[硕士]高填方涵洞选址选型及地基承载力探讨_pdf
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华中科技大学 硕士学位论文 高填方涵洞选址选型及地基承载力探讨 姓名:马强
专业:岩土工程 指导教师:郑俊杰 20080527
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G.
CO
M
申请学位级别:硕士
摘
要
目前,由于对高填方涵洞的涵-土相互作用机理认识不足,设计人员未能充分考 虑地形和地基条件等因素对涵洞受力的影响以及高路堤下涵洞基础的埋深效应和地 基承载力的修正,对地基承载力提出了过高的要求。一方面造成经济浪费,另一方面 使涵顶应力集中现象加剧,给构造物带来安全隐患。
涵洞选址是否合理直接影响涵洞结构物的受力状态,同时决定着涵洞的使用功能 能否正常发挥。在不同的地形条件下,对涵洞结构型式的要求也不相同,涵洞选型是
型工作具有非常重要的实际意义。
在工程实践中,特别是在高填方情况下,为了使地基承载力满足设计要求,往往 需要投入大量的人力和物力进行涵洞基底的地基处理,这种做法是不经济的。高路堤 下的涵洞,填土相当于使涵洞基础具有埋深效应[1],可以显著提高地基承载力,深刻 认识埋深效应有助于指导高填方涵洞的地基承载力的确定。如果对地基承载力修正认 识不足,过分强调修正效果,会导致结构物因地基承载力不足,基底沉降和不均匀沉 降过大[2],甚至引起结构物或路面开裂,影响道路的正常使用。因此,合理确定高填 方路堤土压力分布状态、准确对地基承载力进行修正,成为高填路堤下构筑物设计和 施工中的突出问题。 高速公路对地基沉降控制严格[3],通常要求在使用期内路面的工后沉降不超过 30 cm,路桥搭接处不超过 10 cm。地基处理的费用占总投资的比重较大,对于高填方路 段,填土荷载大,基础底部的压力大,而且山区软弱地基具有自身的特殊性,因此选 取经济、有效的处理方法非常重要。
1.2 山区软土特征与涵洞选型选址研究现状
1.2.1 山区高速公路高填方路段特征 山区高速公路处于山岭重丘地形,山高坡陡,沟壑纵横,部分地区降水量充沛, 水田、山谷较多。山岭重丘区的软基路段多分布在一些山涧谷地、河流两侧的平缓地 段,这些软土大都具有以下特点[4,5]:
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Furthermore, the comparative analyses on the different ground treatment methods are
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bearing capacity is modified and the scope of the ground treatment is determined.
本论文属于
(请在以上方框内打“√” )
学位论文作者签名: 日期:2008 年 5 月 27 日
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不保密□。
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保密□ ,在_____年解密后适用本授权书。
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学位论文版权使用授权书
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日期:2008 年 5 月 27 日
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学位论文作者签名:
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指导教师签名: 日期:2008 年 5 月 27 日
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Abstract
At present, due to imperfect understanding of the designers to the soil-structure interaction of high fill culvert, the influencing factors of the landform and the ground conditions on the stresses of culvert, the embedding effect of the culvert foundation, and the modification of the ground bearing capacity are not considered sufficiently. As a result,
conducted in this thesis.
The research results show that the boundary conditions, the characteristics of ground soil and the eccentric load effect should be considered comprehensively in the culvert site and type selections. The vertical earth pressure increases with the stiffness of the ground and the width of the trench, the differential settlement of the foundation increases with the eccentric load effect. The stiff stratum and non-uniform ground soil should be avoided immediately below the culvert foundation, and the influence of unsymmetrical trench installation on the stress of culvert should be considered. At the bottom level, the foundation pressure can be regarded as the roadbed pressure in the design, since the
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structural hazard.
