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浙江大学硕士学位论文 装配式管型通道土压力和结构内力分析 摘要 构件预制化是地下工程设计和施工技术发展的必然趋势，装配式管道以其受 力合理、结构轻便、施工便捷等众多优点，在国内外高等级公路建设中广泛应用。 管道承受的土压力是管道结构设计的主要荷载之一，对土压力和管道内力进行深 入研究具有十分重要理论和工程意义。 本文首先用有限元软件p l a x i s 分析了管道截面形状、填土材料性质和填土 高度、碾压荷载以及结构刚度等因素对管土界面上的土压力分布模式的影响。其 次，将有限单元法、公路和铁路规范推荐方法、马斯顿法理论、浙江大学岩土工 程研究所提出的计算方法的计算结果以及足尺寸模型试验结果等进行了对比分 析，指出了各种方法的特点及适用性，为工程设计提供了重要依据。 最后，以泗许高速公路中预制装配式管道的工程应用为背景，基于土与结构 的相互作用，对管道结构内力进行了系统分析，并对结构体系的设计提出了优化 建议。 关键词：装配式管道；土压力；结构内力；有限单元法；模型试验 i i 淅江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 a b s t r a c t c o n s t r u c tp r e f a b r i c a t i o nh a sb e c o m ea ni n e v i t a b l et r e n di nt h ed e v e l o p m e n to f u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y f a b r i c a t e dt u n n e l sh a v e b e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e di nd o m e s t i ca n do v e r s e a sh i g h g r a d eh i g h w a yc o n s t r u c t i o n d u et oi t sr e a s o n a b l el o a d ，l i g h t w e i g h ts t r u c t u r e ，c o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o n ，e t c t h e e a r t hp r e s s u r ei so n eo ft h em a i nl o a d so ft u n n e ls t r u c t u r e i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o s t u d yt h ee a r t hp r e s s u r ea n dt u n n e li n t e r n a lf o r c e t h ei n f l u e n c el a wo ft h ee a r t hp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nm o d ei nt u n n e l s o i li n t e r f a c e i sa n a l y z e dw i t hp l a x i s ，i n v o l v i n gt h ee f f e c t so ft u n n e ls e c t i o ns h a p e ，f i l lp r o p e r t i e s a n df i l l d e p t h ，c o m p a c t e dl o a d ，s t r u c t u r es t i f f n e s s ，e t c c o m p a r i s o na n a l y s i so ft h e f u l l - s c a l em o d e le x p e r i m e n tr e s u l t sa n ds o m ec o m m o nm e t h o d s i sc a r r i e do u t ， i n c l u d i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，s t a n d a r dm e t h o df o rh i g h w a ya n dr a i l w a y , m a r s t o n st h e o r ya n dm e t h o dp r o p o s e db yi n s t i t u t eo fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gi n z h e j i a n gu n i v e r s i t y t h em a i nf e a t u r e sa n dt h e i ra p p l i c a b i l i t