数b1、b2、b3、b4、b5、b6的取值如下:

    若填土高度H≤15m时,C=0.399,b1=1.218,b2=‐0.127,b3=0.265,b4=0.294,b5
    =‐0.181,b6=‐0.135;若填土高度H>15m时,C=1.297,b1=0.864,b2=‐0.133,b3=0.179,
    b4=0.296,b5=‐0.179,b6=‐0.134;

    当地形条件为平地时,b4=b5=0,当无EPS减少荷载的措施时,b6=0。

    进一步地,当涵洞为箱涵时,所述影响因素系数b1、b2、b3、b4、b5、b6的取值如下:

    若填土高度H≤15m时,C=0.624,b1=1.173,b2=0.122,b3=0.172,b4=0.294,b5
    =‐0.188,b6=‐0.144;若填土高度H>15m时,C=1.426,b1=0.838,b2=‐0.132,b3=0.17,b4
    =0.297,b5=‐0.185,b6=‐0.142;

    当地形条件为平地时,b4=b5=0,当无EPS减少荷载的措施时,b6=0。

    进一步地,当涵洞为圆管涵时,所述影响因素系数b1、b2、b3、b4、b5、b6的取值如下:

    若填土高度H≤15m时,C=0.708,b1=1.107,b2=0.019,b3=0.165,b4=0.42,b5
    =‐0.297,b6=‐0.226;若填土高度H>15m时,C=1.318,b1=0.847,b2=‐0.023,b3=0.165,
    b4=0.421,b5=‐0.296,b6=‐0.225;

    当地形条件为平地时,b4=b5=0,当无EPS减少荷载的措施时,b6=0。

    进一步地,当涵洞为拱涵时,所述影响因素系数b1、b2、b3、b4、b5、b6的取值如下:

    若填土高度H≤15m时,C=1.119,b1=1.042,b2=‐0.149,b3=0.131,b4=0.254,b5
    =‐0.171,b6=‐0.091;若填土高度H>15m时,C=1.824,b1=0.851,b2=‐0.118,b3=0.137,
    b4=0.306,b5=‐0.193,b6=‐0.154;

    当地形条件为平地时,b4=b5=0,当无EPS减少荷载的措施时,b6=0。

    进一步地,所述涵顶垂直土压力集中系数Ks按照下表进行取值:


    与现有技术相比,本发明具有以下技术效果:

    1、本发明的高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法,综合考虑了填土高度、跨径、地
    形条件、地基模量、减荷措施等因素的影响,解决了现有规范中没有考虑涵洞结构、填土介
    质、地形条件及地基的共同作用等因素致使设计计算结果与涵洞实际受力相差较大,避免
    了因设计过于保守造成的材料浪费或设计荷载不足导致的涵洞结构安全隐患,在保证涵洞
    结构安全性的前提下,直接和间接经济效益明显。

    2、本发明的高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法,一方面能大大降低涵洞病害的
    发生,有效的提高了高填方涵洞结构的使用寿命从而保障了高速公路的正常运营。另一方
    面,本公式由于综合考虑了填土高度、跨径、地形条件、地基模量、减荷措施等因素对涵顶垂
    直土压力分布的影响,计算结果较为接近涵顶实际受力情况,能节省大量工程投资并缩短
    涵洞工程施工周期。

    附图说明

    图1是离心模型试验下,四种工况下垂直土压力集中系数Ks在不同影响因素下的
    分布规律;其中,(a)表示不同工况下垂直土压力集中系数Ks随着填土高度的变化曲线;(b)
    表示不同工况下垂直土压力集中系数Ks随着地基土模量的变化曲线;(c)表示不同工况下
    垂直土压力集中系数Ks随着沟谷宽度的变化曲线;(d)表示不同工况下垂直土压力集中系
    数Ks随着沟谷坡度的变化曲线;(e)表示不同工况下垂直土压力集中系数Ks随着平地-EPS板
    厚度的变化曲线;(f)表示不同工况下垂直土压力集中系数Ks随着沟谷-EPS板厚度的变化
    曲线。

