洞型对涵洞土压力的影响研究

摘要

涵洞在公路、水利等领域使用广泛，随着国民经济的飞速发展，一些大型工程如南水北调、山西大水网等项目的进行，涵洞的使用量迅速增加，填方高度越来越高。高填方产生的大的土压力使得结构物更容易被压坏，也更加暴露了现行的涵洞土压力计算规范和计算公式的缺陷和不足。涵洞工程早已被称之为“生命线工程”，但是当前针对涵洞的设计和施工的相关规程还很不完善，往往是设计不当造成病害隐患，可见关于涵洞的土压力理论还需深入的研究。本文对文献[46-47]中物理模型试验结果进行了详尽的分析，并将测试结果与ANSYS有限元软件模拟结果相对比，较为吻合，也验证了ANSYS软件用于模拟土体与涵洞相互作用的可行性。选取一公路拱涵工程实例，利用其填土与涵洞参数，设计三种不同洞型对比研究，所得主要成果如下:
　　 (1)等沉面高度是一个变量，其随填土高度的增大而减小最终趋于稳定，涵洞洞型的变化会影响到填土沉降的变化从而影响等沉面高度的变化。刚性地基下方涵、矢度1/4的拱涵、半圆拱涵的等沉面高度最终分别稳定为为3.1D、2.9D和2.7D。地基弹性模量越小，等沉面高度越低，地基弹性模量对方涵的等沉面高度影响略大。地基弹性模量的降低可导致填土等沉面高度的下降。地基弹模比为5时，方涵、矢度1/4拱涵、半圆拱涵等沉面高度分别为1.9D、1.8D、1.7D，地基弹模比为20时，等沉面高度与刚性地基时很接近。
　　 (2)洞型不同，洞顶土压力分布不相同。方涵土压力分布曲线呈“M”形分布;矢度1/4拱涵和半圆拱涵土压力分布均近似呈倒“U”形，矢度1/4拱涵距轴线0.45D内拱顶均存在土压力集中，半圆拱涵距轴线0.35D以外拱顶垂直土压力小于其上填土自重。
　　 (3)刚性地基下三类涵洞平均土压力系数随填土高度的增大均趋于稳定，方涵最大为1.6，矢度1/4拱涵和半圆拱涵分别为1.4，1.26。拱涵拱顶土压力和拱顶平面土压力并不相同，研究时应加以说明;半圆拱涵拱顶土压力系数是拱顶平面土压力系数的88％。适当降低地基的弹性模量可有效减小涵洞顶部的土压力集中。方涵K值受地基弹模影响最大，地基弹模比为5时的K值比刚性地基时减小20％。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 涵洞概述与分类

1．1．1 涵洞

1．1．2 涵洞的分类

1．1．3 课题的研究背景和意义

1．2 国内外研究历史及现状

1．2．1 国外进展

1．2．2 国内进展

1．3 涵洞土压力计算方法

1．3．1 垂直土压力的计算方法

1．3．2 侧向土压力的计算方法

1．4 存在问题及研究趋势

1．5 本文研究内容

1．5．1 研究技术路线

1．5．2 研究主要内容

第二章 方涵土压力有限元数值模拟

2．1 ANSYS有限元软件

2．1．1 ANSYS程序的理论背景

2．1．2 结构有限元分析的基本过程

2．1．3 ANSYS程序结构分析能力概述

2．1．4 ANSYS单元的选取

2．1．5 ANSYS分层施工的实现

2．2 室内模型试验概述

2．3 模型试验结果与有限元结果的对比分析

2．3．1 位移场对比分析

2．3．2 垂直土压力对比分析

2．3．3 侧向土压力对比分析

2．4 小结

第三章 不同洞型涵洞填土位移数值模拟

3．1 计算模型及参数选取

3．2 不同洞型涵洞涵-土体系位移分析

3．2．1 涵-土体系位移随填土高度的变化规律

3．2．2 涵洞与周边土体变形特性

3．3 洞型变化对等沉面高度的影响

3．4 地基弹性模量对等沉面高度的影响

3．5 小结

第四章 不同洞型涵洞垂直土压力数值模拟

4．1 不同涵洞垂直土压力分布规律

4．1．1 不同洞型涵洞土压力分布

4．1．2 拱涵垂直土压力分析

4．2 地基刚度对土压力的影响分析

4．3 小结

第五章 结论和建议

5．1 主要结论

5．2 进一步研究建议

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文