ya r ep o i n t e do u t ，w h i c h i sa ni m p o r t a n tb a s i sf o re n g i n e e r i n gd e s i g n b yt a k i n gt h ea p p l i c a t i o no ff a b r i c a t e dt u n n e l si ns i x uh i g h w a ya sab a c k g r o u n d ， t h ei n t e m a lf o r c eo ft u n n e ls t r u c t u r ei ss y s t e m i ca n a l y z e db a s e do ns o i l s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n o p t i m i z a t i o ns u g g e s t i o n sa r ea l s or a i s e df o rt h ed e s i g no fu n d e r g r o u n d s t r u c t u r es y s t e m k e yw o r d s ：f a b r i c a t e dt u n n e l ；e a r t hp r e s s u r e ；s t r u c t u r a li n t e m a lf o r c e s ；f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；m o d e lt e s t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸望盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝储虢彳弓彳誊越字嗍严7 年7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴敝储虢彳气悫他 签字日期：z 刀7 年7 月日 导师签名： 妓重丛 签字日期：谚卵i 年夕月同 浙江大学硕士学位论文 装配式管型通道土压力和结构内力分析 致谢 本文是在导师凌道盛教授的悉心指导下完成的，从论文选题到最后付梓的每 一点滴中都凝聚着导师的诸多心血与关怀。凌老师严谨的治学态度、勤勉的工作 作风和敬业精神、渊博的学识以及豁达的胸怀都让学生终身难忘，钦佩之余又深 受感动；凌老师多年以来不仅给了学生学业上的指导，也教给了我很多做人的道 理，这都将成为我今后工作与学习的宝贵财富，堪称良师典范。在本文即将结束 之际，谨向凌老师致以深深的敬意与最诚挚的谢意，并祝福凌老师和师母身体健 康工作顺利! 感谢岩土所的全体老师，他们对工作的兢兢业业给我留下了深刻的印象。感 谢陈云敏教授、边学成副教授在本文完成过程中给予的诸多帮助。特别要感谢的 是申文明师弟，在我论文完成过程中给予的指导和协助，我将铭记于心。在此谨 祝申兄学业顺利! 感谢师兄( 弟) 和好友：叶茂、王峥、许德胜、熊凯、吕铁墩、 陈锋、徐小敏、韩超、张飞霞、任涛、胡琦、徐正中、张智卿，陈若曦、丁金雷、 胡婷等在本人读研乃至工作期间给予的帮助，和他们结下的深厚友谊将终生难 忘。 衷心感谢参加论文评阅的专家、教授，感谢您们百忙之中给予的指导! 最后，要把一份特别的感激之情献给我的家人们。正是由于他们多年以来无 私的支持与爱护，自己才得以顺利完成学业。感激之情难于言表，唯有图日后之 报答。 何淳健 2 0 0 9 年6 月 浙大求是园 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 1 1 应用现状 第一章绪论 装配式管型通道是公路构造物的重要组成部分之一。管道设计应与所在公路 的等级、性质、使用任务和将来的发展需要相适应，遵循安全、适用、经济、美 观和有利于环保的原则，并考虑因地制宜、就地取材、便于施工和养护等因素。 在设计上应满足行车、排水、通航、跨越等基本要求。 我国目前公路常用的管型通道按自身构造不同可分为管涵( 通常用圆管涵) 、 盖板涵、箱涵、涵洞等。各类管道的构造及力学性能各不相同，优劣也不一样。 管涵对基础适应性及受力性能较好，圬工数量少，造价低，但一般只能用于小跨 径的暗涵；石盖板涵能就地取材，结构坚固，但跨径较小；钢筋混凝土盖板涵及 箱涵力学性能好，整体性好，对地基适应性强，但用钢量多，造价高。 在对各种工程实例的总结以及现有工程实践基础之上，工程师发现装配式管 型通道在高等级公路的应用上有着别的管道结构形式所不具有的特别优势，是一 种值得进行深入研究并广泛推广的技术。 首先，其受力较其他结构形式的管道更为合理。拱圈中受力形式以压力为主， 通过对拱圈样式的合理设计还可减小结构内力。 其次，结构尺寸小，结构轻便化。更优的内力设计可以减少建筑材料的使用， 减少了圬工材料和钢筋的使用，减少工程费用的同时减轻了结构的自重。 第三，施工工艺简单化。管道结构体在预制厂或者预制地点进行批量生产加 工，一方面保证了结构体的质量和统一性，另一方面使现场施工更加容易。