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
1 绪论
我国黄土在华北、西北、东北等地分布广泛，主要集中在被称为中央黄土高原的山西、甘肃、陕西、宁夏等省区，以其地层全、厚度大、分布广和特殊的工程性质而闻名于世[1]。目前，随着黄土高原地区经济的不断发展，城市化进程空前加速，城市化范围也不断加大，这对城市日趋紧张的土地资源及交通发展带来了挑战。鉴于黄土高原地区山高、沟深的特点，削山、填沟造地成为了解决这一问题的重要途径，有力地缓解了城市用地紧张局面，而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。对于既有明洞的高回填，由于初始设计缺少对后期高填方的考虑，新增的土压力将导致明洞衬砌强度及地基承载力不足，势必会造成结构开裂，基础不均匀沉降，严重影响明洞正常使用和耐久性。对于将要新建的高填黄土明洞结构，一方面明洞的修建能够缩短线路，改善线路运行条件；另一方面，由于高填土荷载大，将使结构厚实，混凝土用量大，施工技术要求高；再者，水泥水化产生热量较大，结构易产生裂缝，将严重影响明洞的耐久性。因此，为了减小实际作用在明洞洞顶的土压力，保证结构安全，采用卸载措施降低土压力就显得尤为重要。
目前，对于高填黄土明洞卸载结构特性及其土压力尚没有适宜的理论及计算方法，只能凭借隧道的土压力计算方法或经验公式进行计算，而不是针对高填黄土明洞卸载结构本身的受力特点进行计算。若土压力取值偏大，将导致设计过分保守，使结构造价及地基工程处理费用大大增加，造成经济上不必要的浪费；相反，若土压力取值偏小，则实际过大的土压力会导致结构物的开裂、渗漏或积水，甚至引起结构破坏、垮塌，影响安全使用。为了保证明洞结构正常使用要求，必须对其进行加固维修，难度通常较大，不仅花费大量的人力、物力和财力，而且施工中造成交通不畅，产生不良影响，给交通管理部门带来额外的经济负担和巨大的社会压力。因此，高填黄土明洞卸载结构填土压力特性及大小的确定成为制约结构设计是否成功的关键。
高填黄土明洞填土荷载大，跨度大，加之周围地形、地质情况复杂，使得明洞洞顶土压力受众多因素的影响。明洞及其卸载结构洞顶土压力主要受结构尺寸、边坡坡角、地基刚度、回填黄土特性等因素的影响，沿跨度方向的差异性比较大。此外，卸载材料(EPS 板、土工格栅)特性及相互组合形式直接影响作用在明洞洞顶土压力的大小，即卸载率的大小。正确认识高填黄土明洞及其卸载结构土压力变化规律，明确各因素对明洞土压力的影响，并形成合理的理论计算体系，避免土压力过高或过低，使高填明洞结构安全可靠、经济合理，即在准确指导高填明洞设计的同时，将显著降低高填明洞施工成本。因此，有必要对高填黄土明洞及其卸载结构土压力分布规律进行系统的试验和理论研究，并进一步得到其土压力计算方法，为该类结构的设计、施工提供理论指导和技术支持，并具有非常重要的理论意义和工程实际意义。
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1.2.1 高填明洞研究现状
高填明洞设计方面，主要是侧重于如何通过改变几何型式、断面型式和地基刚度来适应高填土压力。何光洪（2012年）对深基高填明洞受力进行了分析，主要采用数值模拟方法分析了施工过程中结构的内力、变形及稳定性，同时，对内衬砌施作时机对内、外衬砌内力的影响等也作了进一步分析[2]；黄明琦（2008年）对明洞回填前后结构安全性进行了评价，采用荷载-结构模型，通过数值模拟分析明洞回填前后结构安全性，计算结果表明，若要继续填土至设计标高，须对地基进行加固处理,增加填土内摩擦角，提高隧道周围土体的抗力,降低填土荷载[3]；阮映辉（2011年）对偏压明洞衬砌在不同洞顶回填倾角下的受力进行了分析，采用ANSYS建立有限元模型，分别计算5°、10°、15°、20°、25°填土坡度情况下，衬砌结构受力情况和结构安全性，随着回填倾角的增大，拱脚处截面轴力比弯矩的增长速率快[4]；程正明（2012年）对厦门翔安海底隧道软基地段明洞不均匀沉降后的回填