高填方涵洞竖向土压力计算理论和方法
高填方涵洞结构设计新方法[1]
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ｔｙ：０．６×Ｔ０．４：０．１２
ｍ
ｒ。＝１．９２
ｍ＝８
ｋ＝～０．０４．３４／１２＝０．１１５
ｋ———————』型善———————一
单位：ｃｍ
图３
原涵洞结构设计
１＋（黹）２ ｄ＝一＝————■■■■■＿＝ 一善＝蔫＝Ｕ“．８６”／
．６０
１＋（罢）２
式中，ｙ。为材料安全系数；扎为弯矩平面内截面的
１１．５／１．９２）×１０～：２
Ⅳ，＝２６０．７
ｋＮ（安全）
４原设计与新设计比较
施研究［Ｊ］．西安公路学院学报，１９８９，９（３）：２５—３３． ［８］孙家驷．公路小桥涵勘察设计［Ｍ］．北京：人民交通出 版社，２００６． ［９］车宏亚．涵洞和水管结构设计［Ｍ］．北京：水利电力出 版社，１９５８． ［１０］公路桥涵设计手册编写组．涵洞（公路设计手册）［Ｍ］． 北京：人民交通出版社，１（ｔ９７．
所以在涵洞顶部填筑压缩性比填土大的柔性填料相当于减小了涵洞刚度可促使一d的形成图2从而使涵洞两侧外土柱对洞顶内土柱向下的附加不利摩擦力变为向上的有利摩擦力即通过洞顶卸荷填料引起填土中变形调整促使填土中产生土拱效应亦即使外土柱协调涵洞共同承担内土柱的自重压力达到减小涵顶垂直土压力之目的2
公路交通技术２００９年６月
ｃｅｒｔａｉｎ ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ， ｔａｋｅｎ
ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｉｇｕｒｅｓ ｏｕｔ ｎｅｗ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｃｕｌｖｅｒｔ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｓｈｅｄｄｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｃｕｌｖｅｒｔ
ＳＯ
ａｎｄ
ｃｏｍｐａｒｅｓ ａｆｔｅｒ
第３期Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
高填方涵洞地基处理范围的分析与计算
通过数值模拟，对处理宽度为（１～５）Ｄ时不同 处理深度的涵顶土压力及涵体沉降进行研究，数值 模拟结果如图６和图７所示。
７５０
罡７００ 芒
奋６５０
划 懈６００ 匿 靼５５０
５００ Ｏ ｌ ２ ３ ４ ５ ６７ ８ 处理深度／ｍ
图６处理深度与涵顶压力关系曲线
ｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，１３１（１）：２０一２７．
［６３顾安全，郭婷婷，王兴平．高填土涵洞（管）采用ＥＰＳ 板减荷的试验研究［Ｊ］．岩土工程学报，２００５，２７（５）：
５００—５０４．
Ｆ７ｌ杨锡武，张永兴．山区公路高填方涵洞加筋桥减载方 法及其设计理论研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，
从图５可以看出，处理宽度为１Ｄ，即仅处理基 础正下方范围的地基时，由于基础两侧地基沉降大 于加固区沉降，涵洞台背两侧填土相对涵体有一个
６５０
姜６３０
菩６１０
捌 画５９０
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厘５７０
５５０ Ｏ
ｌＤ
２Ｄ
３Ｄ
４Ｄ
５Ｄ
地基处理宽度