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earth pressure concentration on the top of culverts, which brings about the potential
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higher ground bearing capacity is required. It is wasteful, as well as aggravates the vertical
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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。
沉降越大。涵洞应避免直接设于坚硬土层或半硬半软地基上,同时应考虑沟谷中非对 称设涵对涵洞结构受力的影响。涵洞基底平均压力与其外侧相同标高下路基基底压力 相差不大,地基设计时可按两者相等考虑。涵洞地基处理后的承载力应考虑深度和宽
的选址、选型及地基设计具有重要的参考价值。
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关键词:高填方涵洞; 地基处理; 选址与选型; 现场测试; 有限元法; 地基承载力
laws of the stresses and displacements of the ground are analyzed and the influencing factors are discussed. In view of the embedding effect of the culvert foundation, the ground
与位移的变化规律,讨论了填土高度、边界条件、地基条件等因素对涵洞结构受力和 位移的影响。根据不同的地形条件,结合理论分析和数值模拟对高路堤下涵洞的选址
埋深效应,对涵洞地基承载力进行修正,确定了涵洞地基处理的范围,同时对不同地 基处理方法的效果进行了对比分析。
研究结果表明,涵洞的选址和选型应综合考虑地基条件、边界条件和偏载效应的
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selections are performed by theoretical analysis and numerical simulation. The variation
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on the complex orographic conditions, systematic researches on the culvert site and type
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否合理不仅决定着涵洞受力状态,也关系到工程造价的高低,因而开展涵洞选址与选
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结论、工程实例、工程资料较少。
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造物地基分布不均匀,而且有些地段含水量大,地基承载力极低,因而涵洞的受力及
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多。高填方路段,涵洞受到的填土荷载大,其基础底部的压力也大,同时由于山区构
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的要求和地形条件限制,使得山区高等级公路的高填方路基及相应的高填方涵洞较
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度修正,地基处理宽度可取 3 倍涵体宽度。本文研究成果对山区高速公路高填方涵洞
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影响。地基刚度和沟谷宽度越大,涵顶土压力越大;涵洞偏载效应越明显,涵底差异
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和选型进行了系统研究,分析了地基受力和变形特性及其影响因素。考虑涵洞基础的
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本文针对上述问题,结合现场测试、数值模拟和理论分析研究了高填方涵洞受力
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以明确方式标明。本人完全意识到,本声明的法律结果由本人承担。
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绪
论
1.1 涵洞选址选型与地基承载力研究的意义
随着西部大开发战略的实施,我国高速公路逐渐由东部沿海地区向中西部内陆山 区发展。我国西南和西北部分地区山岭较多,地势起伏大,由于高等级公路线形标准
变形特性极为复杂,很容易引起涵洞的应力集中及不均匀沉降等问题,致使山区高速 公路中很多高填方涵洞都出现了开裂、地基沉降过大等现象,有的甚至出现垮塌,严 重影响了公路的正常使用。 山区高速公路的相关研究工作开展较晚, 可以借鉴的经验、
According to these problems, the stresses and the displacements of high fill culvert are studied based on field test and FEM numerical simulation, as well as theoretical method in this thesis. The influence of the factors, such as the height of the fill, the boundary conditions of the culvert and the characteristics of the ground soil, etc., on the stresses and displacements of the soil-structure system, have been discussed in detail. Meanwhile, based
differential pressure is not obvious. The depth and width modification of the ground bearing capacity should be taken into account after improvement of the ground. The appropriate scope of treatment is about 3 times of the culvert width. The conclusions can provide valuable reference for site selection, type selection and foundation design of high fill culverts of expressway in mountain areas. Key words: high fill culvert; ground improvement; site and type selections; field test; finite element method; ground bearing capacity
专业:岩土工程 指导教师:郑俊杰 20080527
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摘
要
目前,由于对高填方涵洞的涵-土相互作用机理认识不足,设计人员未能充分考 虑地形和地基条件等因素对涵洞受力的影响以及高路堤下涵洞基础的埋深效应和地 基承载力的修正,对地基承载力提出了过高的要求。一方面造成经济浪费,另一方面 使涵顶应力集中现象加剧,给构造物带来安全隐患。
涵洞选址是否合理直接影响涵洞结构物的受力状态,同时决定着涵洞的使用功能 能否正常发挥。在不同的地形条件下,对涵洞结构型式的要求也不相同,涵洞选型是
型工作具有非常重要的实际意义。
在工程实践中,特别是在高填方情况下,为了使地基承载力满足设计要求,往往 需要投入大量的人力和物力进行涵洞基底的地基处理,这种做法是不经济的。高路堤 下的涵洞,填土相当于使涵洞基础具有埋深效应[1],可以显著提高地基承载力,深刻 认识埋深效应有助于指导高填方涵洞的地基承载力的确定。如果对地基承载力修正认 识不足,过分强调修正效果,会导致结构物因地基承载力不足,基底沉降和不均匀沉 降过大[2],甚至引起结构物或路面开裂,影响道路的正常使用。因此,合理确定高填 方路堤土压力分布状态、准确对地基承载力进行修正,成为高填路堤下构筑物设计和 施工中的突出问题。 高速公路对地基沉降控制严格[3],通常要求在使用期内路面的工后沉降不超过 30 cm,路桥搭接处不超过 10 cm。地基处理的费用占总投资的比重较大,对于高填方路 段,填土荷载大,基础底部的压力大,而且山区软弱地基具有自身的特殊性,因此选 取经济、有效的处理方法非常重要。
1.2 山区软土特征与涵洞选型选址研究现状
1.2.1 山区高速公路高填方路段特征 山区高速公路处于山岭重丘地形,山高坡陡,沟壑纵横,部分地区降水量充沛, 水田、山谷较多。山岭重丘区的软基路段多分布在一些山涧谷地、河流两侧的平缓地 段,这些软土大都具有以下特点[4,5]:
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Furthermore, the comparative analyses on the different ground treatment methods are
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bearing capacity is modified and the scope of the ground treatment is determined.