安全性和加固措施进行了研究，采用数值模拟建立荷载-结构分析模型，并根据现场情况，采取了有效的回填方案和后期加固处理措施，使不均匀沉降得到抑制，减小了裂缝的继续发展[5]；杨雄（2013年）对超大跨度明洞衬砌结构在超高回填荷载下结构几何型式和断面型式的选择进行了探讨，考虑结构的安全性、耐久性、经济性、施工可操作性，利用ANSYS建立有限元模型，研究适合于跨度大、回填荷载高的明洞衬砌结构[6]；童勇江（2010年）对明洞洞顶合理填土高度进行了分析，以一实际公路隧道明洞衬砌结构为例，采用ANSYS有限元建立梁单元计算模型，计算2m、4m、6m、8m、10m不同填土高度下明洞衬砌结构变形、受力和安全性，得出了明洞衬砌结构的洞顶合理填土高度[7]；毛金龙（2011-2012年）通过对明洞基底处理，以护拱为安全储备，采用加厚衬砌厚度、增加二次衬砌配筋等方法提高结构安全性，通过ANSYS计算结果表明，明洞洞顶上覆15m回填土可以满足设计要求[8]；匡亮（2013年）对沟谷山区超厚填土铁路明洞进行设计，通过ANSYS建立两种计算模型（荷载-结构模型、连续介质模型）,对荷载组合、明洞结构选型、衬砌受力分析、内外衬关键工序、基础处理形式、回填工程稳定性及回填施工工艺等关键设计技术进行对比研究论证，最终得到合理的明洞结构及施工工艺[9]。旷文涛（2014年）对盖挖法和明挖法超高填明洞工程结构受力进行了数值模拟及理论分析，结果表明，明挖法修建的明洞工程，存在极限回填高度，而盖挖法修建的超高回填明洞竖向压力会大大减小，其值不受回填土高度变化影响，是修建超高回填明洞的有效方法[10]；罗禄森（2014年）考虑土体挟持作用的影响，推导出高填方明洞荷载计算方法，并对不同填土高度条件下考虑土体挟持作用理论与全土柱理论计算结果进行对比分析，挟持作用理论土压力呈非线性变化，随着填土高度的增加，与全土柱线性理论土压力偏离越来越大，优化了明洞荷载，提高了极限填土高度[11]；赵鹏（2014年）通过室内模型试验、现场试验及数值模拟三方面，研究了明洞洞顶土压力的变化规律及土工格栅减载的减载效果，并回归了土压力计算公式[12]。
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2 黄土填料及 EPS 板力学性能试验研究
2.1.1 概述
埋设在黄土中的明洞结构，在自重、相邻土体对其的侧压力和剪切力等各种荷载的作用下处于平衡状态，填土-明洞-地基三者相互作用，形成一个受力、变形相互协调，相互影响、相互关联的统一体系。在这个体系中，填土的变形将影响明洞的受力情况，对明洞和地基而言，填土既是填料，又是外荷载；同时，也有支撑和传递荷载的作用，将土体自重及其后期的二期荷载传递到明洞和地基中。其与两侧填土压缩模量的相对大小决定着土压力的转移方向，即当明洞洞顶回填土体压缩模量小于两侧填土时，明洞洞顶部分荷载将转移到外土柱体上，使明洞洞顶土压力减小，相反，则会引起明洞洞顶土压力集中。此外，黄土粘聚力和摩擦角直接影响作用在明洞洞顶土压力的大小，而黄土压缩模量、粘聚力、摩擦角等力学特性与其压实系数密切相关。为了实现卸载并提高卸载率，回填黄土压缩及强度特性随压实系数变化规律的研究，是解决土压力卸载问题的前提之一。
2.1.2 试验材料及试验内容
(1) 黄土准备
为合理开展回填黄土填料对明洞洞顶土压力影响的研究，首先需要得到黄土填料的一系列力学特性参数。为此，对明洞回填所用黄土进行了基本物理性质指标的试验，包括黄土界限含水率试验、击实试验，试验严格按照《土工试验规程》(SL237-1999)要求进行。
① 黄土界限含水率试验
土体的液塑限是表征土颗粒与水相互作用程度的指标，进而间接反映土体工程性质。本试验采用液、塑限联合测定的方法，得到黄土填料的液塑限指数。液塑限联合测定曲线如图 2-1 所示。
黄土回填过程中，压实系数是控制填土工程质量的最重要指标，而在本文室内模型试验部分中，压实系数也是控制分层填筑所用黄土重量的唯一指标。故开展黄土击实试验，以确定影响该黄土压实系数的干密度及含水率大小。