图Ｓ涵顶压力随地基处理宽度的变化
向下的位移，对涵体产生向下的拖拽力，使涵顶压力 增大，此时涵顶压力比地基不处理时增大约１１％。 当地基处理宽度大于２Ｄ以后，随着地基处理宽度 的增大，涵顶垂直土压力急剧减小。
从尽量控制差异沉降的观点出发，应尽量使差 异沉降值△Ｓ＝０，则由式（６）可得：
百Ｅｌ５６５—Ｅ５２如４５｜匕。３ 瓦２Ｅ０３一等一Ｅ３箬＝ｏ。
（”７）７
现场取土测试结果表明，下卧层土质为老黏土
及中风化岩石，加权平均模量约为Ｅ。＝２０ ＭＰａ，代
入式（７）可得：
浅谈高填方涵洞施工技术
浅谈高填方涵洞施工技术摘要：本文主要对冲沟地形条件下高填方涵洞土压力计算，地基承载力验算与地基处理，减荷措施等进行了探讨。
关键词：涵洞；减荷；地基处理高填方涵洞是山区公路建设中经常遇到的工程,特别是在高等级公路建设中,由于线型要求高,深挖高填更是不可避免。
以贵州惠罗公路为例,路线全60km,全线共设126道涵洞,填土高度超过20.0m的占到1/3以上,最大填土高度达到45.6m。
从大量的工程实践看,超过20.0m的高填方路基,一般均是跨越冲沟而设。
本文针对冲沟地形条件下涵洞土压力计算,地基承载力验算,减荷措施等进行讨论。
1、涵洞垂直土压力计算高填方涵洞结构设计的控制荷载即垂直土压力。
垂直土压力计算,国内外采用的公式较多,计算结果偏差较大,而且计算过程较为复杂。
利用有限元分析时,参数选取的合理与准确程度,将对计算结果产生较大影响。
公路桥涵设计规范规定涵洞上垂直土压力按面内土柱重量计算,即σ=γH。
但此公式显然不能正确反映具体工况下涵洞的真实土压力。
因此,人们希望有一个简便的计算方法,同时能够考虑不同工况下涵洞土压力的影响因素。
影响涵洞土压力的因素很多,但各种因素的变化最终都将引起管顶平面内土柱与平面外土柱间的沉降差δ。
各种土压力计算公式的推导,实质上归结为对土柱沉降的分析与研究。
若以土压力集中系数表示,不同的计算公式最终可简化为: σ=KZγH,式中:δ——土体应力;KZ——土应力集中系数;γ——填土容重;H——填土高度。
当管顶面内土柱沉降大于面外土柱沉降(δ<0)时,将产生土拱作用,涵洞实际承受的垂直土压力将小于土柱重量,此时KZ<1;反之(δ>0),则产生应力集中,KZ>1;当面内外土柱沉降相等(δ=0)时,则KZ=1。
为此,在涵洞设计时,首先应根据场地地形条件,地基的地质条件,地基处理方法,结构物本身特性及填土土质和施工工艺等综合因素,定性确定涵洞平面内与平面外土柱间的沉降差δ的正负,从而判断土压力集中系数KZ>1,KZ<1或KZ=1。
高填方涵洞土压力分析及减荷措施
高填方涵洞土压力分析及减荷措施何超【期刊名称】《《山西建筑》》【年(卷),期】2019(045)017【总页数】2页(P138-139)【关键词】涵洞; 高填方; 土压力【作者】何超【作者单位】北京国道通公路设计研究院股份有限公司北京 100053【正文语种】中文【中图分类】U449.80 引言山区高填方涵洞有着长度长、填土高的特点，洞身受到的土压力大，相应的涵洞尺寸也较大，若设计时土压力计算过分保守，尺寸过大则导致造价高造成浪费。
若涵洞设计考虑欠缺导致尺寸偏小，可能出现涵洞承载能力不足，导致涵洞过早出现开裂等危害。
在保证其可靠性和耐久性的情况下能否做到经济合理，是高填方涵洞设计需重视的问题。
1 现行规范涵洞土压力计算涵洞土压力主要分为以下几类:1)散体极限平衡法；2)土柱法；3)压力集中系数法；4)卸荷拱法；5)根据变形条件以弹性理论为基础的计算方法。
我国现行的JTGD60—2015公路桥涵设计通用规范采用土柱法计算，JTG/T D65—04—2007公路涵洞设计细则则采用压力集中系数法。
