上埋式钢筋混凝土拱涵受力特性及地基处理研究

涵洞属于填埋式构造物,其受力状态不同于普通建筑物。对涵-土体系作用机制认识不足和涵洞地基处理不当可能导致涵洞出现各种各样的病害,甚至影响道路运营。通过现场测试和数值模拟分析了上埋式钢筋混凝土拱涵结构与土体的作用机制,得出了涵-土体系的受力状态和变形特性。在此基础上对涵洞地基处理进行了研究,分析了地基处理的宽度、深度以及处理后的地基刚度对涵洞受力状态和变形特性的影响。研究结果表明,涵顶存在明显的应力集中现象,该效应的影响范围为涵洞两侧约3b（b为涵洞宽度）;涵顶土压力系数随填土高度的增大而增大,并逐渐趋于稳定;涵顶土压力、基底压力和涵洞结构内力随地基处理宽度的增大而减小,并逐渐趋于稳定,随地基处理深度和地基弹性模量的增加呈非线性增大。实际工程中,涵洞地基处理宽度宜取b+2h（h为涵洞高度）左右,地基处理的深度和处理后的刚度应以允许沉降或差异沉降为控制指标,不应额外增加地基处理深度和提高地基刚度     

上埋式盖板涵受力特性及影响因素研究

现行公路桥涵设计通用规范中的土压力计算方法不能准确反映上埋式盖板涵的实际受力状态。结合现场测试和有限元数值模拟方法,分析了上埋式盖板涵在路堤填土荷载作用下的变形规律和受力特性,讨论了填土高度、填土性质、涵洞几何尺寸及地基弹性模量等因素对结构变形和受力状态的影响。研究结果表明：在填土荷载作用下,涵洞顶板、底板和侧墙均产生弯曲卸载现象,涵洞顶板、底板垂直土压力以及侧墙的水平土压力呈非线性分布,其实际受力状态与规范方法计算的结果存在较大差异。随着填土高度的增加,涵洞顶板和底板跨中及侧墙7h/8附近（h为涵洞侧墙高度）受到的土压力增长较慢,而在其他位置处土压力增长迅速。上埋式盖板涵设计和施工应综合考虑各种因素对结构受力状态的影响。     

柔性地基上高填方减载式涵洞受力特性

高填方涵洞在我国西部山区高速公路中广泛应用,由于高填方荷载较大以及涵洞-填土之间的刚度差异引起的土压力集中,造成涵洞结构出现一系列病害。为了缓解涵顶应力集中,消除涵洞结构病害,改进了涵洞结构形式。即在一般盖板涵结构的侧墙正上方设置减载块,其与涵洞侧墙为一整体结构;减载块与涵洞顶板形成U型减载孔,在孔内铺设柔性填料,由此构成减载式涵洞结构。利用模型试验和数值模拟方法分析了柔性地基条件下减载式涵洞的受力特性,结果表明数值模拟结果与模型试验结果一致。此外,讨论了刚性和柔性两种地基条件对减载式涵洞受力的影响规律。研究发现:涵洞在柔性地基条件下减载效果比刚性地基条件更好,涵洞结构受力更合理。实际工程中应该重视对柔性地基的处理,优先考虑满足工后沉降,不应刻意提高地基刚度。     

柔性地基上高填方减载式涵洞受力特性

高填方涵洞在我国西部山区高速公路中广泛应用,由于高填方荷载较大以及涵洞-填土之间的刚度差异引起的土压力集中,造成涵洞结构出现一系列病害。为了缓解涵顶应力集中,消除涵洞结构病害,改进了涵洞结构形式。即在一般盖板涵结构的侧墙正上方设置减载块,其与涵洞侧墙为一整体结构;减载块与涵洞顶板形成U型减载孔,在孔内铺设柔性填料,由此构成减载式涵洞结构。利用模型试验和数值模拟方法分析了柔性地基条件下减载式涵洞的受力特性,结果表明数值模拟结果与模型试验结果一致。此外,讨论了刚性和柔性两种地基条件对减载式涵洞受力的影响规律。研究发现:涵洞在柔性地基条件下减载效果比刚性地基条件更好,涵洞结构受力更合理。实际工程中应该重视对柔性地基的处理,优先考虑满足工后沉降,不应刻意提高地基刚度。     