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2.2.1 试验目的
高填方涵洞回填过程中，为减小涵洞顶回填土压力，常在涵洞顶铺设具有一定压缩性质的材料，促使填土过程中土拱效应的产生，使外土柱与涵洞共同承担涵洞顶土压力，达到卸载目的[63]。EPS 聚苯乙烯泡沫塑料（简称 EPS 板），是一种具有封闭孔结构的聚苯乙烯塑料泡沫材料。封闭多孔颗粒胶结的结构使其具有一定的结构强度和良好的压缩性，从而使其成为明洞回填中减小明洞洞顶土压力的一种理想卸载材料。考虑到明洞回填施工过程的特点（施工方法、施工速度等）及卸载目标，，有必要对 EPS 板的受力特点进行探究，从而获得 EPS 板在明洞回填过程中的变形特性。
2.2.2 试验内容
明洞回填过程中一般采用分层填筑的方法，每层的填筑速度不尽相同，由此需考虑填筑速度对明洞洞顶所铺设 EPS 板的影响，即不同加载速率下的 EPS 板压缩特性；另外，EPS 板自身物理性质（密度）与其各项力学性能有密切关系，因此需对不同密度下的 EPS 板单轴压缩特性进行研究。而单轴压缩试验又分为有侧限和无侧限压缩试验，考虑到围压对 EPS 板压缩强度结果影响较小[82]，故根据 GB/T8813-2008《硬质泡沫塑料压缩性能的测定》，对 EPS 板进行单轴压缩测试，主要包括：
(1) 密度对 EPS 板压缩特性的影响；
(2) 加载速率对 EPS 板压缩特性的影响；
(3) 不同密度的 EPS 板叠加组合对压缩特性的影响。
2.2.3 试验结果及讨论
(1) 密度对 EPS 板压缩特性的影响
不同密度 EPS 板应力-应变曲线如图 2.5 所示。可以看出，不同密度的 EPS 板应力-应变曲线均符合典型的 EPS 板压缩变形曲线，压缩过程分为弹性、塑性和硬化三个阶段。而对于不同密度 EPS 板，相同应变条件下所对应的应力压缩强度不同。以压缩应变达到20%时对应的不同密度 EPS 板强度为例，密度为 10kg/m3、12kg/m3、20kg/m3、30kg/m3的 EPS 板应力强度分别为 34.1kPa、40.4kPa、104kPa、203.9kPa。这说明随着 EPS 板密度的增大，其强度也增大。
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3.1 概述......................................................... 22
3.2 数值模拟原理及方法............................................ 22
3.2.1 材料参数及模型选取.......................................... 22
4 高填黄土明洞卸载结构土压力变化规律模型试验研究.................. 62
4.1 概述.......................................................... 62
4.2 高填黄土明洞卸载结构模型试验研究.............................. 62
4.2.1 相似理论.................................................... 62
5 高填黄土明洞卸载结构土压力现场试验研究.......................... 79
5.1 工程概况..................................................... 79
5.2 试验方案...................................................... 81
6 高填黄土明洞卸载结构土压力计算方法研究