    图2是数值仿真模拟试验下,四种工况下垂直土压力集中系数Ks在不同影响因素
    下的分布规律;其中,(a)表示不同工况下垂直土压力集中系数Ks随着填土高度的变化曲
    线;(b)表示不同工况下垂直土压力集中系数Ks随着跨径的变化曲线;(f)表示不同工况下
    垂直土压力集中系数Ks随着涵底地基土模量的变化曲线;(h)表示不同工况下垂直土压力
    集中系数Ks随着沟谷宽度的变化曲线;(i)表示不同工况下垂直土压力集中系数Ks随着沟谷
    坡度的变化曲线;(j)表示不同工况下垂直土压力集中系数Ks随着平地-EPS板厚度的变化
    曲线;(k)表示不同工况下垂直土压力集中系数Ks随着沟谷-EPS板厚度的变化曲线。

    图3是不同工况下,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随填土高
    度的变化分布规律,其中,(a)表示涵洞为盖板涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压
    力集中系数Ks随填土高度的变化分布规律;(b)表示涵洞为圆管涵时,离心实验和数值仿真
    实验下垂直土压力集中系数Ks随填土高度的变化分布规律;(c)表示涵洞为箱涵时,离心实
    验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随填土高度的变化分布规律;(d)表示涵洞为
    拱涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随填土高度的变化分布规律。

    图4是不同工况下,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随地基土
    模量的变化分布规律,其中,(a)表示涵洞为盖板涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土
    压力集中系数Ks随地基土模量的变化分布规律;(b)表示涵洞为圆管涵时,离心实验和数值
    仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随地基土模量的变化分布规律;(c)表示涵洞为箱涵时,
    离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随地基土模量的变化分布规律;(d)表
    示涵洞为拱涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随地基土模量的变化
    分布规律。

    图5是不同工况下,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随沟谷宽
    度的变化分布规律,其中,(a)表示涵洞为盖板涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压
    力集中系数Ks随沟谷宽度的变化分布规律;(b)表示涵洞为圆管涵时,离心实验和数值仿真
    实验下垂直土压力集中系数Ks随沟谷宽度的变化分布规律;(c)表示涵洞为箱涵时,离心实
    验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随沟谷宽度的变化分布规律;(d)表示涵洞为
    拱涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随沟谷宽度的变化分布规律。

    图6是不同工况下,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随沟谷坡
    度的变化分布规律,其中,(a)表示涵洞为盖板涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压
    力集中系数Ks随沟谷坡度的变化分布规律;(b)表示涵洞为圆管涵时,离心实验和数值仿真
    实验下垂直土压力集中系数Ks随沟谷坡度的变化分布规律;(c)表示涵洞为箱涵时,离心实
    验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随沟谷坡度的变化分布规律;(d)表示涵洞为
    拱涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随沟谷坡度的变化分布规律。

    图7是不同工况下,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随EPS板厚
    度的变化分布规律,其中,(a1)表示涵洞为平地‐盖板涵时,离心实验和数值仿真实验下垂
    直土压力集中系数Ks随EPS板厚度的变化分布规律;(a2)表示涵洞为沟谷‐盖板涵时,离心
    实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随EPS板厚度的变化分布规律;(b1)表示涵
    洞为平地‐圆管涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随EPS板厚度的变
    化分布规律;(b2)表示涵洞为沟谷-圆管涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中
    系数Ks随EPS板厚度的变化分布规律;(c1)表示涵洞为平地‐箱涵时,离心实验和数值仿真
    实验下垂直土压力集中系数Ks随EPS板厚度的变化分布规律;(c2)表示涵洞为沟谷‐箱涵
    时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随EPS板厚度的变化分布规律;(d1)
    表示涵洞为平地‐拱涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随EPS板厚度
    的变化分布规律;(d2)表示涵洞为沟谷‐拱涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集
    中系数Ks随EPS板厚度的变化分布规律。

    图8是不同工况下,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随EPS板铺
    设高度的变化分布规律,其中,(a1)表示涵洞为平地‐盖板涵时,离心实验和数值仿真实验
    下垂直土压力集中系数Ks随EPS板铺设高度的变化分布规律;(a2)表示涵洞为沟谷‐盖板涵
    时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随EPS板铺设高度的变化分布规律;
    (b1)表示涵洞为平地‐圆管涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随EPS
    板铺设高度的变化分布规律;(b2)表示涵洞为沟谷-圆管涵时,离心实验和数值仿真实验下
    垂直土压力集中系数Ks随EPS板铺设高度的变化分布规律;(c1)表示涵洞为平地‐箱涵时,
    离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随EPS板铺设高度的变化分布规律;
    (c2)表示涵洞为沟谷‐箱涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随EPS板
    铺设高度的变化分布规律;(d1)表示涵洞为平地‐拱涵时,离心实验和数值仿真实验下垂直
    土压力集中系数Ks随EPS板铺设高度的变化分布规律;(d2)表示涵洞为沟谷‐拱涵时,离心
    实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随EPS板铺设高度的变化分布规律。