高填方涵洞减载机制与数值分析

高填方引起的涵顶土压力集中往往造成涵顶纵向开裂,通过涵洞-填土-地基共同工作机制的研究,分析了涵洞减载的原理。通过数值模拟分析了中松侧实、柔性填料、先填后挖法以及地基处理措施对涵顶的土压力集中系数的影响。结果表明：上述方法和措施可以有效减小涵顶土压力,先填后挖法宜采用竖直边坡,开挖沟槽的宽度宜与涵洞宽度相当;涵洞地基应采用柔性处理措施,并延伸至基底以外一定的范围。研究结果可为高填方涵洞减载措施的选取以及涵洞地基设计提供参考。     

减载条件下高填方涵洞受力机制及基底压力

针对现有的理论方法主要关注涵顶土压力而未能考虑涵洞侧墙摩擦阻力对高填方涵洞结构受力状态的影响,提出了完整的减载条件下涵?土作用机制模型,推得涵洞侧墙摩擦力及基底压力的计算式。并将该理论方法的计算结果与数值模拟结果进行了比对,验证了该理论方法的正确性。研究结果表明,侧墙摩擦力沿墙身深度近似呈线性增加,并随填土高度的增加而增大;相同填土高度时,减载条件下的侧墙摩擦力大于非减载条件下侧墙摩擦力;采用减载措施虽然降低了涵顶垂直土压力,但是增大了涵测水平土压力,基底压力并未减小,现有的减载理论方法中不考虑侧墙摩擦力的影响是不合理的。     

钢筋混凝土箱涵竖向土压力理论研究 ——梯形沟谷设涵

梯形沟谷设涵在山区公路和铁路建设中的应用非常广泛。然而,目前规范中尚无梯形沟谷设涵的设计方法。现有的研究主要针对上埋式和沟埋式涵洞,对天然梯形沟谷埋设涵洞时的涵洞受力性状的研究甚少。通过数值模拟得出梯形沟谷设涵时,钢筋混凝土箱型涵洞顶部填土内的应力状态和土拱的分布规律。在此基础上建立理论模型,推导涵洞土压力理论计算式,并验证理论方法的正确性。此外,对涵顶土压力的影响因素进行了参数研究。结果表明,梯形沟谷设涵时涵洞的受力状态不同于上埋式和沟埋式两种情况。当涵顶填土高度到达临界高度时,填土中会形成上、下两层土拱。下层土拱效应使涵顶产生土压力集中,上层土拱效应会减小涵顶的土压力集中。涵顶土压力的大小取决于涵顶的填土高度、沟谷坡角、沟谷宽度、涵洞的几何尺寸及填土的性质。     

上部结构－桩基—地基共同作用数值分析及桩基变刚度调平优化设计

本文采用有限元法对高层建筑上部结构—桩筏基础—地基共同作用及相互影响进行了研究。研究表明:高层建筑上部结构—桩筏基础—地基共同作用及相互影响时,基础总体沉降和差异沉降随楼层的增加呈非线性变化趋势,上部结构中存在次应力,弯矩和轴力比常规法设计偏大;随楼层的增加,桩体对荷载的分担比在减少,土体分担比在增加;随着上部结构刚度的增加,荷载向角桩、边桩集中;增加筏板厚度,能减少一定的差异沉降和基础平均沉降,从而减少上部结构的次应力,提高地基土的荷载分担比,同时筏板下桩顶反力分布更不均匀,因此需要从筏板受力,以及考虑筏下桩、土的受力来综合确定一个合理的筏板厚度,使设计安全经济;随着地基土变形模量的提高,地基土分担的上部荷载增加,桩顶反力趋向平均,筏板最大弯矩逐渐减小。桩筏基础在均匀布桩条件下呈中间大边缘小的“碟型”分布。差异沉降是由于上部结构次生应力和筏板内力产生的。通过对地基土刚度以及桩长、桩径、桩距等五种桩基刚度的调整,并分析不同刚度对基础差异沉降影响可知:改变桩长的布桩形式并结合地基土刚度调整的中心布桩形式是高层建筑桩筏基础最佳设计方案。     