另外， 采用装配式管型通道，可以缩短高速公路的建设周期、提高高速公路的路基质量， 延长高速公路的使用寿命。装配式管型通道投资成本低，具有广泛的应用前景。 第四，取消了明涵盖板，使结构本身更具有整体性。 目前，国内外地下工程的预制技术的研究，基本上是从两个方面开展的，一 个是部分预制的方法，另一个是全部预制的方法。日本在修建隧道衬砌仰拱时， 在某公路隧道采用预制构件和模筑混凝土结合的方法修筑仰拱，取得成功。日本 在仙台市地下铁道工程中，曾采用预制双跨箱形结构，箱体尺寸是1 1 0 9 2 m 淅江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 7 4 4 0 m 。整个结构分为顶板、底板、侧壁及中柱等5 个预制构件。设计中主要解 决构件的划分和轻量化、构件的纵向和上下紧固方法等问题。日法联合开发的大 型拱形结构的预制技术，在公路隧道的扩建中得到了实际应用。预制结构的最大 跨度已经达到1 2 m 左右。前苏联在铁路隧道装配式衬砌研究上，也有许多成功的 经验，同时开发出了砌块式和管片式的马蹄形装配式衬砌。上世纪八十年代，法 国就对装配式地下通道或地下人防设施进行了研究。他们将装配式结构划分为多 块管片通过接头连接，对其进行了设计计算研究和工程实际应用，取得了一定的 成功。在国内，秦岭特长铁路隧道中，仰拱采用预制化的构件，而拱和墙是现场 构筑的。 可见，构件预制化是地下工程设计和施工技术发展的必然趋势，具有质量便 于控制、建造速度快、成本低等优点，是一个国家地下工程技术发展水平的重要 标志之一。国外建设的经验表明，采用预制装配式管道可以缩短高速公路的建设 周期、提高高速公路的路基质量，延长高速公路的使用寿命。投资成本低，具有 广泛的应用前景。 1 2 研究现状 随着我国高等级公路建设的迅猛发展，公路中的管道结构物所占比重越来越 大。据粗略统计，在高等级公路路基中，每公里大约有3 4 座地下管道( 涵) ，可 见管道( 涵) 结构物使用量非常大，尤其在平原区，浅埋管道的使用更为广泛， 埋深一般在7 m 1 ) j , 内。对地下管道的研究主要包括两大方面，一是管道周围土压 力分布的研究，二是管道内力分析方法的研究。 1 2 1 土压力理论 土压力作为管道结构设计计算中的主要恒定荷载，其分析研究显得尤为重 要。目前关于管道土压力的计算方法可归纳为五大类： 一、散体极限平衡法 美国土木工程学会前主席马斯顿( a m a r s t o n ，1 9 3 0 ) 根据散体极限平衡理论， 导出了填埋式管道垂直土压力的计算公式。马斯顿理论基于三种假定：( 1 ) 剪切 面假定，即土体沉陷变形过程中，内、外土柱通过其界面即剪切面作相对运动， 2 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 并产生剪切力t ；( 2 ) 极限平衡状态假定，即内、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规律按抛物线假定。 马斯顿理论是建立在一定的试验研究基础上的，能较好地反映填埋式结构物 的受力特点。然而，这一理论是基于散体极9 k - y - 衡条件的土柱滑动面假设，与连 续介质的土体变形矛盾，对管道的绝对刚性假设也与实际不符；计算管侧土压力 忽略了管道曲线形状的影响，与真实状态也不相符；柔性管道与刚性管道的区别 不明确。后来，很多学者对m a r s t o n 理论进行了修正，改交其假定条件，研究了 各种极限平衡方法。苏联学者克列恩根据工程实际修正了m a r s t o n 管道竖向土压 力集中系数值，克列恩在著作散粒体结构力学( 1 9 6 4 ) 提出：作用在距地面 埋深不大的建筑物上的散粒体压力，假设建筑物本身不改变散粒体的极限应力状 态，把问题看成静力平面问题解决。我国通过实测取得了管道土压力计算的经验 系数，在公路桥涵设计通用规范( j t gd 6 0 2 0 0 4 ) 和铁路桥涵设计基本规 范( t b l 0 0 0 2 1 9 9 ) 中对m a r s t o n 理论计算的结果做了部分修正。曾国熙( 1 9 6 0 ) 将剪切面上的摩擦力由内土柱对外土柱的侧压力函数改为外土柱对内土柱的侧 压力函数，同时考虑了土体粘聚力的影响。 管道在工程中按埋设方式不同通常分为沟埋式管道和上埋式管道，如图1 1 和图1 2 所示。顾安全等( 1 9 8 1 ) 认为，沟埋式和上埋式管道之间没有截然的界 线，引入一个“沟谷影响系数”将沟埋式和上埋式管道的土压力计算统一起来。 刘全林( 2 0 0 1 ) 考虑了管土相对刚度及基床形式的影响，得到了一个滑动面为斜 面的上埋式管道垂直土压力的计算公式。 pl zf 一| p i 1 “t l t n i 订1t 拜h h w w譬d 一上 譬 p ； p 上 2 誊 一 丽h q 奇字 r 刁_ 岫$ 二 图1 1 沟埋式管道图1 2 上埋式管道 浙江大学硕士学位论文 装配式管型通道土压力和结构内力分析 二、土柱法 土柱法假定作用于管顶的土压力与填土高度成线性关系，将填土体视为液 体，于是，作用于管顶的作用力可表示为 g = z h d ( 1 1 ) 其中：y 一填土容重( k n m 3 ) 日一填土高度( m ) d 一管道平均外径( m ) 土柱法最本质的缺点在于：对填土体在沉陷变形过程中，由埋管和土体的相 对刚度不同，引起土体与管周中应力重分布加以否定。