涵洞土压力的研究趋势_王进福

衡法 ） 的适用情况与不足， 分析了国内外涵洞土压力的研究现状， 预测了涵洞土压力的 研究趋势。 关键词： 涵洞土压力； 计算方法； 研究趋势 中图分类号： TU449 文献标识码： A
涵洞 （管 ） 是埋设在填土下面的输水 （输气、 输油及供交通之 用的 ） 建筑物， 广泛使用于水利、 铁路、 公路、 能源、 市政和军工等 部门。根据埋设方式， 涵洞主要分为上埋式和沟埋式， 涵洞土压 力是涵洞设计的主要荷载，对涵洞土压力的研究有着重要的实 践意义和理论意义。
2 涵洞土压力的研究状况
1931 年由美国土木工程协会主席马斯顿 （A.Marston ） 教授提 出， 后经 Spangler 发展， 得到角系统的 Marston—Spangler 理论 。 马斯顿理论假设回填土在自重作用下产生沉降， 管顶填土 （内土 柱 ） 与其两侧填土 （外土柱 ） 的沉降不同产生沉降差， 管道除了承 受顶部填土的自重外，还承受由于外土柱沉降大于内土柱沉降 而产生的向下的摩擦力，因而管顶垂直土压力大于同高度土柱 压强。当填土达到一定高度时， 内、 外土柱的沉降相同， 形成等沉 面 （用 He 表示 ） 。据此， 可推得上埋式管道顶部垂直土压力的公 式：
Discussion on the Trend of the Research on Soil Stress of Culvert
WANG Jin-fu
ABSTRACT: This paper introduces the applications and shortages of some representative computing methods for soil stress of culvert such as the soil column method, soil pressure concentration factor method and bulk limit equilibrium method, analyzes the present situation of the researches on soil stress of culvert in China and foreign countries, and predicts the trends of the research on soil stress of culvert. KEY WORDS: soil stress of culvert; computing method; research trend
科技情报开发与经济 文章编号： 1005－6033 （2010 ） 23－0165-02
SCI-TECH INFORMATION DEVELOPMENT ＆ ECONOMY
20 10 年
第 20 卷
第 23 期
收稿日期： 2010－07－10
涵洞土压力的研究趋势
王进福
（广灵县水务局， 山西广灵， 037500 ） 摘 要： 介绍了涵洞土压力的典型计算方法 （土柱法、 土压力集中系数法和散体极限平
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涵洞土压力的典型计算方法
涵洞土压力的计算理论尚未成熟，目前应用较多的方法是
土柱法、 土压力集中系数法和散体极限平衡法 （以马斯顿散体极 限平衡法为代表 ） 等。 1.1 土柱法 土柱法假设涵管不改变土体的应力状态，把问题看作静力 平面问题，位于距地面深度为 H 处的涵管顶部任一点的垂直应 力是其土柱的压强， 土压力强度计算式为： σ= γ H （1 ） 土柱法认为涵管顶部垂直压力的合力等于涵管上面土体的 重力， 与土体性质无关。 《公路桥涵设计通用规范》 采用此法， 其 涵洞土压力偏小。 1.2 土压力集中系数法 在土压力集中系数法中， 洞顶垂直土压力强度表达式为 σ= KγH。考虑涵洞、 地基和边坡等因素的综合影响， 若使洞顶土体 的沉降小于其两侧土体的沉降， 则土压力集中系数 K>1； 若洞顶 土体的沉降大于其两侧土体的沉降， 则土压力集中系数 K<1； 若 洞顶土体的沉降等于其两侧土体的沉降， 则土压力集中系数 K= 1。 土压力集中系数法从理论上讲是合理的，但集中系数 K 的 确定是困难的， K 的大小及其变化规律受许多因素的影响。我国 铁路、水利和给排水规范采用此法，各规范的考虑角度不同， K 的取值不同。 1.3 散体极限平衡法—— —马斯顿理论 马斯顿理论根据内、外土柱的沉降差建立涵洞土压力计算 公式， 它对垂直土压力的描述简明扼要。在沟埋式涵洞的土压力 计算中， 它忽略了胸腔土体的变形和承载效应， 使垂直土压力的 计算结果偏大。
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沟埋式涵洞： Ct*=1（2c/γD ） （1-2 姨 k f ）
根据散粒体的极限平衡， 不考虑土体的凝 田文铎 （1994 年） 聚力， 提出类似与马斯顿理论的刚性管的土压力计算公式。对于 柔性管， 可在刚性管土压力公式的基础上乘以系数 α=
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姨
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Ep E
t 姨 r 姨
0
