高填黃土明洞卸載模型試驗研究范文

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《巖石力學與工程學報》2016年第五期

摘要：

為研究不同卸載措施下溝槽式高填黃土明洞垂直土壓力、土體沉降變化規律，通過室內模型試驗，對不同方案下的卸載效果進行對比分析。結果表明：增大填土邊坡坡角、明洞頂設置低壓實土、鋪設土工格柵、提高明洞兩側填料壓縮模量可減小明洞洞頂土壓力，其中，增大邊坡坡角卸載作用最優。與無邊坡相比，明洞洞頂垂直土壓力卸載率可達20.6%，若與低壓實土形成的土拱效應及土工格柵的“提兜效應”相結合，有利于進一步減小明洞洞頂垂直土壓力。同時，填土高度較低時，垂直土壓力接近均勻分布；隨著填土高度的增大，垂直土壓力分布曲線隨距明洞中軸線距離的增加呈先減小后穩定的趨勢；低壓實土的設置使明洞頂虛實土接觸附近垂直土壓力分布曲線出現突變。研究成果可為溝槽式高填黃土明洞卸載措施的設計和施工提供參考依據。

關鍵詞：

土力學；溝槽式；高填明洞；垂直土壓力；低壓實土；土工格柵；沉降

1引言

黃土高原地區“千溝萬壑，支離破碎”、山多地少。為了滿足城市發展的需要，大規模的填溝造地，使既有明洞不可避免地出現高回填。由于原設計缺少對后期新增土壓力的考慮，額外的土壓力會使明洞產生裂縫、地基不均勻沉降等病害，嚴重影響結構的使用壽命。因此，高填方明洞卸載措施的研究，對減小明洞洞頂土壓力、提高結構的耐久性、指導設計和施工具有積極的意義。高填方涵洞在國內外應用相對較多，對其受力、變形特性及卸載措施的研究也較廣泛。N.G.Larsen和J.G.Hendrickson[1]對比未采取卸載措施和采用鋪設干草進行卸載的管涵，得出鋪設干草對于防止管涵開裂有積極的作用；J.A.Sladen和J.M.Oswell[2]在一定寬度的排洪管道上采用稻草和聚苯乙烯塑料泡沫珠粒卸載，使涵頂垂直壓力僅是其上超載的20%～40%；顧安全等[3-7]研究了在涵(管)頂與涵側分別鋪設不同厚度EPS板的減荷效果，得出涵頂豎向土壓力、涵側水平土壓力均顯著減少，且由于土壓力的減小，使得涵洞縱向的不均勻沉降得到改善，并通過現場試驗、有限元計算及垂直土壓力計算結果相互驗證，證明了卸載措施具有良好的效果；馬強等[8-10]對土工格柵加筋卸載法進行了機制分析，并通過現場試驗、卸載計算公式，對影響涵洞頂土壓力的主要因素進行了分析，同時采用數值模擬進行驗證，結果表明，卸載孔高度越高、格柵鋪設層數越多，卸載效果越明顯；楊錫武等[11-14]通過室內模型試驗，研究了狹窄溝谷中心設涵、寬坦溝谷中心設涵、狹窄溝谷岸坡設涵3種情況下土壓力變化規律，證明了涵洞上方土拱效應的存在。對于高填黃土明洞卸載措施的研究，李盛等[15-16]在蘭渝線高填明洞上進行了土工格柵現場卸載試驗，并推導了無邊坡影響的高填明洞卸載結構土壓力計算方法。然而，目前對于溝槽式高填明洞卸載措施研究不足。為此，本文通過室內模型試驗，研究邊坡坡角、低壓實土、土工格柵3種因素影響下的溝槽式高填黃土明洞垂直土壓力、位移隨填土高度的變化規律，以期為溝槽式高填黃土明洞卸載措施的設計、施工等提供參考。

2室內模型試驗

2.1相似分析及試驗裝置按照相似比，自制長180cm×寬120cm×高150cm的填土模型箱。模型箱有足夠的剛度保證加載過程中不會發生變形。在有機玻璃上用黑筆標記填土線位置，以便觀測土體變形。由于本次試驗主要研究土壓力和位移隨填土高度的變化規律，因此對明洞的材料不做要求。采用C30混凝土預制半圓形明洞模型，尺寸為長120cm×內徑50cm×厚3cm。模型箱及明洞模型結構如圖1所示。

