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原文传递高路堤涵洞空间竖向压力理论及结构型式优化研究

论文题名：	高路堤涵洞空间竖向压力理论及结构型式优化研究
关键词：	高等级公路;竖向土压力;结构型式优化;受力特性
摘要：	随着山区高等级公路建设的增多，为了保证公路的服务质量，填土高度在20m以上的高路堤及与之相应的高路堤涵洞必然增多，但这些高填方涵洞由于缺乏合理的土压力计算理论和方法，使部分涵洞在施工或运营过程出现了不同程度的破坏病害，增加了养护维修费用；有的高路堤涵洞结构设计则过分保守导致资源的浪费。本文在分析了现行用于高路堤涵洞土压力计算的理论和方法，发现都是从平面的角度，进行路堤顶面对应的涵洞顶面竖向土压力的探讨，比较片面。作者试着从空间角度对高路堤涵洞系统的受力进行探讨，找到竖向土压力的计算理论和方法，以与涵洞的实际受力情况相符。本文主要内容共分六部分： (1)首先对现有的涵顶土压力理论和方法进行研究，发现都是从涵洞横向二维的角度，对路线中线相应的涵洞顶面竖向土压力的探讨，与路堤涵洞的实际受力情况不相符，比较片面，从而找到了研究的侧重点和主要内容，即研究路堤涵洞的三维空间受力情况。 (2)在涵洞周围不同填土方案的情况下，通过室内试验，找到涵洞周围沿纵向不同位置上随填土高度的变化趋势。 (3)在室内试验的基础上建立有限元模型，通过ABAQUS软件进行数值模拟，以检验有限元模型的正确性，并在此基础上建立实体有限元模型进行数值模拟，以得到在考虑集中应力效应和土拱效应的情况下，涵洞土压力随填土高度的变化趋势。 (4)在考虑集中应力效应和土拱效应的情况下，推导出涵顶空间竖向压力的计算理论，并通过室内试验、数值模拟和现场试验进行验证。 (5)从地基承载力出发，通过室内试验和理论计算得到高路堤涵洞地基承载力提高的途径和方法。 (6)通过对涵洞、地基和填土作为一个相互作用的共同体系进行分析，得到一个优化的结构型式。通过室内试验、数值模拟、理论分析计算和现场试验验证，对高路堤涵洞的土压力计算理论进行了系统、深入的研究，得出了以下结论： (1)高路堤涵顶空间竖向土压力计算理论。 ①路线中线相应的涵洞顶面竖向土压力：在开始填筑时，涵顶土压力随填土高度成线性增加，与土柱理论土压力(γ)计算值相近；随填土的高度的增加，涵顶的土压力逐渐大于土柱理论土压力(γH)，充分体现了应力集中效应，此时土拱效应正在形成；当填土达到一定高度后，土拱效应逐渐超过应力集中效应，使涵顶的土压力逐渐小于土柱理论土压力(γH)。 ②路堤边坡对应的涵顶空间竖直土压力大于其上的土柱压力。 ③路堤边缘对应的涵顶空间竖直土压力小于其上的土柱压力。高路堤涵顶空间竖向土压力计算理论为涵洞结构沿纵向的优化提供理论依据。 (2)高路堤涵洞周围的填筑方法。 ①涵洞两侧至少2.5倍范围内的路堤原地面填一层砂砾(或碎石土等)，然后进行冲击夯实，也可包括涵洞范围的原地面，使其压实度达到96％； ②涵洞两侧填土应使用变形模量小的材料(比如砂砾)，并且施工过程中应进行分层夯实，达到或超过路基施工要求的压实度，填到涵项面，以使涵洞上方填土形成具有一定“支承力”的卸荷拱，产生土拱效应。 ③涵项的填土材料及压实度：在路堤顶面宽度对应的涵顶范围填不大于2m变形模量大的材料(比如砂或砂砾)，其上层再按要求进行分层压实，促使涵洞上方填土形成具有一定“支承力”的卸荷拱，产生土拱效应。 (3)高路堤涵洞的地基承载力相对提高的途径和方法。 ①采用规范计算涵洞地基承载力时，基础埋深按涵洞顶面到基础地面的高度计算。 ②采用上述高路堤涵洞周围的填筑方法。 (4)高路堤涵洞结构优化的型式。 ①涵洞、地基和填土作为一个相互作用的共同体系，在涵洞结构分析中应该考虑涵土共同作用，分析结果显示采用盖板与涵身刚结的盖板涵在受力性能上要优于盖板与涵身铰结的情况。 ②将涵洞的底板设计为仰拱形式可以改善涵洞结构的受力特性。
作者：	周世生
专业：	道路与铁道工程
导师：	王选仓
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文