在设计过程中，由于对涵洞土压力认识不足，若采用了相对偏小的荷载作为设计依据，结果造成涵洞承载力不足，过早产生病害。
由于公路涵洞多为混凝土结构，柔性管涵相对较少，混凝土结构刚度大，而土的刚度较小，因此涵洞上部的土位移小于两侧的土的位移，导致涵洞外侧的土对涵顶上方的土柱产生向下的托拽作用。
因此，涵洞顶也会受到外侧的土施加的向下附加应力，造成涵洞所受的土压力大于涵洞上部的土重，涵洞与土作用机理可见图1。
涵洞所受的土压力并不等于其上土柱的重量，而是相对洞身上方土重较大，根据相关研究表明，涵洞承受的土压力约为上方土重的1.3倍～2.0倍[1]，因此，欠缺合理的计算将导致设计涵洞的承载力不足。
我国JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范中，涵洞土压力采用土柱法计算，竖向土压力qv=γH，水平土压力Hq=tan(45°-φ/2)×γH。
高填方涵洞分层回填的数值模拟和土压力分析
图 １ 卵 形 拱 涌 位 移场 云 同
取 相 同的净 宽 和矢 高 ， 土高度 均 为 １ ． 填 ３ ６ｍ。土
体 的 本 构 关 系取 理 想 弹 塑 性 Ｄ ｕｋ ｒＰ ａ ｅ ｒ ｃ ｅ— ｒｇ ｒ模
模 量 为 ２ ． Ｐ ， ８ ０Ｇ ａ ？ 比 ０ １ ７ 容 重 ２ Ｎ／ 。 白松 ．６， ４ｋ ｍ。
位 移 。 然两 者 的结 果是 不 同的 ， 显 只有 正确地 模拟
分 层 回填 的过 程才 能得 到正确 的土压 力 Ｉ 。 大 型通用 有 限元分析 软件 ＡＮＳ ， ＹＳ 具有 独特 的生 死单 元 功 能 ， 以很方 便 地模 拟 涵 洞土 体 的 可 分层 回填过程 。 在模 拟涵 洞分层 吲填 时 ， 首先 建立
位 移 和应力 ， 分层 回填 时 ， 层土体 的重力 只对 但 本 下层 土体 产 生影 响 ， 会对 卜 土 体 产生 应力 和 不 层
计 算 模 型 的 参 数 如 下 ： 土 容 重 ｙ 为 填 １ Ｎ／ ， 松 比 为 ０ ２ １ 弹 性 模 量 为 １ ． ８ｋ ｍ。 泊 ．７， ５０ ＭＰ ， ａ 摩擦 角 为３ 。粘 聚力 为３ Ｐ 。 凝土 弹性 ５， ５ｋ ａ 混
所示 ， 比较 图 １ 层模 拟 回填 和 图７整体计 算 ２ 分 种
不 同计 算 的位 移 场 云 图 ， 分层 模 拟 的最 大 竖 向位
移为 ７ ５ｍｍ， 生在 填土 高度 １ ２ ， 体计 算 的 发 ／ 处 整 最大 竖 向位移 为 １ ８ｍｍ， 生在 回填 土体 最上层 ２ 发
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交 通 与 计 算机 ２ ０ ０ ８年 第 １期 第 ２ ６卷 总 １ ０期 ４
对高填土涵洞土压力各种计算方法的对比分析_郭婷婷
对高填土涵洞土压力各种计算方法的对比分析_郭婷婷Indust rial Const ruct ion V ol.40,Supplement,2010工业建筑 2010年第40卷增刊对高填土涵洞土压力各种计算方法的对比分析*郭婷婷1,2(1 中国地震局地质研究所,北京100029;2 山东省地震局,济南250014)摘要:截至目前,针对涵洞垂直土压力的计算方法已有几十种,不同方法的计算结果往往相差甚远。
究竟哪种方法比较合理,且接近实际,对此,从涵顶平面内外土柱沉降差( )这一综合性参数入手,结合某两工程测试实例,对各种方法进行了统一计算,并与实测值对比,并作综合理论分析,从而为今后统一各部门的垂直土压力计算方法提出了建议。
