高填土公路箱涵垂直土壓力有限元模擬研究

《高填土公路箱涵垂直土壓力有限元模擬研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在學術論文-天天文庫。

1、高填土公路箱涵垂直土壓力有限元模擬研究　　摘要利用大型有限元軟件ANSYS，對高填土箱形涵洞進行施工過程模擬，分析涵洞土壓力的變化規(guī)律，討論溝槽寬度、邊坡系數(shù)及涵洞截面幾何尺寸對洞頂垂直土壓力的影響。關鍵詞:箱形涵洞;土壓力;有限元;模擬分析中圖分類號：U412.1文獻標識碼：A隨著我國公路大力發(fā)展，各類涵洞廣泛應用于公路工程中。為保證公路排水暢通，我國《公路設計規(guī)范》中要求每公里設置不少于四道涵洞，尤其我山西省地處黃土高原，大部分是山嶺區(qū)，大填大挖工程量較大，其它領域如水利、市政建設及能源等領域也在應

2、用涵洞進行排水。洞頂垂直土壓力為涵洞的主要靜荷載，尤其在高填方涵洞結構設計中起控制作用。對于溝埋式涵洞垂直土壓力的計算,上世紀初，Iowa州立大學的A.Marston、M.G.Spangler8等人對此進行了一系列的研究。以后許多學者的相關研究都是在此基礎上進行的。目前溝埋式涵洞土壓力的計算方法仍然不完善，《水工建筑物荷載設計規(guī)范》中不推薦相應的計算公式。本文采用大型有限元軟件ANSYS，對溝埋式涵洞土壓力進行模擬計算，分析溝槽寬度、邊坡系數(shù)及涵洞截面幾何尺寸等對洞頂垂直土壓力的影響。1.有限元模擬1.

3、1模型及參數(shù)國內外管道施工技術規(guī)定，管周回填土的夯實要求達到其最大夯實密度的95％，而在一般填土條件下，管周土壓力都處于非極限狀態(tài)。土是非線性壓縮體，其變形模量很大程度上隨應力狀態(tài)而變化，但當土體應力處于非極限狀態(tài)時，線性與非線性兩種理論對土體垂直壓應力的分析結果十分接近。本文將涵洞周圍土體和地基作為彈性介質。填土材料選用中密類碎石砂土，內摩擦角φ=30°,彈性模量Et=1.5×107Pa,容重γ=18kN/m3；地基彈性模量Ed=7.5×108Pa；對于鋼筋混凝土涵洞，也作為彈性體，彈性模量Eh=3×

4、1010Pa，泊松比μ均取0.167。模擬單元選用平面四節(jié)點Plane42類型單元?？紤]到管土的共同作用，在土與涵洞以及土與地基之間設置接觸對。與填土接觸的涵洞表面和地基面作為目標面，目標單元選用Targe169；與涵洞表面和地基面接觸的填土面作為接觸面，用Conta171和Conta172作為接觸單元。根據(jù)庫倫土壓力理論,填土與溝槽邊壁、涵洞結構的接觸單元摩擦系數(shù)分別取0.45和0.3。8考慮實際工程中的邊界條件、涵洞結構及填土加載過程等特點，將計算模型作為平面應變問題。由于結構與荷載的對稱性，取幾何

5、實體的一半進行計算，在對稱軸上施加對稱邊界，計算范圍左右兩側及地基底部邊界約束所有方向位移。模擬時，取高h和寬D都為2m的箱涵為例。1.2施工過程模擬在有限元整體計算中,回填土體是一次性施加全部荷載，各層土體的重量由整個結構(計算域內所有單元)承擔；而在有限元施工模擬計算中,計算域荷載是逐漸增加的，兩者在承載機理和形成的位移場上完全不同。土石壩、隧洞、邊坡及涵洞等工程建設中具有明顯的施工特點，荷載是隨著工程進度逐級施加到結構物上的，它們的有限元分析宜采用模擬計算。本文使用ANSYS的荷載步多重計算功能和

6、單元生死技術來實現(xiàn)土體分層填筑的施工過程模擬,洞頂填土高度H最大取到10D，分20層填筑。2.結果及分析2.1填土豎向位移分析8模擬計算時,填土壓縮變形在填筑過程中瞬時完成，不考慮其固結等時間因素的影響。也就是說，第i層土填完后，其自重由自身及其以下各層已填筑的土體承擔，它們的自重所引起的位移已經(jīng)完成,對其上部填筑的土體位移毫無影響，即這部分土重不再引起后續(xù)填土的位移，最上部填土的沉降位移較小；模擬地基剛度相對于土體剛度大得多，在填土作用下，下邊界沉降位移很?。ㄗ畲笪灰萍s1.5mm），域內各計算點的沉降

7、位移都由后續(xù)各填筑層土重對其產生的位移增量值累加而成。對于最下部土體，雖然所受上部土重相對最大，但其可壓縮高度相對較小，位移較小；填筑高度中部附近的土體，相對上部和下部土體而言，所受土重和可變形土體高度都較大，累積沉降位移最大。當洞頂填土高度較小時，回填土在自重作用下沉降，涵洞剛度大，其上土體沉降?。贿叡诘哪Σ潦蛊涓浇馏w沉降也??；土體剛度小，胸腔土體的土柱高，壓縮量大，其沉降位移大。此時，填土最大沉降位移點在胸腔上方，即涵洞的側上方。填土高度較大時，槽壁與其附近土體的接觸范圍擴大，這部分土體所受槽壁向

8、上的摩擦力越大，沉降位移相對較?。粶喜壑行木噙叡谧钸h，所受邊壁向上的摩擦最小。隨填土高度的增大，最大沉降位移點由原來的洞頂側上方逐漸轉移到溝槽中心。以溝槽底寬B與涵洞寬D之比B/D=5，溝槽邊壁系數(shù)m=0的溝埋式涵洞為例，圖1為施工模擬計算時回填土體垂直位移隨填土高度增加變化圖，最大沉降位移點的位置隨H的增大水平轉移的同時，在豎直方向不斷上升，基本處于洞頂填土高度H的（0.4～0.5）倍范圍內。(a)H=3D(b)H=5D8(c)H=10D