应力重分布的结果，使得 应力集中系数k s l 。因此，采用土柱法偏于不安全。但对于h i d 远大于1 2 时， 即高填方埋管，眙可近似取1 0 。 三、“卸荷拱 法 根据卸荷拱理论，认为当涵管埋置较深时，由沉降产生的滑动面不可能贯穿 填埋土体( 散粒体) 的整个厚度，而是到达一定高度后彼此连接，在涵管上方也 将形成一个封闭区，在封闭区上方形成自然卸荷拱( 抛物线形状) ，作用于涵管 上的压力等于破坏区所包括的土体重量，作用于涵管上的垂直土压力小于顶部土 柱的重量，而等于卸荷拱下的“移动”土体的重量，如图1 3 所示。 图1 - 3 “卸荷拱” 实际上，上埋式管道管顶很难形成卸荷拱，这与隧道式开挖成孔不同。上埋 式涵管，沉陷变形引起相当范围的填土体的应力重分布。而隧道式施工，仅破坏 周围局部范围的土体应力。填土中形成卸荷拱具备两个条件：一、管顶填土高度 达到一定值，二、管顶平面内、外土柱间要有一定的沉降差。一般填土施工条 件下，填土高度满足，但沉降差不足，管顶土压力有所减少，存在一定的拱效应， 但形成不了完成的卸荷拱。 4 x j i t l l i 上 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 此方法考虑了土与结构的相互作用，管顶土压力等于土柱的重量乘以一个系 数k 值( 称为压力集中系数) 计算，k 值一般 大f f - 1 0 。这种表达形式比较简 洁，设计人员乐于接受。近年来有限元分析法应用比较广泛，在其最终的表达式 中也常给出土压力集中系数。 五、以弹性理论解为基础的土压力计算法 图1 4 基于弹性理论的方法 以弹性理论解为基础的土压力计算，如图1 4 所示，认为由于管道变位，一 定范围内的填土体产生塑性屈服，应力条件满足m c 准测： 盯，一c c t a n 1 一s i n 莎 _-_-_-_。h o ，+ c c t a n 4 ) 1 + s i n b ( 1 2 ) 其中，q 为正应力的法向分量，为正应力的切向分量，c 为粘聚力，为 内摩擦角。 建立径向的平衡条件： 硎+ 2 a e d r s i l l 譬一( e r + 崛) ( 厂+ d r ) d o 一1 ，72 d r ( 2 r + d r ) d o = o ( 1 - 3 ) 从而求得作用于管道上的土压力： p c c t 锄枷咖( 肛1 + 瓦z r - _ 2 【。1 1 - ( 肛2j 4 ) “ 一z k 以弹性理论解为基础的管道土压力计算方法及理论依据明确，但需要测出土 体的粘聚力、内摩擦角、变形模量等土工参数，加上理论的一些假设，在设计中 的应用并不多。 国内对预制装配式管道的研究和应用相对起步较晚，目前还没有针对装配式 管道设计和施工的相对成熟的分析方法和设计理论。目前的研究通常单纯地从某 5 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 管道设计和施工的相对成熟的分析方法和设计理论。目前的研究通常单纯地从某 一个方面进行，并未深入探讨预制装配式管道这一特殊拱型的受力原理、与地基 路基的相互作用关系等方面的内容，还没有针对装配式管道设计和施工的相对成 熟的分析方法和设计理论。所以目前对于预制装配式管道的理论研究等各方面内 容都没有系统的认识，在工程实际使用情况方面的调查和研究更是欠缺。 1 2 2 管道内力 近半个世纪来，随着大管径装配式管道应用范围的不断扩大，国内外研究者 对装配式管道结构的受力性能进行了大量研究。在装配式管道结构的设计中，通 常采用的理论是假设管顶垂直土压力在管径范围呈均匀分布，运用结构力学方法 进行内力计算。 在管道周边受力情况已知的情况下，管道结构内力可以由结构力学的方法很 容易计算，但是由于管道属于地下埋置结构物，要考虑土与结构的相互作用，很 难在室内实验室模拟管道实际的复杂受力情况。国内外经常采用“三点法”加载 试验间接地评价圆形管道的受力性能。“三点法”是2 0 世纪2 0 3 0 年代由l o w a ! 1 1 立大学提出来的，由于试验设备简单，且能较好评价圆管的受力特性而一直在世 界各国被广泛采用。克列恩rk ( 1 9 6 1 ) 以刚性垫层作为管道的支承部分，按 照温克勒假设，确定在管周土压力作用下刚性垫层的支点反力变化曲线，根据弹 性中心法求解三次超静定圆环结构，从而进行结构内力分析。美国i ) 父f r a n kj h e g e r ( 1 9 6 3 ) 为代表的学者对装配式圆管的受力性能进行了大量的试验及理论 研究，大部分研究成果已被美国混凝土管协会采用。 在国内，应用比较广泛的是北京市市政工程设计院对于刚性座垫上圆涵管的 计算方法，该方法假设混凝土垫层与管体紧密结合，考虑垫层与管体的联合扰曲 工作，根据弹性中心法求解三次超静定变截面圆环结构。由于假设管体与垫层接 触面紧密结合，则仅垫层下面土壤反力的分布曲线与管道内力分析有关，而支承 接触面上支点反力将变为结构内部反应的计算问题。有限元方法也逐渐被广泛应 用于管道内力的研究。