高填黄土明洞卸载结构的垂直土压力特性和计算方法研究

摘要

随着黄土高原地区城市化进程日趋加快，城市用地紧张成为了制约城市化进程的主要瓶颈问题。为满足城市化发展用地的需要，考虑到黄土高原地区山高、沟深，削山、填沟造地成为了满足这一需要的重要途径，这将不可避免的对一些既有以及将要新建的公(铁)路明洞进行高回填。
　　目前对于既有及新建明洞，主要通过改变明洞自身设计而使其承受上方高填土的荷载作用，鲜有通过采用降低土压力的卸载措施使结构性能满足要求。对高填黄土明洞卸载结构力学分析及应用措施的研究不足。为此，本文通过数值模拟、室内模型试验进行了高填明洞及其卸载结构的洞顶垂直土压力(以下简称土压力)特性研究，并在兰渝线(兰州-重庆铁路)长寿山隧道工程上做了验证，揭示了高填黄土明洞及其卸载结构土压力随填土高度呈非线性变化规律，提出EPS板与土工格栅组合下的高填黄土明洞卸载模式；最后，基于岩土力学基本原理，建立了高填黄土明洞及其卸载结构力学计算模型，进一步推导了有、无边坡影响的高填黄土明洞及其卸载结构土压力计算方法；并与现场试验、数值模拟结果进行对比，验证了计算方法的正确性及卸载措施的有效性。主要研究内容和创新如下：
　　(1)通过对黄土填料及卸载材料EPS板力学特性的试验研究，得到黄土不同压实系数下的压缩模量、抗剪强度指标以及EPS板压缩特性随密度、厚度的变化规律，为数值模拟及室内外试验参数取值提供依据。
　　(2)通过建立高填黄土明洞及其卸载结构平面应变数值模型，对不同填土高度下明洞洞顶土压力及土体沉降进行了分析；并进一步讨论了填土特性、边坡特性、明洞断面特性以及铺设EPS板、土工格栅卸载材料的特性对高填方明洞洞顶土压力的影响。研究表明，内外土体沉降差导致明洞洞顶土压力集中系数大于1，其中边坡坡角、边坡摩擦系数、明洞断面形式、明洞槽宽比、两侧填土压缩模量影响最为显著；铺设EPS板、土工格栅的卸载措施将有效减小明洞洞顶土压力；且EPS板厚度、密度对卸载效果影响最大，而格栅刚度、层数的选择取决于EPS板可提供变形量的大小。
　　(3)针对高填黄土明洞及其卸载结构土压力变化规律，分别开展边坡、土工格栅、变形层形式三方面因素组合下七种工况室内模型试验，并与数值计算结果对比。研究表明，明洞洞顶土压力并不随填土高度呈线性变化；通过设置变形层改变内外土柱沉降差，再结合土工格栅的“提兜”作用能够有效的减小作用在明洞洞顶的土压力；且合理的格栅层数、变形层设置方式更有利于提高土压力卸载率。
　　(4)为了进一步说明高填黄土明洞及其卸载结构土压力变化规律在实际工程中的适用性。依托明洞回填工程，采用两种试验工况，研究了明洞洞顶土压力随填土高度的变化规律，并与数值计算结果对比。研究表明，明洞洞顶土压力随填土高度的增加呈非线性变化，以及设置变形层与土工格栅组合方式卸载措施的有效性；同时证明数值模拟方法研究高填明洞洞顶土压力具有可行性。
　　(5)基于高填黄土明洞洞顶土压力特性，运用岩土力学理论，建立了高填黄土明洞及其卸载结构力学计算模型；推导了有、无边坡影响下的高填明洞及其卸载结构土压力计算公式；并与数值模拟及室外试验结果进行对比，验证了计算方法的正确性，为高填黄土明洞及其卸载结构设计、施工提供理论及技术参考。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容及创新点

2 黄土填料及EPS板力学性能试验研究

2.1 黄土压缩及强度特性试验研究

2.2 EPS板的力学性能试验研究

2.3 小结

3 高填黄土明洞卸载结构土压力变化规律数值模拟研究

3.1 概述

3.2 数值模拟原理及方法

3.3 高填黄土明洞洞顶土压力变化规律及影响因素数值模拟分析

3.4 高填黄土明洞卸载结构土压力变化规律及影响因素数值模拟分析

3.5 小结

4 高填黄土明洞卸载结构土压力变化规律模型试验研究

4.1 概述

4.2 高填黄土明洞卸载结构模型试验研究

4.3 高填黄土明洞卸载结构模型试验结果及分析

4.4 高填黄土明洞卸载结构模型试验与数值模拟计算结果对比

4.5 小结

5 高填黄土明洞卸载结构土压力现场试验研究

5.1 工程概况

5.2 试验方案

5.3 试验成果及分析

5.4 小结

6 高填黄土明洞卸载结构土压力计算方法研究

6.1 概述

6.2 高填黄土明洞土压力计算方法研究

6.3 高填黄土明洞卸载结构土压力计算方法研究

6.4 算例分析

6.5 小结

7 结论及展望

7.1 结论

7.2 有待进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果