填土性质与边坡对高填方黄土明洞土压力影响的研究

发布时间：2018-03-08 12:38

本文选题：高填方明洞　切入点：土压力　出处：《兰州交通大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：我国黄土高原地区城市用地紧张,平山造地成为缓解这种局势的主要途径,在平山造地过程中不可避免的需要对既有公路(铁路)明洞进行回填,使得明洞工程建设不断增多,土压力计算的不合理将给这些工程的设计和应用带来各种问题,包括工程投资的浪费和结构的安全隐患等。现行的设计规范中明洞顶垂直土压力的计算仍采用土柱法(σ=γH)计算。这个公式仅适用于填土高度相对较低时土压力的计算,如果在设计高填方的明洞时,无条件地运用此公式来进行土压力的计算,将会导致构筑物的结构尺寸过于保守,进而使得明洞结构的造价以及基础工程的建造费大幅度增加,导致经济上的浪费。基于上述论述,本文主要通过土压力的理论推导、室内模型试验、有限元数值模拟三方面,研究了填土性质、边坡角度、槽底宽比对明洞土压力变化规律的影响。论文主要完成的工作和所得结论如下:(1)对模型试验中明洞回填所采用的填料进行了试验研究,分别采用三轴压缩试验、固结试验测得黄土、改良土的粘聚力c、内摩擦角φ;通过液塑限联合测定法,测得黄土、改良土的液限wl和塑限wp;采用轻型击实试验,将试验所得数据绘出干密度ρd与含水量w之间的关系曲线,得到黄土的最大干密度ρdmax和最优含水率;最后还测试了黄土、改良土的压缩系数和弹性模量。这些物理力学参数的测量,为理论公式及有限元模型中参数的选取提供了依据。(2)对不同边坡角度、不同槽底宽比、不同填料性质等工况下明洞洞顶及拱脚的土压力进行了数值模型分析。计算中黄土采用摩尔-库伦理想弹塑性模型,明洞采用线弹性材料模拟,基础采用刚性基础。分析得到:随着边坡角度的增大,明洞顶及拱脚土压力逐渐减小;随着槽底宽比的增大,明洞顶及拱脚土压力逐渐增大;随着水泥改良土中水泥含量的增加,明洞顶的土压力逐渐减小,而拱脚土压力逐渐增大,在明洞回填过程中宜采用改良土作为回填料。(3)通过改变边坡、槽底宽比等六种室内试验工况对土压力变化规律进行了研究。试验结果表明:当槽底宽比一定时,坡度越大,外土体的总宽度和总重力减小,边坡对其上托作用相对增强,同时,坡角越大,边坡对土体的摩擦作用竖向分量增大,明洞顶土压力越小,且随着填土高度的增加,效果越明显;当边坡一定时,随着槽底宽比的逐渐增大,边坡对外土体的顶托作用将逐渐减小,洞顶土压力便逐渐增大。(4)对土压力集中系数法、土柱法、普氏卸荷拱理论、散体极限平衡法、太沙基理论五大经典土压力理论的计算方法及其适用范围进行了总结。并基于库伦土压力理论、极限平衡法理论,建立了高填方明洞土压力的力学计算模型,推导了有边坡影响下的土压力计算公式,为今后类似高填方明洞结构的设计及施工提供理论参考。(5)通过将室内模型试验结果、有限元计算结果与本文推导的计算公式的结果进行相互对比验证,可知:在填土高度小于30cm(模拟填土7.5m)时,本文理论公式的计算结果、有限元计算结果、室内模型试验结果与土柱压力rh的计算值基本一致;随着填土高度的继续增加,理论公式计算值、有限元计算结果与γh基本一致,且理论计算值与有限元结果平均差值为8%。而模型试验结果逐渐偏离理论及有限元计算值离呈非线性增长,这主要是因为在模型试验过程中,为了防止明洞遭人为破坏,明洞顶土体压实度较低,致使明洞顶产生土工效应。
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【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U452.11

【参考文献】