成国保( 2 0 0 3 ) 等利用有限元方法，计算分析了管道结构 与土体的共同作用，计算结果为管道的利用提供了理论依据。蒯行成( 2 0 0 2 ) 等 采用两种不同设计尺寸的管道，取管道和周围土体作为整体模型，考虑土与结构 6 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 相互作用，采用有限单元法对管道进行应力分析，计算结果定量地揭示了涵台墙 身刚度以及填土性质对拱圈应力的影响。李静静( 2 0 0 5 ) 等通过对装配式管道的 建模与有限元分析，得出管道在不同填土高度、不同汽车荷载等级作用下的最大 内力单元，以及每延米主筋配筋面积，并与其它形式的管道进行比较，总结出一 些装配式管道的设计方法和计算特征。 1 3 本文工作 本文首先对装配式管型通道采用有限元软件p l a x i s 进行建模分析，分别研 究了管道截面形状、填土材料参数和几何参数、碾压荷载以及结构刚度对管土界 面上土压力分布的影响。 其次，选取多种常用的土压力计算方法，如公路规范和铁路规范的算法、马 斯顿法、p l a x i s 有限元算法以及浙大岩土所推荐的两种算法，对一个典型的管 道进行分析，将计算结果和浙江大学模型试验实测值进行比较，分析了各种算法 的特点和适用性。 第三，以泗许高速公路中预制装配式管道的工程应用为背景，研究了管道周 围土体和管道结构的相互作用规律，对管道结构进行了内力分析，为结构优化设 计提供了技术支撑。 浙江大学硕士学位论文 装配式管型通道土压力和结构内力分析 第二章管道周围土压力分布的有限元分析 本章采用荷兰研发的大型岩土工程专业有限元软件p l a x i s 对管道周围土压 力分布模式进行分析，研究截面形状、填土的材料性质、施工工艺、结构刚度等 因素对土压力分布模式的影响。 2 1 有限元模型 p l a x i s 程序是荷兰开发的岩土工程有限元软件，是一个专门用于各种岩土 工程问题中变形和稳定性分析的二维有限元计算程序。程序使用简捷的图形界 面，方便用户根据代表性断面，快速生成几何模型和有限元网格。 p l a x i s 程序应用性非常强，能够模拟复杂的工程地质条件，尤其适合于变 形和稳定分析。该软件能够模拟的元素包括：( 1 ) 土体；( 2 ) 墙，板，梁结构； ( 3 ) 锚杆；( 4 ) 土工织物；( 5 ) 结构和土体的接触面。能够分析的计算类型有： ( 1 ) 变形；( 2 ) 固结；( 3 ) 稳定分析；( 4 ) 渗流计算。目前，该软件广泛应用 于道路、基坑工程、堤坝工程、地铁工程等方面的计算。 本文在建模分析中作如下基本假定： ( 1 ) 管道横截面沿轴向变化很小，对管道结构环向受力特性的影响较小， 可视为平面应变问题。 ( 2 ) 管道结构材料为线弹性材料，采用线弹性模型和板壳单元模拟，主要 材料参数包括重度、弹性模量和泊松比。回填材料为弹塑性材料，采用常用的m c 模型模拟，模型主要相关参数：土体重度、弹模、泊松比、内摩擦角、内聚 为q ( 3 ) 管道与土体之间存在相互作用。回填材料既是外荷载作用于管道上， 也是管道发生耦合变形的一种介质，管道与土体形成一个共同的超静定结构体 系。管土界面采用可考虑强度破坏准则的g o o d m a n 界面单元模拟。 2 2 截面形状对土压力分布的影响 管道( 涵洞) 按洞身构造可分为：圆管涵、盖板涵、拱涵、箱涵、倒虹吸管 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 涵、钢波纹管涵。按洞口构造可分为：八字式洞口、一字墙式( 端墙式) 洞口、 扭坡式洞口、平头式洞口、走廊式洞口、流线型洞口、跌水井式洞口，如图2 1 所示。 八字式洞口 扭坡武洞口 劈 一 一字墙式洞口 平头式洞口 走廊式洞口 流线型洞口 跌水井式洞口 图2 1 管道按洞身构造分类 由图2 1 可归纳出管道( 涵洞) 的几种典型截面形状：圆形截面，椭圆截面， 马蹄形截面和矩形截面，如图2 2 所示。下文分析这几种截面形状对管周土压力 分布的影响。 图2 2 典型的管道截面形状 用有限元软件p l a x i s 建模时，边界条件的选取遵循不影响管道应力扰动区 域，同时满足计算精度的要求。本文中模型边界选取为3 倍管宽左右，最高填土 9 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 高度为5 倍管高以上。有限元分析模拟分层填筑施工过程，每层填筑l m 。边界条 件为两侧土体水平约束，竖向自由，底部土体竖向约束，水平自由。 填土和管道结构材料参数，如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 选取的填土材料的性质 弹性模量e 内摩擦角 粘聚力c 土体材料泊松比u容重( k n m 3 ) ( 伊a ) 矽( o )( k n m 2 ) 粉土 1 5o 3 5 1 9 2 81 0 表2 2 管道结构的材料特性 参数数值单位 轴向刚度( e a )7 5 0 0 0 0 0k n m 抗弯刚度( e i ) 3 9 0 0 0k n m 2 m 等效厚度( d ) o 2 5m 容重( w )6 2 5k n m m p o i s s o n 比( t )0 1 6 7 2 2 1 圆形截面 选取一个半径为l m 的圆形截面，如图2 3 所示，在管上取a e 五点作为土压 力观察点进行分析，建立有限元模型如图2 4 所示，最大填土高度1 0 m 。 