冲击荷载作用下软土隧道结构热-流-固耦合动力响应分析

爆炸对结构物的作用可以看成是冲击力和热的共同作用结果。基于Biot热弹性波动理论,利用饱和多孔介质热- 流-固耦合动力响应模型,研究了饱和软黏土中隧道结构内受指数衰减热/力冲击荷载作用下的动力响应。利用Flügge薄壳理论,得到隧道结构的运动方程。考虑土-结构接触面上的协调条件并利用热-流-固耦合动力响应模型的通解,得到了热/力冲击荷载作用下应力、位移和孔隙水压力响应在Laplace变换域中的解。利用Laplace数值逆变换技术得到数值计算结果,探讨了冲击荷载和热荷载作用下隧道结构刚度和厚度对应力、位移和孔隙水压力响应的影响。结果表明：在爆炸冲击荷载作用下,隧洞衬砌对周围土体起到很好的屏蔽作用,且衬砌刚度越大,其保护效果越好;衬砌与土体接触面上应力随衬砌刚度增大而减小,并且刚度越大应力衰减越快;衬砌刚度和厚度对热冲击的位移响应有明显影响,而对其温度响应的影响较小。     

通过分区加固软基以控制结构物不均匀沉降的计算方法

本文介绍一种通过分区加固软土地基以调整和控制结构物不均匀沉降的计算方法及其计算机的实现。这种方法的实施，要求地基沉降计算方法能够考虑基础和结构物的刚度对沉降的影响，并在同一结构物的计算中能同时考虑多类地基土的计算模型。具有上述功能的沉降计算程序已在PC机中得到实施，工程应用也证明该程序的计算结果与实测值比较接近。     

软土地基上高填方刚性涵洞地基承载力分析

山区沟谷软土地基上高填方刚性涵洞的应用较为广泛,然而,现有的计算理论对该类条件下涵洞地基承载力的认识还不够充分,对地基承载力提出过高的要求,反而为结构带来了不利影响。通过数值模拟和试验手段对涵洞的地基承载力进行深入分析。探讨基础埋深、宽度及软土固结对涵洞地基承载力的影响。研究表明,当基础埋深系数 5时,涵洞地基承载力特征值随着基础埋深的增大近似线性增加,当 5时,基础埋深对地基承载力特征值影响逐渐减小;但基础宽度对软土地基上刚性涵洞地基承载力特征值的影响甚小,实际工程中可不予考虑。此外,试验结果表明,固结度和固结压力对软土的黏聚力和内摩擦角有复合影响,固结度较大时,黏聚力和内摩擦角随固结压力的增大而明显增大。固结度和固结压力对内摩擦角的影响比对黏聚力的影响要大。高填方涵洞地基极限承载力随着软土固结度的增大而提高,当固结度达到90%时,地基极限承载力通常可提高36%以上;地基极限承载力随固结压力的增加呈非线性增大,其提高的幅度逐渐减小。     

软基深埋涵洞土压力和沉降的三维有限元分析

通过软基坝下深埋涵洞的三维有限元计算,对涵洞的土压力及沉降问题进行了分析研究。研究结果表明： （1）在洞顶采用减荷措施时,洞顶竖向土压力明显减小,减荷效果比较显著;而对洞体的最大不均匀沉降率基本没有影响,涵洞周边土压力的分布特征与无减荷时也是相同的。（2）洞基处理深度变化对洞体附近的应力有影响,且随处理深度的增大,洞顶竖向土压力和洞侧面水平土压力分别有缓慢增大和缓慢减少的趋势。（3）洞底沉降随处理深度的增大而有微弱的减小,但不均匀沉降均小于0.5 %,且从总体上看,其量值对工程的影响并无本质的差异,对洞基不进行处理时,洞基的不均匀沉降少许的增大不会对涵洞造成危害。     

路堤荷载下刚-柔性桩复合地基应力特性研究

介绍了温州瓯海大道桥头路堤采用低强度砼桩和水泥搅拌桩组合复合地基处理桥头跳车问题。通过在路堤下埋设钢弦式压力盒,获得了路堤下低强度砼桩、水泥搅拌桩以及土的应力比数值随时间的变化规律,并分析了三者荷载分担比随时间的变化特性。现场测试结果还表明,路堤荷载下桩土应力比要比刚性承压板下小得多,其研究成果可为路堤下刚-柔性桩复合地基设计提供有益参考。      

Static soil culvert interaction the effect of box culvert geometric configurations and soil properties