    图9是涵洞为盖板涵时,计算得到涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着盖板
    涵工况的变化的对比图以及涵顶垂直土压力集中系数随着盖板涵工况的变化的对比图;其
    中,(a)表示涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着盖板涵工况的变化的对比图,(b)表
    示涵顶垂直土压力集中系数回归数据随着盖板涵工况的变化的对比图。

    图10是涵洞为箱涵时,计算得到涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着箱涵工
    况的变化的对比图以及涵顶垂直土压力集中系数随着箱涵工况的变化的对比图;其中,(a)
    表示涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着箱涵工况的变化的对比图,(b)表示涵顶垂
    直土压力集中系数回归数据随着箱涵工况的变化的对比图。

    图11是涵洞为圆管涵时,计算得到涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着圆管
    涵工况的变化的对比图以及涵顶垂直土压力集中系数随着圆管涵工况的变化的对比图;其
    中,(a)表示涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着圆管涵工况的变化的对比图,(b)表
    示涵顶垂直土压力集中系数回归数据随着圆管涵工况的变化的对比图。

    图12是涵洞为拱涵时,计算得到涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着拱涵工
    况的变化的对比图以及涵顶垂直土压力集中系数随着拱涵工况的变化的对比图;其中,(a)
    表示涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着拱涵工况的变化的对比图,(b)表示涵顶垂
    直土压力集中系数回归数据随着拱涵工况的变化的对比图。

    图13是采用本发明方法得到的包茂高速公路(粤境段)AK30+587.5和K46+860高填
    方涵洞涵顶中心垂直土压力系数Ks与现场试验实测得到的Ks和现有的规范公式得到的Ks的
    对比图;其中,(a)表示本发明方法得到的AK30+587.5高填方涵洞涵顶中心垂直土压力系数
    Ks与现场试验实测得到的Ks和现有的规范公式得到的Ks的对比图;(b)表示本发明方法得到
    的K46+860高填方涵洞涵顶中心垂直土压力系数Ks与现场试验实测得到的Ks和现有的规范
    公式得到的Ks的对比图。

    下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案作进一步详细地解释和说明。

    具体实施方式

    本发明的高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法,包括以下步骤:

    步骤一:建立涵洞离心模型和涵洞数值仿真模型;涵洞离心模型和涵洞数值仿真
    模型涉及的参数包括:综合影响因子C,填土高度H,跨径D,沟谷宽度B,沟谷坡度α,EPS厚度
    HEPS,影响因素系数b1、b2、b3、b4、b5、b6;

    步骤二:将涵洞离心模型放入离心机内进行离心模型试验,将涵洞数值仿真模型
    利用有限元分析软件进行数值仿真实验,分别得到综合影响因子C,填土高度H,跨径D,沟谷
    宽度B,沟谷坡度α,EPS厚度HEPS与涵洞涵顶垂直土压力的关系为正相关还是负相关;

    步骤三:根据步骤二中得到的各个涵洞模型建立涉及的参数与涵洞涵顶垂直土压
    力的关系,计算涵洞涵顶垂直土压力,采用的公式为:


    式中:

    ——qv为高填方涵洞涵顶垂直土压力;

    ——C为综合影响因子;

    ——H为填土高度(m);

    ——D为跨径(m);

    ——Ed为地基土模量(MPa);

    ——B为沟谷宽度(D),α为沟谷坡度(°);

    ——HEPS为EPS厚度(cm);

    ——b1、b2、b3、b4、b5、b6为影响因素系数;

    ——Ks为涵顶垂直土压力集中系数。

    其中,步骤二中将涵洞离心模型放入离心机内进行离心模型试验,将涵洞数值仿
    真模型利用有限元分析软件进行数值仿真实验,得到在对盖板涵顶垂直土压力产生的影响
    因素中,填土高度、地基土模量、沟谷宽度与涵洞顶部垂直土压力呈正相关,沟谷坡度、EPS
    板厚度与涵洞顶部垂直土压力呈负相关。具体试验分析过程如下:

    1、结合南方山区高填方涵洞的实际情况,基于离心模型试验,分析四种工况(拱
    涵、箱涵、盖板涵和圆管涵)下垂直土压力集中系数Ks在不同影响因素下的分布规律,如图1
    所示。

    从图1可以看出,随着涵洞顶部填土高度的增加,盖板涵、圆管涵、箱涵和拱涵的涵
    顶垂直土压力集中系数Ks值呈先增大后减小并最终趋于稳定的变化规律;除此之外,涵洞
    顶部垂直土压力集中系数与地基土模量、沟谷宽度呈正相关,与沟谷坡度、EPS板厚度呈负
    相关,与EPS板铺设高度呈先减小后增大的变化规律。

    综上,离心模型试验不同工况下,四种型式涵洞顶部垂直土压力集中系数Ks值大
    小规律基本一致,盖板涵和箱涵的曲线形式较为接近,Ks值从大到小顺序依次为拱涵、圆管
    涵、盖板涵、箱涵,说明拱涵、圆管涵较盖板涵、箱涵顶处应力集中明显。其原因是拱涵、圆管
    涵较盖板涵、箱涵涵洞侧部土体的沉降大,涵洞顶部土体内外沉降差增大,外土柱对内土柱
    的拖拽作用增大,故拱涵、圆管涵涵顶垂直土压力大于盖板涵、箱涵。

    2、结合南方山区高填方涵洞的实际情况,基于数值仿真模拟,分析四种工况(拱
    涵、箱涵、盖板涵和圆管涵)下垂直土压力集中系数Ks在不同影响因素下的分布规律,如图2
    所示。

    从图2可以看出,随着涵洞顶部填土高度增大,盖板涵、圆管涵、箱涵和拱涵涵洞顶
    部垂直土压力集中系数Ks值呈先增大后减小并最终趋于稳定的变化规律;结构尺寸对不同
    涵洞型式影响不同,随着跨径的增大,盖板涵、箱涵、拱涵顶垂直土压力集中系数Ks值逐渐
    减小,圆管涵顶垂直土压力集中系数Ks值逐渐增大;除此之外,涵洞顶部垂直土压力集中系
    数与涵洞底部地基土模量、沟谷宽度、EPS板铺设宽度、EPS板铺设高度呈正相关,与上填土
    模量、侧填土模量、沟谷坡度、EPS板厚度呈负相关。

    数值仿真分析不同工况下,四种型式涵洞顶部垂直土压力集中系数Ks值大小规律
    基本一致,从大到小顺序依次为拱涵、圆管涵、盖板涵、箱涵,其中盖板涵和箱涵的曲线形式
    较为接近;圆管涵由于结构尺寸较小,受涵周变化影响明显,当沟坡窄而陡或采取EPS板减
    荷时,圆管涵顶垂直土压力系数Ks值小于其他三种涵洞型式。

    3、结合南方山区高填方涵洞的实际情况,基于离心模型试验和数值仿真分析,不
    同试验手段涵顶垂直土压力集中系数Ks在不同工况下,随不同影响因素的变化分布规律,
    如图3~8所示。其中图3为不同工况下,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks
    随填土高度的变化分布规律;

    其中图4为不同工况下,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随地
    基土模量的变化分布规律。

    其中图5为不同工况下,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随沟
    谷宽度的变化分布规律。

    其中图6为不同工况下,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随沟
    谷坡度的变化分布规律。

    其中图7为不同工况下,离心实验和数值仿真实验下垂直土压力集中系数Ks随EPS
    板厚度的变化分布规律。

    从图3~8可以看出填土高度影响因素下,盖板涵、箱涵离心试验结果略大于数值
    仿真计算结果,拱涵、圆管涵反之;其他影响因素条件下,四种型式涵洞离心试验结果均大
    于数值仿真计算结果。特别的,沟谷地形或采取EPS板减荷的条件下,圆管涵离心模型试验
    结果与数值仿真计算存在较大差异,这是由于圆管涵结构尺寸较小,受沟谷地形及EPS板减
    荷效果明显,且由于填土、地基土、加载方式及不确定因素的影响,不可避免的出现测试结
    果离散的现象。

    数值计算结果与离心模型试验成果之间存在一定的差异性,这种差异是由于离心
    模型试验的施工顺序与环境造成的,离心模型试验中,填土密度、地基土强度、沟谷边界及
    回填土的压实度等多种因素都会对试验结果造成影响,而数值模拟计算中,有限元模型比
    较理想化,基本不受任何外界因素的干扰,所得成果更接近于理论计算值,可为理论分析提
    供一定的参考。