关于围岩土压力计算方法将近二十种，但归纳起来可分为五大类：(1)马斯顿理论；（2）土柱法；（3）普氏压力理论；（4）泰沙基理论；（5）弹性理论法。马斯顿的散体极限平衡法是将填土按照竖直方向划分为内外土柱,考虑其相互之间沉降差引起的土侧剪切力，来分析其水平土层在压缩变形过程中变形受力特点[18-19、22、63、75、106-109]；土柱法忽略土体之间相互作用，直接按照平面静力问题进行计算[28、33-34]。目前，我国公路、铁路规范均采用该方法进行计算；普氏压力理论首先必须保证洞室有足够的埋深，岩体开挖后能够形成一个自然平衡拱，作用于衬砌结构上的压力，仅为自然平衡拱与衬砌结构间松散岩体的重量而与拱外岩层及洞室埋深无关[67、110]；泰沙基的散体压力计算理论与普氏理论不同之处是不引用压力拱的概念，而是假设土体下沉过程中，会形成与垂直面夹角为（45°-φ/2）的主动滑动面，建立力学平衡方程来求解土压力。布鲁什卡、顾安全的弹性理论法假定地基为刚性，将结构顶填土假定为半无限弹性体，结构看成是条形基础，从变形条件出发,以弹性理论为基础，通过沉降差 δ 的弹性理论解反算得到垂直土压力计算公式[20、63]。对于高填土压力卸载计算理论，与卸载方法有关，当结构顶部铺设柔性材料卸载时，采用顾安全的弹性理论法计算[64-67]；当结构顶部设置加筋桥卸载时，采用杨锡武的散体极限平衡理论计算[84-87]。本文通过数值模拟、室内模型试验、室外现场试验，得到明洞及其卸载结构土压力分布规律；在此基础上，基于岩土力学原理，采用极限平衡法，推导了有、无边坡影响的明洞及其卸载结构土压力计算理论，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。可为高填土明洞卸载结构设计及施工提供理论参考。
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7 结论及展望
黄土高原地区为了满足城市建设发展的需要，削山、填沟造地工程打破了土地“瓶颈”，拓展了发展空间，同时，也将带来其中一个新的问题，即高填明洞的产生。为了弥补高填黄土明洞及其卸载结构研究的不足，得到其土压力特性及理论计算方法，本文通过数值模拟、室内外试验、理论推导，对高填黄土明洞卸载结构的土压力特性及计算方法进行了全面深入的研究，得出了以下结论：
(1) 黄土压实系数由 80%提高至 95%时，压缩模量 Es1-2由 2.67 MPa 增加到 9.22MPa，粘聚力由 19.95kPa 增大至 77.01kPa，内摩擦角仅由 24.55°增大至 31.53°，粘聚力受压实系数影响大于内摩擦角。
(2) EPS 板密度与模量、强度呈现较好的一次线性关系；由于加载速率对 EPS 板卸载效果的发挥影响较大，实际计算中应采用长期加载试验结果；为了使 EPS 板能够提供持续变形，建议采用 2-3 种密度差为 10kg/m3以内的 EPS 板叠加组合的方式。
(3) 高填黄土明洞数值模拟结果表明：受填土特性、边坡特性、明洞断面特性的影响，明洞洞顶土压力呈非线性变化，土压力集中系数大于 1，且随填土高度的增加呈先增大后减小的趋势；其中，明洞两侧填土压缩模量、边坡坡角、边坡与填土摩擦系数、槽洞宽比、明洞断面形式对明洞洞顶土压力影响显著。
当填土高度 H/h=5.51，边坡坡角为 60°时，两侧填土压缩模量由 3MPa 增大至20MPa，明洞洞顶土压力集中系数减小率为 8%；边坡坡角从 40°变化到 70°，明洞洞顶土压力减小率为 34%；摩擦系数从 0.3 变化到 0.45，明洞洞顶土压力减小率为 11.2%。槽洞宽比由 1.5 增大至 4，明洞洞顶土压力增加率为 30.7%；槽洞宽比继续增大至 6，明洞洞顶土压力增加率仅为 2.4%，基本趋于稳定。明洞断面形式不同，明洞洞顶土压力大小及土体相对沉降不同：对于圆弧形明洞，沿宽度土压力大约呈二次抛物线分布，中间大，两端小；对于矩形断面明洞，沿宽度方向土压力大约呈线性分布，中间小，两端大。
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参考文献（略）
本文编号：49925
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/49925.html
