隧道高回填路堑式明洞土拱效应下竖向土压力（论文）.pdf

·124 · 公路、铁路隧道进出口施工时，隧道埋置深度和上覆岩 体不足，或者是采用暗挖法施工，需要设计明洞与路堑衔接 结构，且明洞顶有时需要高回填。根据 TB 10003—2016 《铁 路隧道设计规范 》，明洞所受填土的垂直土压力等于结构上方 填土的自重应力，但是该规范只适用于明洞上方填土高度较 低的状态。当明洞结构填方较高时，受多种因素的影响，明 洞土压力已不再等于其上覆回填土的自重应力。 1 路堑式明洞填土中产生土拱效应的条件 众多文献表明，设置在沟状地形中的涵洞，在一定条件下， 其上方填土中会产生土拱效应，从而减小作用在涵洞上方的 土压力 ；对于路堑式明洞，在满足一定条件下，其上方填土 中也会产生土拱效应。 前人在研究平行挡土墙内填土中的土拱效应时指出，平 行挡土墙会对填土中的主应力方向产生影响，在填土中形成 小主应力拱，且小主应力拱的轨迹形状呈现出下凹的悬链线 形状。 在此 基础上，有人研究了 V形沟槽内的土拱效应，发现 由于倾斜边坡的存在，同样会使沟槽内填土中的主应力方向 发生偏转，导致小主应力拱呈现出下凹的圆弧形状。 Federico 等针对无侧向变形的填土，提出了“激发角”概念， 即填土没有发生侧向变形时，填土中不同应力状态下的摩尔 圆公切线的倾角 φmol，经过大量实测结果统计分析， Federico 得出了 φmol 与 φ的换算关系 ： φ mol=0.67 φ （ 1） 在前人研究 的基础上，应用激发角概念，并考虑填土的 粘聚力，对不同坡角下沟内填土中土拱效应的形成条件进行 分析。取边坡处某微元土体，该点处填土的主应力方向与各 个角度之间的关系及其摩尔应力圆，由各个角度之间的关系 可得到角 β与其他角度之间的关系为 ： 2 β+φmol+2ψ–π/2= π （ 2） 可得出以下关系式 ： β=π/4– φmol/2+ ε （3） 由于 θs=π–β，所以在边坡处填土的主应力 –水平方向的 夹角 θs为： θ s=3π/4+ φmol/2– ε （4） 由式（4）可知，影响 θs的因素有2个，分别是边坡坡角 和填土的内摩擦角，当填土的内摩擦角为定值时， θs与边坡 坡角 ε的关系如下 ： 1）当边坡坡角 ε<π/4+ φmol/2时， θs>π/2 ； 2）当边坡坡角 ε=π/4+ φmol/2时， θs<π/2 ；3）当边坡坡角 π/2≥ ε>π/4+ φmol/2 时， θs<π/2。 由 θs与边坡坡角 ε的关系可知 ：当 ε>π/4+ φmol/2 时，填土 上方将产生土拱效应，且填土内的小主应力呈现下凹的曲线 形 状 ；当 ε<π/4+ φmol/2 时，填土上方将不会产生土拱效应，此 时填土内不能形成向下凹的小主应力拱。 2 路堑式明洞土压力有限元分析 某隧道明洞为拱形明洞，明洞结构跨度 2 B=22.3 m，结构 凸出地面高度 H=11.0 m；明洞上方填土为 Q3eol黄土，洞顶最 大填土高度 h=40 m。 采用有限元软件 Midas-GTS NX ，对隧道高回填路堑式明 洞的整体受力结构进行数值分析，模拟过程的结构包括土体、 明洞结构、边坡、地基和浆砌体等，其中明洞上方填土采用 摩尔库伦本构模型，该模型按照理想弹塑性定义，该行为假 定对一般岩土材料的非线性分析是比较可靠的。 本文假定明洞衬砌、边坡、浆砌片石、稳定地基及明洞下 部加固地基为刚性，不考虑变形，故以上材料采用弹性本构模 型；为考虑填土与边坡、填土与明洞结构之间的摩擦，其填土 – 边坡、填土–明洞结构之间的界面采用界面单元进行模拟。 ［摘 要］ n 60 °?80 ° 25?AA? ?? ，Y?M(? Midas-GTS NX?e t \S ?B O?/?? ; ? ?:g? $? ?。?? \ ：?保垢 g亦? ， \Sh??N垢i?? ； \S垢B O ;保垢:g?其??亦 ； \S垢? O? h? ?