    根据上述实验结果即可得到本发明的涵洞涵顶垂直土压力计算公式。

    计算公式中的为综合影响因子C和影响因素系数b1、b2、b3、b4、b5、b6的求取方法如
    下:

    根据公式(1)得涵顶垂直土压力集中系数:


    对公式(1)两边同时取对数,得:

    lgqv=lgCr+b1lgH+b2lgD+b3lgEd+b4lgB+b5lgα+b6lgHEPS (3)

    令Y=lgqv,b0=lgCr,X1=lgH,X2=lgD,X3=lgEd,X4=lgB,X5=lgα,X6=lgHEPS,
    则:

    Y=b0+b1X1+b2X2+b3X3+b4X4+b5X5+b6X6 (4)

    公式(1)经运算后得线性回归公式(4),采用大型数据分析软件SPSS(即“统计产品
    与服务解决方案”软件)结合离心模型和数值模拟试验数据利用回归分析,即可拟合出一条
    回归数据曲线,即可求解综合影响因子C和影响因素系数b1、b2、b3、b4、b5、b6。

    可选地,不同涵洞形式-不同填土高度下的涵顶垂直土压力计算公式的影响系数
    (b1、b2、b3、b4、b5、b6)如表1至表4所示:

    表1盖板涵-不同填土高度计算公式的影响系数

    填土高度
    C
    b1
    b2
    b3
    b4
    b5
    b6
    H≤15m
    0.399
    1.218
    -0.127
    0.265
    0.294(0)
    -0.181(0)
    -0.135(0)
    H>15m
    1.297
    0.864
    -0.133
    0.179
    0.296(0)
    -0.179(0)
    -0.134(0)

    表2箱涵-不同填土高度计算公式的影响系数

    填土高度
    C
    b1
    b2
    b3
    b4
    b5
    b6
    H≤15m
    0.624
    1.173
    0.122
    0.172
    0.294(0)
    -0.188(0)
    -0.144(0)
    H>15m
    1.426
    0.838
    -0.132
    0.17
    0.297(0)
    -0.185(0)
    -0.142(0)

    表3圆管涵-不同填土高度计算公式的影响系数

    土高度
    C
    b1
    b2
    b3
    b4
    b5
    b6
    H≤15m
    0.708
    1.107
    0.019
    0.165
    0.42(0)
    -0.297(0)
    -0.226(0)
    H>15m
    1.318
    0.847
    0.023
    0.165
    0.421(0)
    -0.296(0)
    -0.225(0)

    表4拱涵-不同填土高度计算公式的影响系数

    填土高度
    C
    b1
    b2
    b3
    b4
    b5
    b6
    H≤15m
    1.119
    1.042
    -0.149
    0.131
    0.254(0)
    -0.171(0)
    -0.091(0)
    H>15m
    1.824
    0.851
    -0.118
    0.137
    0.306(0)
    -0.193(0)
    -0.154(0)

    注:()中数字表示当该影响因素不存在时影响系数所取的值,即当地形条件为平
    地时,b4=b5=0,当无EPS减少荷载的措施时,b6=0。

    各影响因素的系数代表该因素对土压力的影响权重,值为正表示正相关,值为负
    表示负相关。

    通过以上涵洞顶部垂直土压力的分析,根据涵顶垂直土压力系数Ks计算方法,得
    出符合实际情况的涵顶垂直土压力集中系数Ks推荐值如表5所示:


    试验分析本发明的高填方涵洞涵顶垂直土压力的计算方法的有效性:

    (1)采用本发明的计算方法得到涵顶垂直土压力回归数据与离心模型试验或者数
    值模拟试验的原始数据进行对比,涵顶垂直土压力集中系数与离心模型试验或者数值模拟
    试验的原始数据进行对比。如图9—图12所示。

    其中,图9表示涵洞为盖板涵时,计算得到涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随
    着盖板涵工况的变化的对比图以及涵顶垂直土压力集中系数随着盖板涵工况的变化的对
    比图;其中,(a)表示涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着盖板涵工况的变化的对比
    图,(b)表示涵顶垂直土压力集中系数回归数据随着盖板涵工况的变化的对比图。