2.2接觸條件與填土材料(1)接觸條件根據試驗方案設計制作邊坡，在明洞拱腳兩側10cm處用混凝土砌體堆積出邊坡大樣，然后用水泥砂漿進行涂抹并鑿毛處理，使其具有一定的粗糙程度，保證與實際工程相符。通過改變混凝土砌塊的數量來控制坡角的大小。邊坡成型圖如圖2所示。(2)填土材料本試驗黃土填料的物理、力學特性參數由試驗測定，主要參數如下：重度17.7kN/m3，最優含水量15.25%，最大干密度1.58g/cm3，黏聚力31.11kPa，內摩擦角28.24°。采用人工分層填筑。為保證每層填土壓實度統一為85%，試驗前，按照一定的含水率將黃土拌合均勻；按照體積法，根據每層填土高度及壓實度計算每層用土量，填土完成后，利用環刀法進一步檢測每層土的壓實度。

2.3模型試驗方案共設置9種試驗方案，具體見表1。在拱頂以上17cm處下挖15cm深的卸載孔，以便換填低壓實土。土工格柵在拱頂以上17cm處開始布置，兩端分別錨固在兩側邊坡上，多層格柵豎向間距15cm。如圖3所示。

2.4測點布置及測試為得到洞頂和拱腳垂直土壓力變化規律，在距離明洞頂2cm處的平面上沿縱橫向分別布置土壓力盒，縱向間距40cm，橫向間距10cm，隨邊坡坡角的增加，土壓力盒的數量適當減少；在兩側拱腳外5cm處各布置1個土壓力盒，具體布置見圖4。土壓力盒為27mm×10mm微型土壓力盒，量程0～100kPa，為了保證測量精度，土壓力盒埋置水平、工作面朝上，并在土壓力盒的上、下兩面均勻鋪設一層細砂。為實現對土體沉降位移的觀測，每次填土壓實后，在壓實填土上表面與有機玻璃交界處做白色標記線；通過測量白線與有機玻璃板上黑色填土線間的豎向距離，得到土體變形豎向位移。為測試填土過程中明洞結構豎向位移的變化情況，在明洞下表面架設機電百分表；通過觀測百分表數值變化，實現對明洞自身結構位移的測試，具體布置見圖5。首層填土高度為30cm，按照85%壓實度均勻攤鋪壓實后，在預定位置布置土壓力盒；其余每層按15cm填筑。當每層填土達到設計高度時，進行一次土壓力、位移的測試和記錄。

2.5試驗測試結果根據模型試驗方案，測得不同方案下明洞洞頂、拱腳垂直土壓力，結果如表2，3所示。

2.6試驗結果分析從表2，3可以看出，不同方案對明洞洞頂、拱腳及明洞洞頂同一平面垂直土壓力分布、土體位移的影響程度不同。可歸納為四方面影響因素，包括邊坡坡角、低壓實土、土工格柵及明洞兩側填料。具體表現為：(1)邊坡坡角的影響根據方案TS0～TS4，分析邊坡坡角θ從0°變化到70°過程中，明洞洞頂、拱腳、明洞洞頂同一平面垂直土壓力隨填土高度的變化規律，結果如圖6～8所示。從圖6～8中可以看出，填土越高，坡角越大，明洞洞頂、拱腳土壓力卸載效果越明顯。這是由于填土越高，土體作用在邊坡上的力越大，邊坡對土體的反向上托摩擦作用越大。具體變現為：①當邊坡坡角θ從0°變化到70°，填土高度為15cm(模擬高度3.75m)時，洞頂土壓力由3.44kPa減小至2.98kPa，卸載率為13.4%；當填土高度為120cm(模擬高度30m)時，洞頂土壓力由16.72kPa減小至13.27kPa，卸載率為20.6%。②當邊坡坡角θ從0°變化到70°，填土高度為60cm(模擬高度15m)時，明洞拱腳土壓力由7.89kPa減小至6.21kPa，卸載率為21.3%；當填土高度為120cm(模擬高度30m)時，土壓力由14.39kPa減小至11.12kPa，卸載率為22.7%。