关键词:高填土涵洞;垂直土压力;计算方法;沉降差STUDY ON CALC ULATION METHODS OF SOIL PRESSURE OF THE C ULVERT UNDER HIGH FILLGuo T ing ting 1,2(1 Institute of G eolog y,China Earthquake Administr ation,Beijing 100029,China;2 Earthquake Administr atio n o f Shando ng Pr ov ince,Jinan 250014,China)Abstract:U p to date,ther e hav e alr eady sev eral dozen kinds of calculation methods of v er tical soil pressur e of culver ts,and the results of different methods differ ex tr emely Ho wever which metho d is mor e r easo nable and is clo se to actual condition?T her efo re,In this paper ,fro m settlement difference between inside and outside soil column on the to p o f culv erts( ),combine w ith test ex amples o f two engineer ings,all kinds of methods ar e calculated unifo rmly,and their results ar e compared w ith the measur ed o nesand also analysedtheor etically It is put fo rw ard the sug gestio ns o n unifying calculation met ho ds of v ertical soil pressur e Keywords:hig h fill culvert ;ver tical so il pr essure;calculatio n method;settlement differ ence*国家自然科学基金(40821160550)和山东省地震局博士科研项目资助。
高填方涵洞顶垂直土压力影响因素分析
填土小 ，因此可以减小涵洞的内外土柱沉 降差 ，从 而减 小涵 顶 附 加土 压 力 。另 外 ，关 于 涵侧 回填 卵石
图 ２ ＭＸ １计算值与实测值 比较
的厚度 ，本文先后计算了 １ 涵高 （ ） ／ 涵高 ， ４ ２ ｎ 、１ Ｉ ２
科 圄 复 ｌ 接 葡 竺 塑
据文献［ ，取填土与涵洞间的摩擦系数为 ０ 。在 ８ ］ ． ２ 有关涵洞结构受力分析的论文中，许多数值模拟计 算， 无论使用 的分析软件是 Ｍ Ｒ Ａ Ｃ和 Ｆ Ａ 。还是 ＬＣ ＡＳＳ Ｎ Ｙ ，都采用的是整体计算进行分析 ，即假设在 瞬时将全部载荷施加到整个结构上 ，而不考虑实际
施 工 中荷载 的逐级 施 加 。与之 相对 的 分层 加载 计算 则 能体 现结 构和 回填 土体本 身 应力 和 变形 随施 工 过
见 图 ４ 。 ‘
符 ，由此可知 ，分层计算 比整体计算的结果更接近
州
实际情 况 ，本 文 分析采 用 是分层 计算 的方 法 。
＼
３ 结果 分析
３１ 模 拟结果 与实 测资 料 比较 ．
趟
