高速公路高填方拱涵受力变形特性研究

作     者：王福临 

作者单位：鲁东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：范庆来;孔宪海

授予年度：2021年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：拱涵 高填方 土压力集中系数 数值模拟 动力荷载 

摘      要：高填方涵洞常见于山区高速公路中,随着山区公路里程持续提升,高速公路下所修建的高填方涵洞数量也在不断增加。如今普遍使用的公路桥涵设计通用规范中线性土压力理论无法精确地反映涵顶竖向土压力应变规律,其计算结果与涵洞实际受力也不相符,这就导致涵洞在建筑施工、使用过程以及极端地质灾害发生时可能会出现不同程度的病害。此外,涵洞结构与土体共同作用这一机理在设计中容易忽略,导致涵洞病害不断发生。本文通过数值模拟的方法,分别对填筑、地震作用下高填方拱形受力变形与位移的变化规律及其影响因素进行探究,取得以下成果:（1）高填方涵洞产生病害主要是涵洞顶部土层内外土体的沉降差所引起的附加应力导致的,使涵洞顶部受到的压力大于土体自重。伴随着填筑高度的不断增加,填土变形逐渐趋于稳定,涵顶与涵侧的沉降差也在逐渐缩小。当填土达到一定高度时,涵顶下沉量与涵侧下沉量在一定高度下到达相等,即出现等沉面。涵洞顶部竖向土压力随填土高度的增加而增加,同时土压力集中系数也在不断增大,但当涵体顶部填土达到一定高度后,涵洞顶部土压力集中系数逐渐趋于平稳,并呈现出缓慢降低的趋势。（2）根据有限元计算结果,对影响涵洞顶部土压力集中系数五种因素进行探究,研究发现填土内摩擦角及填土泊松比对涵洞顶部土压力集中系数影响相对较大,可采用减小填土内摩擦角或降低填土泊松比的方式分散涵洞顶部受力。通过建立六因素五水平的正交试验,使用极差分析的方法,计算出六种因素对于涵洞顶部土压力集中系数的影响程度顺序为∶填土内摩擦角沟谷宽度填土泊松比填土黏聚力地基模量填土弹性模量。（3）在不同填土高度地震作用下的高填方拱涵,涵体及拱圈的受力位移会发生显著变化。由于土体填筑高度的增加,涵顶与基础底面的相对位移呈逐步降低的趋势,其位移动力响应的变化周期也会被拉长,但拱圈各监测点的总位移量却在不断增大。在实际工程中,对地震高发区域沟谷地区拱涵设计时,可适当降低填土高度以防止地震状态下拱圈产生较大位移,提高涵洞的抗倾覆能力。同时,涵体及拱圈各监测点的应力也在逐渐增大,涵洞基础底面两端的有效应力及剪应力增量较为明显,拱圈两端拱脚处的轴力、剪力、弯矩增量显著。（4）在不同峰值加速度地震作用下的高填方拱涵,涵体及拱圈的受力位移会在地震激励作用下逐渐变化。随着峰值加速度的增加,拱圈各监测点内力及拱圈内力峰值逐渐增大,在8级至9级地震烈度下轴力、剪力、弯矩增量明显。同时,拱顶的水平位移及拱顶和基础底面的相对位移,也呈现出不断递增的趋势。因此在对抗震要求较高的拱涵进行设计时,要对拱圈拱脚以及基础两侧底角进行加固,防止地震烈度较高对其造成破坏。