e a 图2 3 圆形截面 c p 肛 j p 。 ： p ， 睁 巾 t 螯。减。 箨：o + 鏊。 f 。”飘伊。i 图2 4 圆形管道有限元模型 浙江大学硕士学位论文 装配式管型通道土压力和结构内力分析 3 5 0 3 22 5 0 盏2 0 0 卅 毽1 5 0 燃 旧 鲁1 0 0 刊 簟 o 图2 5 选取点a - e 土压力随填高变化图 图2 5 给出了各观测点土压力随填土高度的变化曲线，图2 6 为典型填土高度 条件下的管侧土压力分布曲线。由图2 5 可见，a e 点处土压力随填土高度的增加 呈线性增大，处于管顶和管底的e 点和a 点土压力增长最快，处于管肩的d 点和b 点次之，管腰c 点最慢。由图2 6 可见，土压力分布形状随填高增加由蛋形越来越 接近橄榄形，并逐渐扩大。管顶的土压力大于左右管肩侧的土压力，并且随填高 增加差距越来越大。记a 点土压力为p ( a ) ，c 点土压力为p ( c ) ，e 点土压力为 p ( e ) ， 填土1 m 时，p ( e ) “1 3p ( c ) ，p ( e ) * o 3 5p ( a ) 填土5 m 时，p ( e ) 2 4p ( c ) ，p ( e ) z o 7 2p ( a ) 填土1 0 m 时，p ( e ) * 2 6p ( c ) ，p ( e ) o 8 2p ( a ) 图2 7 和图2 8 分别显示了p ( e ) p ( a ) 和p ( e ) p ( c ) 随填土高度的变化。图2 9 显示了管顶( e 点) 土压力集中系数随填土高度的变化情况。 填高1 m 1 7 ：2 8 3 5 填高5 m 图2 6 圆形截面土压力分布 l l 3 ：6 填高1 0 m 浙江大学硕士学位论文 装配式管型通道土压力和结构内力分析 图2 7e 点和a 点的土压力比值 图2 8e 点和c 点的土压力比值 图2 9 管顶( e 点) 土压力集中系数随填土高度的变化 由图可见，p ( e ) p ( a ) 和p ( e ) p ( c ) 随填土高度的增加从零逐渐增加，并趋 向一个稳定值，前者小于1 ，而后者大于1 。管顶土压力集中系数也随填土高度增 加而从1 逐渐增加，并最终趋于一个约为1 4 的稳定值。 2 2 2 椭圆形截面 当管道截面为椭圆时，称长轴沿水平方向的截面为a 型椭圆截面，称短轴沿 水平方向的截面为b 型椭圆截面。选a 型椭圆截面进行分析，管宽2 7 5 m ，管高2 m ， 如图2 1 0 所示，最大填土高度为1 0 m ，有限元模型如图2 1 l 所示。选取a e ：f f 点作 为土压力观察点进行分析。 1 2 浙江大学硕士学位论文 【 兰：! ! 型 j 图2 1 0 a 型椭圆截面 装配式管型通道土压力和结构内力分析 囹2 1 la 型椭圆管道有限元模型 图2 1 2 选取点a e 土压力随填高变化图 图2 1 2 为a e 点处土压力随填高的变化曲线。由图可见，各点土压力随填土 增加呈线性变化。同圆形截面相似，其中a 和e 点增幅最大，c 点增幅最小。图2 1 3 给出了a 型椭圆管道管土界面土压力分布随着填土高度增加的变化情况。 5 6 8 填高l m 1 6 1 0 填高5 m 2 9 - 1 0 填高1 0 m 图2 1 3a 型椭圆截面土压力分布 选取b 型椭圆截面分析，尺寸同前( 如图2 1 4 所示) ，建立有限元模型如图2 1 5 所示。在管上取a e 五点作为土压力观察点进行分析，图2 1 6 y 可n e 点处土压力随 1 3 |势n气 。ttiii；!f_r_-il； 1 j c 瑚 哪 撕 啪 啪 的 。 (生一r出刊匣芊l阻略州扣 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 填高的变化曲线，各点土压力随填土增加呈线性变化，变化规律同a 型截面。图 2 1 7 给出了b 型椭圆管道管土界面上土压力分布随着填高增加的变化情况。 图2 1 4b 型椭圆截面 8 9 2 填高1 m ” f7 i - o l l： 。 图2 1 5b 型椭圆管道有限元模型 o 24 681 0 管顶填土高度( - ) 图2 1 6 选取点a e 土压力随填高变化图 2 2 0 ! 填高5 m 图2 1 7b 型椭圆截面土压力分布 1 4 3 8 8 4 填高1 0 m 扣箍*雕雌q畦畸嚣户p n档舯皓埘辨”嚣” 1 蚓一 c 瑚 撕 抛 啪 啪 鲫 。 善_vr出刊叵燃恒昧刊缸 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 图2 1 8e 点和a 点的土压力比值 图2 1 9e 点和c 点的土压力比值 图2 2 0 管顶( e g ) 土压力集中系数随填土高度的变化 对圆形截面和两种椭圆截面的界面土压力分布情况进行对比分析，三种截面 尺寸：a 型椭圆截面和圆形截面的管高相等，管宽为圆形截面的1 4 倍左右；b 型 椭圆截面和圆形截面管宽相等，管高是圆形截面的1 4 倍左右。