文献［ 的涵顶垂直土压力值为 ３ 号和 ３ ８ ６ 】 １ ８ ２ 号
土 压力 盒 测 得 ，将 ＭＸ１ 案 计 算 的土压 力 值 与现 方 场实 测值 进行 了 比较 ，见 图 ２ 。
程的变化 ，更好地体现 了材料的非线性 ，因此符合
实 际 。Ａ Ｓ Ｓ软 件 中单 元 生 死 控 制 正 好 可 以用 来 ＮＹ 模 拟填 土 的过程 同 。笔者 分 别 采用 整 体法 和 分层 法
图 ３ 填土沉降差示意图
计算 Ｍ ，其 中分层计算应按 １ ／ Ｘ１ 层加载 ，总共 ｍ 分了 ２ 层 ，两种计算 的位移云 图显示 。整体计算 ５ 的最 大位 移 出现 在填 土表 面 ，越 向下 位移 越小 ，这
高填土涵洞垂直土压力分布规律研究
向量 ．即为 总评判 结果 。
３４３ 评 判 结 果 的处 理 ． ．
首 先将 评 判集 中各元 素进 行 量化 ，然 后 用公 式 尸 ＢＶ 算得结 果 ，根据 结果 ，即可 判定该 项 目 ＝ 计 ＿ ＝
社 会经 济影 响 的效 果 。
４ 结 语
价 指 标 体 系 研 究 ｆ］ 庆 交 通 学 院 学 报 ，２ ０ Ｊ．重 ０ ６，
Ａｂｔａ ｔ ａｅ ｎ ｒｃｎｔ ｃｉ ｒｊｃ ｏ ｈ ｎｚ ｏ — ｕｙ ｎ ｘ ｒｓ ａ，ｔｉ ｐ ｐ ｒｕｅ ｕ ｅｉａ ｓｒ ｃ： ｓｄ ｏ ｅ ｏ ｓ ｕｔ ｎ ｐｏ ｔ ｆＺ ｅ ｇｈ ｕ Ｌ ｏａ ｇＥ ｐｅｓ ｙ ｈｓ ａ ｅ ｓｓｎ ｍ ｒ ｌ Ｂ ｒ ｏ ｅ ｗ ｃ
ＢＡＩＷ ｅ— ａ ｇ ．ＨＥ ａ — ｎ ｉｆｎ Ｃｈ ｏ ｑｕ （ ． ｎ ｎＴ ａ ｓ ｏｔｔ ｎＲｅｅ ｒｈＩ ｓ ｔｔ ｏ， ｔ．Ｚ ｅ ｇｈ ｕ４ ０ ０ ， ｈｎ ； ． ｎ ｎＰ ｏ ｉｃａ ｍｍｕ ｉａｉｎ ｌｎ ｉｇ １Ｈｅ ａ ｒｎ ｐ ｒ ｉ ｓａｃ ｎ ｔｕｅＣ ．Ｌｄ， ｈ ｎ ｚ ｏ ５ ０ ６ Ｃ ｉａ ２Ｈｅ ａ ｒｖｎ ｉｌ ａｏ ｉ Ｃｏ ｎｃｔ ｓＰａ ｎｎ ｏ Ｓ ｒｅ ｕｖ ｙ＆ Ｄ ｓｇ ｎ ｔｕｅＣ ．Ｌｄ， ｈ ｎ ｚ ｏ ５ ０ ２ Ｃ ｉａ ｅ ｉｎＩ ｓ ｔｔ ｏ， ｔ ．Ｚ ｅ ｇ ｈ ｕ４ ０ ５ ， ｈｎ ） ｉ
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高填方涵洞竖向土压力计算理论和方法
【摘要】：本文结合高填方盖板涵通用图设计，介绍并分析高填方涵洞竖向土压力计算理论，提出了设计中采用的高填方涵洞竖向土压力计算方法。
【关键词】：高填方；涵洞；土压力；计算理论；方法
随着山区高等级公路的发展，高填方涵洞越来越普遍，由于高填方涵洞的填土高度较高，且为人工回填土，涵顶的竖向土压力大且不随填土高度线性增加，至今也没有科学的土压力计算方法，这就引起了高填方涵洞在工程造价和结构安全可靠方面的问题。
鉴于此，本文主要介绍并分析了高填方涵洞竖向土压力几种计算理论，提出设计中采用的高填方涵洞竖向土压力计算方法。
1、涵洞竖向土压力计算理论
关于涵洞竖向土压力的计算方法很多，归纳起来可分为3类：①Marston土压力计算理论；②“卸荷拱”法；③“土柱”法。
Marston土压力计算理论利用散体极限平衡条件提出一个沟内埋管上垂直土压力的计算模型，并推导出计算公式，然后将其进一步推导至上埋式管道垂直土压力的计算。
Marston公式的提出有以下三个假设：（1）剪切面假定。
沿管道水平直径两端点，向地面引垂线，在土体的沉陷变形过程中，内外土柱通过其垂线界面作相对运动，并产生剪切力。
（2）极限平衡状态假定。
内外土柱间的相对运动，用极限状态表示。
（3）管顶垂直土压力分布按抛物线假定。
