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《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》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(guī)律，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)不同方案下的卸載效果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：增大填土邊坡坡角、明洞頂設(shè)置低壓實(shí)土、鋪設(shè)土工格柵、提高明洞兩側(cè)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(yōu)。與無邊坡相比，明洞洞頂垂直土壓力卸載率可達(dá)20.6%，若與低壓實(shí)土形成的土拱效應(yīng)及土工格柵的“提兜效應(yīng)”相結(jié)合，有利于進(jìn)一步減小明洞洞頂垂直土壓力。同時(shí)，填土高度較低時(shí)，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(wěn)定的趨勢；低壓實(shí)土的設(shè)置使明洞頂虛實(shí)土接觸附近垂直土壓力分布曲線出現(xiàn)突變。研究成果可為溝槽式高填黃土明洞卸載措施的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：

土力學(xué)；溝槽式；高填明洞；垂直土壓力；低壓實(shí)土；土工格柵；沉降

1引言

黃土高原地區(qū)“千溝萬壑，支離破碎”、山多地少。為了滿足城市發(fā)展的需要，大規(guī)模的填溝造地，使既有明洞不可避免地出現(xiàn)高回填。由于原設(shè)計(jì)缺少對(duì)后期新增土壓力的考慮，額外的土壓力會(huì)使明洞產(chǎn)生裂縫、地基不均勻沉降等病害，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。因此，高填方明洞卸載措施的研究，對(duì)減小明洞洞頂土壓力、提高結(jié)構(gòu)的耐久性、指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工具有積極的意義。高填方涵洞在國內(nèi)外應(yīng)用相對(duì)較多，對(duì)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(duì)比未采取卸載措施和采用鋪設(shè)干草進(jìn)行卸載的管涵，得出鋪設(shè)干草對(duì)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(cè)分別鋪設(shè)不同厚度EPS板的減荷效果，得出涵頂豎向土壓力、涵側(cè)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(xiàn)場試驗(yàn)、有限元計(jì)算及垂直土壓力計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證，證明了卸載措施具有良好的效果；馬強(qiáng)等[8-10]對(duì)土工格柵加筋卸載法進(jìn)行了機(jī)制分析，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)、卸載計(jì)算公式，對(duì)影響涵洞頂土壓力的主要因素進(jìn)行了分析，同時(shí)采用數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，卸載孔高度越高、格柵鋪設(shè)層數(shù)越多，卸載效果越明顯；楊錫武等[11-14]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了狹窄溝谷中心設(shè)涵、寬坦溝谷中心設(shè)涵、狹窄溝谷岸坡設(shè)涵3種情況下土壓力變化規(guī)律，證明了涵洞上方土拱效應(yīng)的存在。對(duì)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(jìn)行了土工格柵現(xiàn)場卸載試驗(yàn)，并推導(dǎo)了無邊坡影響的高填明洞卸載結(jié)構(gòu)土壓力計(jì)算方法。然而，目前對(duì)于溝槽式高填明洞卸載措施研究不足。為此，本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究邊坡坡角、低壓實(shí)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(guī)律，以期為溝槽式高填黃土明洞卸載措施的設(shè)計(jì)、施工等提供參考。

2室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1相似分析及試驗(yàn)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(huì)發(fā)生變形。在有機(jī)玻璃上用黑筆標(biāo)記填土線位置，以便觀測土體變形。由于本次試驗(yàn)主要研究土壓力和位移隨填土高度的變化規(guī)律，因此對(duì)明洞的材料不做要求。采用C30混凝土預(yù)制半圓形明洞模型，尺寸為長120cm×內(nèi)徑50cm×厚3cm。模型箱及明洞模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2接觸條件與填土材料(1)接觸條件根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)制作邊坡，在明洞拱腳兩側(cè)10cm處用混凝土砌體堆積出邊坡大樣，然后用水泥砂漿進(jìn)行涂抹并鑿毛處理，使其具有一定的粗糙程度，保證與實(shí)際工程相符。通過改變混凝土砌塊的數(shù)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(yàn)黃土填料的物理、力學(xué)特性參數(shù)由試驗(yàn)測定，主要參數(shù)如下：重度17.7kN/m3，最優(yōu)含水量15.25%，最大干密度1.58g/cm3，黏聚力31.11kPa，內(nèi)摩擦角28.24°。采用人工分層填筑。為保證每層填土壓實(shí)度統(tǒng)一為85%，試驗(yàn)前，按照一定的含水率將黃土拌合均勻；按照體積法，根據(jù)每層填土高度及壓實(shí)度計(jì)算每層用土量，填土完成后，利用環(huán)刀法進(jìn)一步檢測每層土的壓實(shí)度。

