黃土高填方明洞土壓力減載及力學(xué)特性研究.pdf

1、現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范中明洞各部位土壓力尤其是垂直土壓力計(jì)算仍采用土柱法計(jì)算,即P=γh。但是,已有研究表明這種計(jì)算方法具有一定的局限性。本文主要依托于某明洞高回填土項(xiàng)目,通過(guò)室內(nèi)縮小比例模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程試驗(yàn)及數(shù)值模擬三方面,研究了明洞頂土壓力的變化規(guī)律及土工格柵減載的減載效果,意在保證結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性的前提下,尋求能讓目標(biāo)明洞回填達(dá)到目標(biāo)高度(64m)的最佳方式。本論文所完成的工作和研究成果如下:
　　(1)根據(jù)實(shí)際明洞在試驗(yàn)室

2、制作了(1∶30)縮小比例模型,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)明洞進(jìn)行模擬回填。通過(guò):①不放拱;②放拱;兩種方案分別探討了,回填土壓實(shí)不同(75％、80%、85%)時(shí),對(duì)明洞頂土壓力的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,隨著填土高度的變化,當(dāng)填土高度達(dá)到0.5m(模擬高度15m)后,明洞頂土壓力呈曲線形式上漲,且曲線逐漸趨于平緩;隨著填土壓實(shí)度的增加明洞頂土壓力逐漸減小,即填土壓實(shí)度有利于明洞頂“土拱效應(yīng)”的形成。
　　(2)通過(guò):①不布設(shè)格柵(即,不減載);②布設(shè)

3、多層格柵,不布設(shè)“減載孔”;③布設(shè)單層格柵+“減載孔”;④布設(shè)多層格柵+“減載孔”;這四種方案對(duì)土工格柵減載進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和探討,推導(dǎo)了單層格柵和多層格柵減載下土壓力計(jì)算公式。研究結(jié)果顯示,布設(shè)“減載孔”的減載效果更好,更有利于格柵發(fā)揮“提兜”作用;方案③中單層格柵的最佳效果達(dá)到54%,方案④中達(dá)到59%,且推導(dǎo)的理論計(jì)算公式與試驗(yàn)擬合較好,具有一定的可信度。
　　(3)通過(guò):①不布設(shè)EPS板(即,不減載);②布設(shè)5cm厚EPS

4、板;③布設(shè)7.5cm厚EPS板;④布設(shè)10cm厚EPS板;四種方案研究EPS板的減載效率,分析了不同EPS板厚度對(duì)明洞頂土壓力的影響及其減載效果。結(jié)果顯示,EPS板的減載效率在1/3-1/2之間,且隨著EPS板厚度的增加減載效果越發(fā)的明顯。
　　(4)通過(guò):①69m現(xiàn)場(chǎng)不減載黃土試驗(yàn)段;②20m現(xiàn)場(chǎng)土工格柵減載試驗(yàn)段;分別研究了兩種方案下,明洞頂土壓力變化規(guī)律及土工格柵的減載效果。結(jié)果表明,當(dāng)填土高度達(dá)到13m時(shí),方案①明洞頂并未

5、產(chǎn)生明顯的“拱效應(yīng)”,這與室內(nèi)模型試驗(yàn)得到的結(jié)論相印證。雖然前期土壓力與土柱法稍有偏差,但隨著時(shí)間的增長(zhǎng)土壓力值逐漸靠攏γh,“拱效應(yīng)”逐漸消失,證實(shí)了“拱效應(yīng)”的不穩(wěn)定性;方案②中得到格柵減載效率為40%,雖然不及室內(nèi)模型試驗(yàn),但仍舊能夠達(dá)到很好的效果。
　　(5)建立了平面有限元數(shù)值計(jì)算模型,通過(guò):①不減載;②土工格柵減載;兩種方案分別模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際回填,從數(shù)值分析方面對(duì)室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行兩兩對(duì)比,兩兩印證。結(jié)果顯示,方

6、案①在填土15m以下,土壓力值與γh基本一致,大于15m時(shí),呈曲線變化,且增量逐漸減小,曲線趨于平緩。方案②得到其減載效果為42%,與現(xiàn)場(chǎng)得到的40%相印證。
　　(6)在前文研究了高回填明洞頂土壓力變化規(guī)律及其減載的基礎(chǔ)上,對(duì)明洞結(jié)構(gòu)、裂縫以及復(fù)合地基承載力進(jìn)行了判定。研究結(jié)果表明,兩種情況下,明洞襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均滿足《規(guī)范》要求。不減載情況下,當(dāng)填土高度達(dá)到50m時(shí),裂縫寬度超限,最大裂縫寬度為0.21mm,證實(shí)了減載的必要