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非饱和土涵洞竖向土压力及减载的理论研究
| 论文题名： | 非饱和土涵洞竖向土压力及减载的理论研究 |
| 关键词： | 上埋式涵洞;非饱和土;沟埋式涵洞;诱导减载涵洞;竖向土压力;土拱效应 |
| 摘要： | 合理确定竖向土压力是保障涵洞结构安全和经济的基础。现有研究多数针对饱和土涵洞，未考虑工程实践中土体非饱和特性对竖向土压力的重要影响，且涵洞上方及两侧回填土之间的差异沉降所引起土拱效应显著。本文基于非饱和土抗剪强度理论，考虑基质吸力及其分布、土拱效应、土体类别和外界环境等影响，建立非饱和土涵洞的竖向土压力理论解答，并进行对比验证和参数影响分析。此外，采用基质吸力分析的经验假定与理论计算方法，提出非饱和土诱导减载涵洞竖向土压力解析解与迭代解。主要研究内容及结论如下： (1)基于双应力状态变量抗剪强度公式，建立考虑基质吸力及其分布影响的非饱和土涵洞竖向土压力公式，与文献数值模拟、模型试验和理论解答结果的良好吻合验证了所得公式的正确性及适用性，经过影响因素分析得出：上埋式涵洞的竖向土压力随基质吸力增加而增大，沟埋式涵洞的则相反，均布吸力相比线性吸力的竖向土压力和变化速率均更大，且基质吸力及其分布影响与填土高度、涵槽宽度等关联密切。 (2)考虑土体类别和外界环境所引起的基质吸力变化，建立基于吸应力的非饱和土涵洞竖向土压力迭代解，进行对比验证并结合吸应力竖向分布特点给出工程实用公式，所得解答可分析土拱效应与非饱和特性的综合影响，由参数分析得出：渗流量与饱和渗透系数对黏土影响显著，对粉土次之，对砂土无明显影响，上埋式涵洞的竖向土压力随渗流量由负到正、饱和渗透系数增加而逐渐增大，沟埋式涵洞的与之相反。 (3)以圆弧小主应力轨迹描述非饱和回填土拱效应，获得滑移面土压力系数的理论解答，继而采用非饱和土的双应力状态变量强度理论与基质吸力分析两种方法，分别建立诱导减载涵洞竖向土压力的解析解和迭代解，均能合理反映基质吸力、土拱效应、减载材料性能和等沉面高度的综合影响，迭代解还可区分土体类别和外界环境，得到文献模型试验和现场实测的正确性与适用性验证，并给出应用步骤及拓展。 (4)由减载率量化诱导减载效果和因素影响特性，得出：基质吸力对诱导减载涵顶竖向土压力具有双重影响，表现为随着(地表)基质吸力增加，减载率先增大后减小，且均布吸力相比线性吸力的减载率高，吸力角亦有双重影响；土拱效应随着回填土有效内摩擦角增加而增强，使得减载率非线性增大；减载率随减载材料厚度增加逐渐增大并趋于稳定，而随减载材料变形模量增加非线性减小。 |
| 作者： | 吴凯 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 张常光 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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