比较图2 6 ，2 1 3 和2 1 7 可见，在同样填土高度下三种截面土压力分布差异显著。图2 1 8 和图2 1 9 显示比值p ( e ) p ( a ) 和p ( e ) p ( c ) 随填高增加的变化情况，图2 2 0 显示了三种截 面管顶( e 点) 土压力集中系数随填土高度的变化情况。由图可以得出以下结论： ( 1 ) 随着填高增加，管顶压力的形状逐渐向管底反力的形状接近，管顶压 力大于左右管肩压力。 ( 2 ) 三种截面管顶e 点和管底a 点土压力比值随填土高度变化的趋势相同， 受截面形状影响很小。圆形截面和a 型椭圆截面管高相同，比值几乎一致，b 型 截面由于管高较大，比值小于圆形和a 型椭圆截面。 o 8 6 4 z o 8 6 2 o 2 l l l 1 l 0 o n n o 嵫导撩r田州兽肾缸 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 ( 3 ) 三种截面管顶e 点和管腰c 点土压力比值随填土高度的变化规律受截面 影响较大，b 型椭圆截面增长最快，a 型椭圆截面最慢。 ( 4 ) 相同填土高度条件下，圆形截面管顶土压力集中系数比a 型椭圆截面 大，但比b 型椭圆截面小。 2 2 3 矩形截面 选取矩形截面进行分析，尺寸为宽2 m ，高3 m ，如图2 2 1 所示，在管上取a e 五点作为观察点进行分析，有限元模型如图2 2 2 ，最大填土高度1 0 m 。 口一 图2 2 2 矩形管道有限元模型 024681 0 管项填土高度( _ ) 图2 2 3 管顶选取点a e 土压力随填高变化图 图2 2 3 给出了a e 点处土压力随填高增加而变化的规律。由图可见，各点土 压力随填土高度增加近似呈线性变化，p ( d ) 点增幅最快，p ( c ) 点增幅最慢。不 同填土高度管侧土压力分布如图2 2 4 所示。由于管型通道刚度较大，在顶板和底 1 6 嚣孙；：坤”搏n：，；，船，p蝣。t嘻款气 啪伽瑚啪啪毳耋耋三伽伽咖蓦|娜枷啪m 5 暑o (t生一r幽叫僵燃咀昧叫缸 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 板的两侧和边板接头处( d 点和b 点) 土压力突增。 对比矩形截面和椭圆截面，相同填土高度下，因为应力集中，矩形截面受最 大土压力的点比b 型椭圆截面上的任意点都要危险。 填高l m填高5 m填高1 0 m 图2 2 4 矩形截面土压力分布 针对土压力集中的情况，本文作者( 2 0 0 4 ) 提出了一种h 型数学网格自适应 技术，采用流形单元法对上述问题进行了进一步的分析。 2 2 4 马蹄形截面 选取马蹄形截面，尺寸为宽3 5 m ，高2 5 米，净高2 m ，如图2 2 5 所示。在管 上取五点a e 作为观察点进行分析，有限元模型如图2 2 6 ，最大填土高度1 0 m 。 l 吕 di 逞 g c8 lo 图2 2 5 马蹄形截面 1 7 图2 2 6 马蹄形管道有限元模型 龉蝣越嚣嚣勰瓤辨jq搏。 渐江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 5 雪。 r 出 4 - 13 足 癌 喧2 0 0 蛛 州 1 0 0 图2 2 7 管顶选取点a e 土压力随填高变化图 图2 2 7 给出了a e 点处土压力随填高增加而变化的规律。由图可见，各点土 压力随填土高度增加呈线性变化，p ( b ) 增幅最大，p ( c ) 增幅最小。图2 2 8 为不 同填土高度时管侧土压力分布曲线。由图可见，表明马蹄形截面顶板和边板上土 压力变化较均匀，变化规律和圆形截面相似的；但管底两侧出现突增，应力集中， 变化规律和矩形底板相似。 填高l m 2 8 0 2 填高5 m 填高1 0 m 图2 2 8 马蹄形截面土压力分布 综合比较以上截面形状对界面上土压力分布的影响，可以得出如下结论： ( 1 ) 圆形、椭圆形、马蹄形截面的管顶中心点都是随着填土增加土压力变 化最快的点( e 点) ，变化最慢的是管侧c 点。 ( 2 ) 矩形截面的顶板两侧是土压力变化最快的点，顶板和底板在与边板相 交位置上应力集中。 ( 3 ) 当管顶覆土厚度较薄时，管肩和管顶土柱高度相差较大，导致管顶中 1 r 浙江大学硕士学位论文 装配式管型通道土压力和结构内力分析 心法向土压力相对较小，管肩法向土压力相对较大。随着填土高度的增大，由于 刚度较大的管型通道对周围土体竖向变形的阻碍作用逐渐增强，导致管顶中心土 压力集中现象明显，管顶土压力大于管肩土压力。 2 3 填土材料性质对土压力的影响 由于马蹄形截面是装配式管道在工程应用中比较典型的一种截面形式，本节 选取马蹄形截面研究填土材料性质对土压力的影响规律。分析过程中，选取三种 典型的填土材料，其材料参数如表2 3 ，结构材料特性见表2 2 。 