The response of box culverts to static loads is controlled by soil arching. Soil arching is a result of a complex soil culvert interaction (SCI) due to the relative stiffness between the culvert and the surrounding soil, and is a critical consideration in culvert design. The factors that affect soil arching on box culverts include the soil height above the culvert, the geometrical configuration of the box culvert and the properties of the soil around it. Box culverts are typically designed using formulae that assume simplified behaviors and in some cases rely on considerable empiricism. In the present study, small scale centrifuge physical model tests were conducted to investigate SCI considering the height and density of soil above the culvert and the geometry of the culvert. The results of these centrifuge tests were used to calibrate and verify a numerical model that was used to further investigate the response of box culverts to static loads. The results have been evaluated for bending moment and soil culvert interaction factors. The results demonstrated that the soil culvert interaction factors are not only a function of the height of soil column above the culvert, but also a function of the culvert thickness, soil elastic modulus and Poisson’s ratio. Therefore, the results were used to establish charts and equations that can be employed to assess the design values of the static soil pressure and static bending moment for box culverts.     

水库围堤地基液化有效应力动力分析

利用基于Biot方程耦合场分割算法的ANSYS有限元软件二次开发形成的岩土工程有效应力分析模块,对某水库围堤坝基进行了液化震陷分析。计算中选取具有代表性的堤坝断面建立二维有限元模型,并采用上海50 a超越概率10％的人造地震波加速度-时程作为基底输入地震。计算得到围堤孔隙水压力与有效应力比的分布情况以及震陷分布情况。分析结果表明,坝基中心部位的孔隙水压力比要比坝脚两侧的孔隙水压力比小,坝基中心部位可以不进行地基处理。该方法可为今后其他类似工程的设计和施工提供参考。     

沟谷地形对高填方拱涵涵周土压力影响研究

沟谷地形下高填方涵洞土压力分布规律较为复杂,不同沟谷地形下涵周土压力分布规律与上埋式涵洞差异显著。为探明沟谷地形对高填方拱涵涵周土压力的影响,采用离心模型试验与数值模拟方法,建立了地形-涵洞-填土的相互作用模型,分析了不同沟谷宽度B、沟谷坡度α下的拱涵涵周土压力及涵顶土压集中系数Ks的分布规律,并与最新涵洞设计规范进行了对比,阐述了沟谷地形下高填方拱涵土压力形成机制。研究表明：（1）沟谷宽度B对涵顶土压力集中系数Ks影响显著,沟谷宽度B为4D～6D,D为拱涵的净跨径,涵顶土压力集中系数Ks增幅较大;（2）沟谷宽度B小于4D时,可发挥沟谷地形对涵洞的减载作用;（3）沟谷坡度α在45°～60°时,涵顶土压力及其Ks变化最显著;（4）填土高度为20m,α>70°时,Ks≤1。填土高度为40m,α>50°时,Ks≤1;(5)我国最新涵洞设计规范推荐的Ks与离心模型试验、数值模拟规律存在一定差异,当α=45°时,沟谷宽度B较小时,规范的涵顶土压力集中系数Ks较为保守;（6）沟谷地形下高填方拱涵Ks与拱顶压密区、等压面的形成有关。拱顶压密区可引起拱涵涵顶土压力集中,并引起压密区周边土体...     

Centrifuge study on behavior of rigid pile composite foundation under embankment in soft soil

The rigid pile composite foundation is widely used in highway projects in soft soil area as it can effectively increase the bearing capacity and stability of the foundation. While the research on the behavior and failure mode of rigid pile composite foundation under embankment is not enough, instability failure of rigid pile composite foundation often occurs in practical projects. This paper presents a centrifuge model test to investigate the load transfer mechanism, settlement characteristic and failure mode of rigid pile composite foundation under embankment. The test results show that: the soil displacement of different region in rigid pile composite foundation was different, obvious vertical displacement occurred in the soil under the center of embankment and the horizontal displacement was very small in this region; both vertical and horizontal displacement occurred in the soil under the shoulder of embankment; and obvious horizontal displacement occurred in the soil under the slope toe of embankment; moreover, ground heave also occurred near the slope toe of embankment. The soil displacement in rigid pile composite foundation had a large influence on the stress characteristic and failure mode of rigid piles, the compressive failure and bending failure would probably occur for the piles under the center and shoulder of the embankment, respectively, and the tension-bending failure would probably occur for the piles under the slope toe of embankment. The different failure modes of piles at different regions should be considered in the design of rigid pile composite foundation under embankment. The test results can be used to improve the design method for rigid pile composite foundation under embankment in practical projects.