2.3模型試驗(yàn)方案共設(shè)置9種試驗(yàn)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(shí)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(cè)邊坡上，多層格柵豎向間距15cm。如圖3所示。

2.4測點(diǎn)布置及測試為得到洞頂和拱腳垂直土壓力變化規(guī)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(shù)量適當(dāng)減少；在兩側(cè)拱腳外5cm處各布置1個(gè)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(shè)一層細(xì)砂。為實(shí)現(xiàn)對(duì)土體沉降位移的觀測，每次填土壓實(shí)后，在壓實(shí)填土上表面與有機(jī)玻璃交界處做白色標(biāo)記線；通過測量白線與有機(jī)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(jié)構(gòu)豎向位移的變化情況，在明洞下表面架設(shè)機(jī)電百分表；通過觀測百分表數(shù)值變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)明洞自身結(jié)構(gòu)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(shí)度均勻攤鋪壓實(shí)后，在預(yù)定位置布置土壓力盒；其余每層按15cm填筑。當(dāng)每層填土達(dá)到設(shè)計(jì)高度時(shí)，進(jìn)行一次土壓力、位移的測試和記錄。

2.5試驗(yàn)測試結(jié)果根據(jù)模型試驗(yàn)方案，測得不同方案下明洞洞頂、拱腳垂直土壓力，結(jié)果如表2，3所示。

2.6試驗(yàn)結(jié)果分析從表2，3可以看出，不同方案對(duì)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?？蓺w納為四方面影響因素，包括邊坡坡角、低壓實(shí)土、土工格柵及明洞兩側(cè)填料。具體表現(xiàn)為：(1)邊坡坡角的影響根據(jù)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(guī)律，結(jié)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(duì)土體的反向上托摩擦作用越大。具體變現(xiàn)為：①當(dāng)邊坡坡角θ從0°變化到70°，填土高度為15cm(模擬高度3.75m)時(shí)，洞頂土壓力由3.44kPa減小至2.98kPa，卸載率為13.4%；當(dāng)填土高度為120cm(模擬高度30m)時(shí)，洞頂土壓力由16.72kPa減小至13.27kPa，卸載率為20.6%。②當(dāng)邊坡坡角θ從0°變化到70°，填土高度為60cm(模擬高度15m)時(shí)，明洞拱腳土壓力由7.89kPa減小至6.21kPa，卸載率為21.3%；當(dāng)填土高度為120cm(模擬高度30m)時(shí)，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(duì)明洞洞頂同一平面垂直土壓力分布的影響呈相似的規(guī)律。當(dāng)填土較低時(shí)，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(nèi)，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(wěn)定。④明洞洞頂平面土體最大位移發(fā)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(fā)生點(diǎn)越靠近1倍明洞寬度處。機(jī)電百分表讀數(shù)基本不變，說明明洞結(jié)構(gòu)自身無豎向位移。(2)低壓實(shí)土的影響依據(jù)卸載力學(xué)原理，在明洞洞頂開挖溝槽，并以低壓實(shí)土填充，有利于調(diào)整明洞內(nèi)外土柱相對(duì)沉降差，使應(yīng)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(shí)土對(duì)明洞洞頂、拱腳垂直土壓力的影響，結(jié)果如圖9，10所示。從圖9，10中可以看出，鋪設(shè)低壓實(shí)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(shè)置低壓實(shí)土后，明洞寬度范圍內(nèi)的土體沉降變形大于兩側(cè)土體；隨著填土高度的增加，低壓實(shí)土逐漸被壓實(shí)，內(nèi)外土柱相對(duì)變形減小。