    图10表示涵洞为箱涵时,计算得到涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着箱涵
    工况的变化的对比图以及涵顶垂直土压力集中系数随着箱涵工况的变化的对比图;其中,
    (a)表示涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着箱涵工况的变化的对比图,(b)表示涵顶
    垂直土压力集中系数回归数据随着箱涵工况的变化的对比图。

    图11表示涵洞为圆管涵时,计算得到涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着圆
    管涵工况的变化的对比图以及涵顶垂直土压力集中系数随着圆管涵工况的变化的对比图;
    其中,(a)表示涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着圆管涵工况的变化的对比图,(b)
    表示涵顶垂直土压力集中系数回归数据随着圆管涵工况的变化的对比图。

    图12表示涵洞为拱涵时,计算得到涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着拱涵
    工况的变化的对比图以及涵顶垂直土压力集中系数随着拱涵工况的变化的对比图;其中,
    (a)表示涵顶垂直土压力回归数据和原始数据随着拱涵工况的变化的对比图,(b)表示涵顶
    垂直土压力集中系数回归数据随着拱涵工况的变化的对比图。

    由图9-图12中可看出公式计算结果和实测值较吻合,回归公式计算结果可靠。

    (2)采用本发明的计算方法得到涵顶垂直土压力回归数据与现场试验数据对比分

    离心模型试验和数值模拟分析需要现场试验来验证,本次现场试验结合包茂高速
    公路(粤境段)工程实际,选取AK30+587.5(6×5盖板涵)和K46+860(4×4盖板涵)两座具有
    代表性的实体结构进行高填方涵洞土压力分析,试验涵洞详细参数如表6所示。

    表6现场试验涵洞基本参数


    采用本发明方法得到的AK30+587.5和K46+860高填方涵洞涵顶中心垂直土压力系
    数Ks与现场试验实测得到的Ks和现有的规范公式得到的Ks的对比图如如图13所示。其中,
    (a)表示本发明方法得到的AK30+587.5高填方涵洞涵顶中心垂直土压力系数Ks与现场试验
    实测得到的Ks和现有的规范公式得到的Ks的对比图;(b)表示本发明方法得到的K46+860高
    填方涵洞涵顶中心垂直土压力系数Ks与现场试验实测得到的Ks和现有的规范公式得到的Ks
    的对比图。

    如图13所示,在K30+587.5涵洞由于地基采用换填处理且该涵洞两侧受边坡分担
    作用较小,规范建议值及本发明的计算方法均能较好的反映涵洞结构实际受力情况,现场
    实测垂直土压力系数Ks与本公式计算值及规范建议值较为接近;在K46+800涵洞,由于该涵
    洞地基较软采用管桩处理且涵身距离边坡距离较近,从而两侧边坡分担了部分涵顶上覆填
    土荷载,使涵顶垂直土压力系数Ks明显小于规范建议值,而本公式由于综合考虑了填高、跨
    径、地基土模量、沟谷宽度和沟谷坡度等因素的影响,使计算结果明显更接近实际。综上,在
    上埋式,未采用减荷措施及地基土模量由于不同地基处理形式变化不显著等较理想情况
    下,规范建议值和本公式均能较好反映高填方涵洞涵顶实际受力;而在边界条件较复杂,涵
    顶采用EPS减荷措施及地基土模量明显增加等情况下,涵顶垂直土压力在多种影响因素作
    用下变化更加复杂,此时,规范建议值与涵顶结构实际受力差异较大而本公式计算值与现
    场实测情况较为接近,能较好反映涵顶实际受力。

    本发明研究建立的适用于高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法,综合考虑了填土
    高度、跨径、地形条件、地基模量、减荷措施等因素的影响,解决了现有规范中没有考虑涵洞
    结构、填土介质、地形条件及地基的共同作用等因素致使设计计算结果与涵洞实际受力相
    差较大,避免了因设计过于保守造成的材料浪费及设计荷载不足导致的涵洞结构安全隐
    患,在保证涵洞结构安全性的前提下,直接和间接经济效益明显。

    采用本发明的研究成果,一方面能大大降低涵洞病害的发生,有效的提高了高填
    方涵洞结构的使用寿命及正常运营。另一方面,本公式由于综合考虑了填土高度、跨径、地
    形条件、地基模量、减荷措施等因素对涵顶垂直土压力分布的影响,计算结果较为接近涵顶
    实际受力情况,能节省大量工程投资并缩短涵洞工程施工周期。

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    本文标题:高填方涵洞涵顶垂直土压力计算方法.pdf
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