本论文属于
(请在以上方框内打“√” )
学位论文作者签名: 日期:2008 年 5 月 27 日
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不保密□。
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保密□ ,在_____年解密后适用本授权书。
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Abstract
At present, due to imperfect understanding of the designers to the soil-structure interaction of high fill culvert, the influencing factors of the landform and the ground conditions on the stresses of culvert, the embedding effect of the culvert foundation, and the modification of the ground bearing capacity are not considered sufficiently. As a result,
conducted in this thesis.
The research results show that the boundary conditions, the characteristics of ground soil and the eccentric load effect should be considered comprehensively in the culvert site and type selections. The vertical earth pressure increases with the stiffness of the ground and the width of the trench, the differential settlement of the foundation increases with the eccentric load effect. The stiff stratum and non-uniform ground soil should be avoided immediately below the culvert foundation, and the influence of unsymmetrical trench installation on the stress of culvert should be considered. At the bottom level, the foundation pressure can be regarded as the roadbed pressure in the design, since the
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本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。
沉降越大。涵洞应避免直接设于坚硬土层或半硬半软地基上,同时应考虑沟谷中非对 称设涵对涵洞结构受力的影响。涵洞基底平均压力与其外侧相同标高下路基基底压力 相差不大,地基设计时可按两者相等考虑。涵洞地基处理后的承载力应考虑深度和宽
的选址、选型及地基设计具有重要的参考价值。
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关键词:高填方涵洞; 地基处理; 选址与选型; 现场测试; 有限元法; 地基承载力
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与位移的变化规律,讨论了填土高度、边界条件、地基条件等因素对涵洞结构受力和 位移的影响。根据不同的地形条件,结合理论分析和数值模拟对高路堤下涵洞的选址
埋深效应,对涵洞地基承载力进行修正,确定了涵洞地基处理的范围,同时对不同地 基处理方法的效果进行了对比分析。
研究结果表明,涵洞的选址和选型应综合考虑地基条件、边界条件和偏载效应的
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结论、工程实例、工程资料较少。
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造物地基分布不均匀,而且有些地段含水量大,地基承载力极低,因而涵洞的受力及
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多。高填方路段,涵洞受到的填土荷载大,其基础底部的压力也大,同时由于山区构
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的要求和地形条件限制,使得山区高等级公路的高填方路基及相应的高填方涵洞较
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度修正,地基处理宽度可取 3 倍涵体宽度。本文研究成果对山区高速公路高填方涵洞
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影响。地基刚度和沟谷宽度越大,涵顶土压力越大;涵洞偏载效应越明显,涵底差异
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和选型进行了系统研究,分析了地基受力和变形特性及其影响因素。考虑涵洞基础的
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本文针对上述问题,结合现场测试、数值模拟和理论分析研究了高填方涵洞受力
M
以明确方式标明。本人完全意识到,本声明的法律结果由本人承担。
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绪
论
1.1 涵洞选址选型与地基承载力研究的意义
随着西部大开发战略的实施,我国高速公路逐渐由东部沿海地区向中西部内陆山 区发展。我国西南和西北部分地区山岭较多,地势起伏大,由于高等级公路线形标准
变形特性极为复杂,很容易引起涵洞的应力集中及不均匀沉降等问题,致使山区高速 公路中很多高填方涵洞都出现了开裂、地基沉降过大等现象,有的甚至出现垮塌,严 重影响了公路的正常使用。 山区高速公路的相关研究工作开展较晚, 可以借鉴的经验、
According to these problems, the stresses and the displacements of high fill culvert are studied based on field test and FEM numerical simulation, as well as theoretical method in this thesis. The influence of the factors, such as the height of the fill, the boundary conditions of the culvert and the characteristics of the ground soil, etc., on the stresses and displacements of the soil-structure system, have been discussed in detail. Meanwhile, based
differential pressure is not obvious. The depth and width modification of the ground bearing capacity should be taken into account after improvement of the ground. The appropriate scope of treatment is about 3 times of the culvert width. The conclusions can provide valuable reference for site selection, type selection and foundation design of high fill culverts of expressway in mountain areas. Key words: high fill culvert; ground improvement; site and type selections; field test; finite element method; ground bearing capacity