具體表現(xiàn)為：①當(dāng)填土高度為45cm(模擬高度11.25m)時(shí)，TS5洞頂土壓力為5.30kPa，與TS4相比，卸載率為22.7%；當(dāng)填土高度為105cm(模擬高度26.25m)時(shí)，TS5洞頂土壓力為10.66kPa，與TS4相比，卸載率為12.7%。②當(dāng)填土高度為60cm(模擬高度15m)時(shí)，TS4，TS5拱腳土壓力分別為6.21，6.53kPa，TS5與TS4相比增大5%；當(dāng)填土高度為120cm(模擬高度30m)時(shí)，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(shí)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(xiàn)突變。沉降基本發(fā)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(shí)土上方鋪設(shè)土工格柵，可進(jìn)一步使明洞洞頂、明洞拱腳垂直土壓力減小。對(duì)比方案TS5～TS7，研究土工格柵對(duì)明洞洞頂、拱腳垂直土壓力的影響，結(jié)果如圖11，12所示。從圖11，12中可以看出，鋪設(shè)土工格柵可進(jìn)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(shè)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(shí)的低壓實(shí)土無法繼續(xù)為格柵的變形提供空間，使多層格柵無法全部發(fā)揮作用，減荷效果與單層格柵基本相同。具體表現(xiàn)為：①當(dāng)填土高度為45cm(模擬高度11.25m)時(shí)，TS5～TS7明洞洞頂垂直土壓力相差不大；當(dāng)填土高度由75cm(模擬高度18.75m)變到120cm(模擬高度30m)時(shí)，TS6，TS7與TS5相比，卸載率分別從4.0%，12.3%變到10.9%，11.8%。②當(dāng)填土高度為60cm(模擬高度15m)時(shí)，TS5～TS7明洞拱腳垂直土壓力相差不大；當(dāng)填土高度為150cm(模擬高度37.5m)時(shí)，TS6，TS7與TS5相比，卸載率分別為8.1%，12.2%。(4)明洞兩側(cè)填料的影響在低壓實(shí)土和土工格柵相結(jié)合的卸載措施基礎(chǔ)上，若提高明洞兩側(cè)填料壓縮模量，對(duì)于調(diào)整內(nèi)外土柱沉降差，提高卸載率有積極的作用，這一點(diǎn)可以從圖13中看出。對(duì)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(dāng)填土高度為90cm(模擬高度22.5m)時(shí)，TS8明洞洞頂垂直土壓力與TS7相比，減小率為11.0%。這是因?yàn)槊鞫磧蓚?cè)高壓縮模量的填料減小了外土柱的沉降，而內(nèi)土柱低壓實(shí)土的存在增大了內(nèi)土柱沉降，故相對(duì)總沉降差增大，有利于更多地將明洞頂荷載轉(zhuǎn)移到兩側(cè)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(shí)土的土拱效應(yīng)，土工格柵的“提兜效應(yīng)”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(zhì)，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(nèi)外土柱間的相對(duì)沉降，因此，可以把各種因素對(duì)土壓力的影響歸結(jié)為土體的相對(duì)沉降差變化。工程實(shí)際應(yīng)用中，綜合利用各種卸載措施，調(diào)整土體相對(duì)沉降，達(dá)到卸載目的。

3結(jié)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(shè)置低壓實(shí)土、鋪設(shè)土工格柵、提高明洞兩側(cè)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(shí)土、土工格柵、明洞兩側(cè)填料。因此，高填黃土明洞及其卸載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，保證邊坡穩(wěn)定的前提下，增大兩側(cè)邊坡坡角，并進(jìn)一步采取卸載措施相結(jié)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(wěn)定的趨勢；且明洞頂設(shè)置低壓實(shí)土?xí)苟错斖翂毫υ谔搶?shí)土接觸附近產(chǎn)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(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 中北大學(xué) 土木工程系