③不同邊坡坡角對明洞洞頂同一平面垂直土壓力分布的影響呈相似的規律。當填土較低時，明洞洞頂同一平面垂直土壓力接近均勻分布；隨著填土高度的增加，在1倍明洞寬度范圍內，其土壓力隨距明洞中軸線距離的增大而減小，超過1倍明洞寬度，土壓力趨于穩定。④明洞洞頂平面土體最大位移發生在1.2倍明洞寬度范圍處，約為2mm，且坡角越大，最大位移發生點越靠近1倍明洞寬度處。機電百分表讀數基本不變，說明明洞結構自身無豎向位移。(2)低壓實土的影響依據卸載力學原理，在明洞洞頂開挖溝槽，并以低壓實土填充，有利于調整明洞內外土柱相對沉降差，使應力重分布，從而起到卸載作用。通過方案TS4，TS5，研究有、無低壓實土對明洞洞頂、拱腳垂直土壓力的影響，結果如圖9，10所示。從圖9，10中可以看出，鋪設低壓實土使明洞洞頂垂直土壓力減小，拱腳垂直土壓力增加，且隨著填土高度的增加，洞頂卸荷率逐漸減小。這是由于明洞頂設置低壓實土后，明洞寬度范圍內的土體沉降變形大于兩側土體；隨著填土高度的增加，低壓實土逐漸被壓實，內外土柱相對變形減小。具體表現為：①當填土高度為45cm(模擬高度11.25m)時，TS5洞頂土壓力為5.30kPa，與TS4相比，卸載率為22.7%；當填土高度為105cm(模擬高度26.25m)時，TS5洞頂土壓力為10.66kPa，與TS4相比，卸載率為12.7%。②當填土高度為60cm(模擬高度15m)時，TS4，TS5拱腳土壓力分別為6.21，6.53kPa，TS5與TS4相比增大5%；當填土高度為120cm(模擬高度30m)時，TS4，TS5明洞拱腳垂直土壓力分別為10.20，12.90kPa，TS5與TS4相比增大26%。③由于低壓實土的存在，明洞洞頂同一平面垂直土壓力在1倍明洞寬度處出現突變。沉降基本發生在明洞頂，最大變形量約為22mm。

(3)土工格柵的影響在低壓實土上方鋪設土工格柵，可進一步使明洞洞頂、明洞拱腳垂直土壓力減小。對比方案TS5～TS7，研究土工格柵對明洞洞頂、拱腳垂直土壓力的影響，結果如圖11，12所示。從圖11，12中可以看出，鋪設土工格柵可進一步減小作用在明洞洞頂、拱腳的垂直土壓力，但多層格柵卸載效果并不明顯。這說明土工格柵的鋪設可以起到一定的卸載作用，但隨著填土高度的增加，逐漸被壓實的低壓實土無法繼續為格柵的變形提供空間，使多層格柵無法全部發揮作用，減荷效果與單層格柵基本相同。具體表現為：①當填土高度為45cm(模擬高度11.25m)時，TS5～TS7明洞洞頂垂直土壓力相差不大；當填土高度由75cm(模擬高度18.75m)變到120cm(模擬高度30m)時，TS6，TS7與TS5相比，卸載率分別從4.0%，12.3%變到10.9%，11.8%。②當填土高度為60cm(模擬高度15m)時，TS5～TS7明洞拱腳垂直土壓力相差不大；當填土高度為150cm(模擬高度37.5m)時，TS6，TS7與TS5相比，卸載率分別為8.1%，12.2%。(4)明洞兩側填料的影響在低壓實土和土工格柵相結合的卸載措施基礎上，若提高明洞兩側填料壓縮模量，對于調整內外土柱沉降差，提高卸載率有積極的作用，這一點可以從圖13中看出。對比TS7，TS8明洞洞頂垂直土壓力變化曲線，兩者總體卸載趨勢一致，但TS8卸載效果較好。當填土高度為90cm(模擬高度22.5m)時，TS8明洞洞頂垂直土壓力與TS7相比，減小率為11.0%。這是因為明洞兩側高壓縮模量的填料減小了外土柱的沉降，而內土柱低壓實土的存在增大了內土柱沉降，故相對總沉降差增大，有利于更多地將明洞頂荷載轉移到兩側土體中。從以上卸載措施可以看出，邊坡的上托摩擦作用，低壓實土的土拱效應，土工格柵的“提兜效應”均能起到卸載作用。填土過程中，每層填土既是荷載，又是介質，影響土壓力因素很多，但各種因素的變化均引起明洞頂平面內外土柱間的相對沉降，因此，可以把各種因素對土壓力的影響歸結為土體的相對沉降差變化。工程實際應用中，綜合利用各種卸載措施，調整土體相對沉降，達到卸載目的。

3結論

(1)高填明洞洞頂垂直土壓力隨填土高度的增加呈非線性變化。增大邊坡坡角、明洞頂設置低壓實土、鋪設土工格柵、提高明洞兩側填料壓縮模量有利于減小明洞洞頂土壓力。其中，邊坡坡角影響最顯著，其次為低壓實土、土工格柵、明洞兩側填料。因此，高填黃土明洞及其卸載結構設計中，保證邊坡穩定的前提下，增大兩側邊坡坡角，并進一步采取卸載措施相結合的方式，可最大限度提高卸載率。(2)高填明洞洞頂同一平面垂直土壓力隨距明洞中軸線的距離并不是呈均勻分布；隨著填土高度的增大，不同填土邊坡坡角的明洞洞頂垂直土壓力分布呈先減小后穩定的趨勢；且明洞頂設置低壓實土會使洞頂土壓力在虛實土接觸附近產生突變。

作者：馬莉 李盛 王起才 耿少波 張延杰 李建新 單位：蘭州工業學院 土木工程學院 蘭州交通大學 土木工程學院 中北大學 土木工程系