另外Marston运用了等沉面的概念，即管顶内填土与管顶外填土存在沉降差异，这种沉降差异随着填土高度的增加而逐渐减少，当填土高度达到某一临界值后，这种差异可忽略不计，临界值以上填土认为是均匀沉降，相应于临界值的平面，称为等沉面。
图1-1Marston上埋式管道计算模型
“卸荷拱”理论以普氏地压理论为基础，该理论认为岩体中存在很多纵横交错的节理裂隙、弱面，并将岩体切割成形状不同、大小不一的小块岩体。
由于岩块间相互嵌入，故可以将其当作一种具有内聚力的松散体。
当开挖破坏了洞室围岩之后，会诱发顶层岩体局部塌落，当塌落达到一定程度后，这样岩体就进入了一个新的平衡状态，构成一个自然平衡拱。
作用于涵顶的土压力为自然平衡拱与涵顶之间土体重量，而与拱外的填土重量无关。
图1-2卸荷拱
“土柱法”理论假设涵洞不改变土体的极限应力状态，并把问题作为静力平衡问题，则涵洞顶部的竖向土压力等于涵顶的土体重量。
2、盖板涵通用图设计过程中采用的竖向土压力计算方法
目前，Marston“等沉面”理论应用比较广泛，计算结果竖向土压力为最大，新填土涵洞与实测结果比较接近；这个理论建立在涵洞顶部与涵身外侧土体产生不均匀沉降而出现处于极限平衡的滑动面的基础上，因此，若涵洞顶部与涵身外侧土体产生的不均匀沉降不能导致一个处于极限平衡状态的“滑动面”，用Marston“等沉面”理论求出的竖向土压力将产生误差，计算的土压力也会大于实际土压力。
“卸荷拱”理论，由于其形成条件不易满足，在多数情况下用不上，土中的自然拱，仅在路基完成若干年以后和填土密实的情况下才能形成，沟埋式或顶管施工的涵洞可以考虑采用，竖向压力最小；“土柱”法计算比较简便，计算结果在上述两法之间，与按新填土涵洞实测结果比较，一般偏小。
因此本次通用图设计采用“土柱法”并引用前苏联的克列恩博士对弹性理论公式计算结果与松散体极限平衡理论计算结果进行比较后提出来的上埋涵管管顶土压力集中系数K，即结合Marston“等沉面”理论，考虑因涵顶填土与涵侧填土的沉降差而产生的向下的摩擦力（图1-3）。
采用以下公式计算竖向土压力：
竖向土压力强度：qv=Kγh
式中γ——土的重力密度；
h——计算截面至路面顶的高度；
K——土压力集中系数。
图1-3由于填土不均匀沉降而产生的摩擦力
通过理论分析、实体工程的测试分析、计算分析发现，K值与涵顶填土高度、涵洞的外形宽度存在非线性关系，在设计过程中采用竖向土压力集中系数K能较真实的反应涵顶竖向土压力。
K值按照《公路涵洞设计细则》（JTG/T D65-04-2007）选用。
见下表：
3、计算实例
以盖板涵通用图设计中净跨径4m，净高3m的涵洞为例，计算涵顶填土高度8m~20m的竖向土压力，每隔2m进行计算，并与Marston“等沉面”理论的计算公式进行对比分析，计算结果如下：
“土柱法”（考虑土压力集中系数）计算结果
4、结论
通过高填方盖板涵通用图的设计计算，利用“土柱法”并考虑土压力集中系数计算土压力，然后进行高填方涵洞结构设计可以使高填方涵洞既经济合理同时又具有很高的安全系数，是非常科学合理的计算方法，其比Marston“等沉面”理论计算出的涵顶竖向土压力值小，也与理论分析吻合，且方法简单，可为以后的高填方涵洞的工程设计提供借鉴。
由于目前行业内外所提出的土压力计算公式，尚没有一个可全面适用于涵洞所有工作状况，因此对涵洞竖向土压力问题的研究远未结束，任重而道远。
为了得出实用性更强的计算公式，仍旧需要进行大量的室内试验与现场测试结果之间进行验证。
【参考文献】
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[5]谢永利刘保健杨晓华《公路涵洞工程》人民交通出版社。