表2 3 填土材料参数取值 弹性模量容重 内摩擦角 粘聚力 土体材料泊松比“ ( 胁) ( k n m 3 ) 矽( 。) ( k n m 2 ) 碎石 2 0o 3 02 14 2l 粉土 1 50 3 51 92 8 1 0 粘土 1 00 4 2 1 61 51 5 图2 2 9 2 3 7 给出了碎石、粉土、粘土三种填土材料在填筑高度为l m 、5 m 和 1 0 m 时土压力分布变化情况，曲线图的横坐标0 0 代表底板和边板交界处，管顶为 9 0 。，如图2 2 5 所示。 1 9 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 善 、， r 幽 刊 厦 燃 旧 _ 鲁 - h 缸 1 言1 蓑1 器 囊 黑 盏 蚕 v r 幽 刊 匠 燃 倌 昧 刊 轴 02 04 06 08 01 分布角度( ) 2 2 0 灿雎j 雎叫叫划 图2 2 9 碎石填高l m 土压力分布 0 2 0d o6 08 0 分布角度( ) l 1 3 2 8 8 图2 3 0 碎石填高5 m 土压力分布 o2 04 06 08 0i 分布角度( ) 2 7 8 3 图2 3 l 碎石填高l o m 土压力分布 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 言 生 一 r 崮 州 厘 燃 强 昧 刊 缸 基 督 星- h 窿 黪 抽 蚕 一 r 出 刊 运 燃 喧 酴 刊 瓤 02 04 06 08 0 分和角度( 。) l o o 2 0 2 删m 幽圳u 、 图2 3 2 粉土填高l m 土压力分布 02 04 06 08 01 0 0 分布角度( 。) 1 1 7 2 图2 3 3 粉土填高5 m 土压力分布 02 04 06 08 01 0 0 分布角度( 。) 2 4 4 0 2 9 0 8 o 5 3 4 图2 3 4 粉土填高l o r e 土压力分布 1 9 浙江大学硕士学位论文 装配式管型通道土压力和结构内力分析 善 一 r 田 州 尽 蜞 旧 崃 刊 抽 善 一 r 幽 卅 厦 燃 暄 蠊 刊 舡 蚕 一 r 出 卅 尽 燃 埴 m 鲁 刊 掘 o 2 0 4 06 08 0 分布角度( ) 1 1 7 8 图2 3 5 粘土填高l m 土压力分布 o2 0 4 0 6 08 0 1 0 0 分布角度( ) 9 2 8 图2 3 6 粘土填高5 m 土压力分布 02 04 06 08 0l 分布角度( ) 1 8 9 7 1 0 9 3 2 8 6 4 1 图2 3 7 粘土填高l o m 土压力分布 8 0 1 7 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 图2 3 8 2 4 0 给出了三种填土材料在不同填高下土压力分布的对比情况。 04 0i 分布角度( 。) 图2 3 8 三种填土填高l m 土压力分布对比图 0 2 0 4 0 6 08 0l 分布角度( ) 圈2 3 9 三种填土填高5 m 土压力分布对比图 0 2 04 08 0l 分布角度( ) 图2 4 0 三种填土填高l o m 土压力分布对比图 从图2 2 9 2 3 7 可知，随着碎石填土填高增加，管顶土压力增加的速率大于管 科 站 鲫 蠲 嬲 孔 挖 博 帖 蚕vr坦州厦翠5喧昧刊缸 鲫 蚰 o 6_d：ir幽刊匠军旧睬卅抽 啪 啪 啪 m 啪 o (t生vr幽卅厘燃旧昧州缸 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 肩土压力增大的速率，右侧各图中分别标出了管顶、管肩中点处和管肩起点处的 土压力值。对比可知，当三种填土高度都为1 0 m 时，碎石在管顶的土压力值约为 管肩中点处的5 倍，而粉土约为3 倍，碎石约为2 倍。 由图2 3 8 2 4 0 = 种填土在不同填土高度的土压力分布对比图可以看出，当填 土高度较小时，随着角度0 增大，管土界面法向土压力先增大后减小，在2 0 0 时出 现拐点，这个拐点实际上就在边板和顶板的接头处。随着角度继续增大，碎石和 粉土在顶板上的土压力先增大后减小，在5 0 0 时出现最大值，呈近似抛物线形状。 边板大部分范围内，粘土填土引起的土压力最大，粉土次之，碎石最小。而在顶 板范围内；碎石最大，粉土次之，粘土最小。当填高较大时，管土界面法向土压 力随角度0 增大而增大，管顶位置压力最大，向两侧减小，碎石最明显，粉土、 粘土次之。填土材料性质对管周土压力分布模式影响不大，填高1 0 m 时，碎石填 土在管顶引起的土压力集中系数为1 3 1 ，大于粉土( 1 2 6 ) 和粘土( 1 1 3 ) 。 2 4 碾压荷载的影响 考虑填土过程中碾压荷载的影响。选取马蹄形截面，截面尺寸同前，最大填 高1 0 m 。根据公路桥涵设计通用规范( j t gd 6 0 2 0 0 4 ) ，车辆荷载简化等效为 0 6 m 2 r n 范围内作用1 4 0 k n ，即条形荷载11 7 k p a 作用宽度0 6 m 。本文采用满布的 均匀荷载模拟碾压过程，均布荷载强度为1 1 7 k p a 。计算过程中，首先填筑l m 填 土，然后施加均布荷载，再卸载均布荷载，开始下一层填筑。是否考虑碾压荷载 对土压力的影响如图2 4 1 2 4 3 示。 浙江大学硕士学位论文装配式管型通道土压力和结构内力分析 甜 3 2 ； r 出