式中： Ep 为埋管材料的弹性模量； E 为回填土的变形模量； t 为管壁厚度； r0 为埋管平均半径。 林选青 （1989 年） 进行了上埋式涵洞土压力的现场测试， 洞 填土高度是洞径的 10 多倍， 得到洞顶土压力的变化特 高 3.2 m， 征：土压力系数随填土高度的增大而增大，填土超过一定高度 （H/D＝3～5 ） 后， 土压力系数不再增加或略有减小； 土压力系数与 地基和填土性质有关； 拱形涵洞的拱冠处土压力最大， 由拱顶到 拱脚逐渐减小。 Jun Tohda （1994 年） 通过离心模型试验， 研究柔性圆管顶部 土压力的分布和大小： 管道柔性越大， 土压力分布越均匀， 土压 力越小； 填土密度对土压力分布略有影响； 沟宽和沟深对土压力 有很大影响。 郝宪武 （1994 年 ） 、 白冰 （1998 年） 等利用有限元法对涵洞土 他们就洞顶铺设聚苯乙烯泡沫塑料 （EPS ） 等柔性 压力进行研究。 填料减小涵洞土压力的措施， 进行了定量分析。 杨锡武 （2003 年） 根据模型试验和数值模拟计算， 提出反映 高填方涵洞的土压力非线性增加及拱效应具有不稳定性的非 线性土压力计算方法，即采用公式 σ =ξγHn 计算高填方涵洞的 垂直土压力 （式中 ξ、 n 为回归系数， n ＜1） ， 并提出加筋桥减载的 高填方涵洞减载方法和减载结构计算理论， 在涵洞上方设置低 压实土的减载孔，其上一定高度范围铺设土工织物 —— —加筋， 形成加筋桥 。 加筋桥的减载效果明显，可使涵洞土压力减小 30％～40％。 李永刚 （2008 年 ） 对矩形沟槽埋涵的土压力建立了计算模型 和计算公式， 分析沟埋涵洞的土压力变化特点， 沟埋涵洞和上埋 涵洞的土压力统一计算方法。
本刊 E-mail:bjb＠sxinfo．net
综
述
G Annamalai （1989 年） 对印度涵洞设计标准进行讨论， 设计 标准中忽略了填土的黏性。试验表明土体黏性会使上埋式涵洞 的土压力增大， 使沟埋式涵洞的土压力减小， 提出不同类型涵洞 的土压力修正系数： C =1+ （2c/γD ） （1-2 姨 k f ） 上埋式涵洞：
* e
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涵洞土压力的研究趋势
涵洞土压力影响因素很多，沟埋式涵洞土压力的影响因素
沟槽边坡、 填土性质、 填土高度、 涵洞形状及其变 包括沟槽宽度、 形特征等， 使涵洞土压力的计算至今尚未形成比较完善的理论 。 （4 ） 涵洞土压力的研究趋势如下。 埋设涵洞的沟槽很宽或边坡很缓条件下，沟埋涵洞将变成 上埋式涵洞， 即上埋式涵洞仅仅是沟埋式涵洞的特殊形式。对沟 埋涵洞土压力的研究实质是对涵洞土压力理论的统一研究， 这 是趋势之一。 （5 ） 随着基础设施的大力建设， 涵洞顶部的填土高度越来越大， 原来的研究局限于 10 倍涵洞宽度的填土高度，这是不够的， 涵 洞高填方土压力研究是趋势之二。 小的涵洞土压力， 可节省工程量和投资， 通过洞顶铺设柔性 填料或采用加筋桥等措施可减小涵洞土压力，这是涵洞土压力 研究趋势之三。 参考文献 ［1］ Spangler M G.Underground conduits －an appraisal of modern .Transactions of the American society of civil engineers， research ［J］ 1948 （113 ） ： 316－345. ［2］ 武汉水利水电学院.土力学及岩石力学 ［M］ .北京： 水利电力 出版社， 1979. ［3］ 顾安全.上埋式管道及洞室垂直土压力的研究 ［J］ .岩土工程 1981 （1 ） ： 20－25. 学报， ［4］ Annamalai G， Shanmugasundaram J.Earth load on buried pipeline［J］ . Journal of the Institution of Engineers（India ） ， Part CI： Civil Engineering Division， 1989， 70 （3 ） ： 97－102. ［5］ 田文铎. 地下管垂直土压力计算探讨 ［J］ . 水利水电技术， 1994 （3 ） ： 8－14. ［6］ 林选青. 高填土下结构物的竖向土压力及结构设计计算方 法 ［J］ .土木工程学报， 1989， 22 （4 ） ： 27－37. ［7］ 杨锡武， 张永兴.山区公路高填方涵洞减载方法及试验研究 ［J］ .土木工程学报， 2005， 38 （7 ） ： 116－121. ［8］ 李永刚， 李珠， 张善元.矩形沟埋涵洞顶部垂直土压力 ［J］ .工 2008， 25 （1 ） ： 155－160. 程力学， ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─ 第一作者简介： 王进福， 男， 1954 年 9 月生， 1976 年毕业于 太原工学院， 工程师， 广灵县水务局， 山西省广灵县， 037500. （责任编辑： 薛培荣 ）
≤ ≤ ≤ ≤ ≤ 姨 ≤ ≤ ≤ ≤ ≤
H σ=γH+fKγH2/D+2c （1-2 姨 K f ） （H≤H） e D He H σ=γH+fKγ （2H-H） +2 c （1-2 姨Kf ） e （H>H） e e D D
（3 ）
2 K=tan（ 45-φ/2 ） 。 式中：
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王进福
涵洞土压力的研究趋势
≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤
γD 2fkH/D （e -1 ） （H≤H） e 2fk γD 2fkHe/D 2fkHe/D σ= （e -1 ） +γ （H-H） （H＞H） e e e 2fk σ=
（2 ）
式中： γ 为填土容重， kN/m3； D 为管道外径； f=tanφ （φ 为填土 内摩擦角 ） ； k 为侧压力系数； H 为管顶填土高度。 浙江大学曾国熙教授 （1960 年） 根据朗肯土压力理论， 对马 斯顿理论进行了修正， 计及土的黏聚力 c， 得出修正公式：
1.4
其他方法 “ 卸荷拱 ” 法以普氏卸荷拱理论为基础， 是俄国学者普罗托
吉雅科诺夫于 1907 年提出的。 “卸荷拱” 法认为， 涵管埋置较深 时， 滑动 （剪切 ） 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， 在涵管上方形成一个封闭区， 在封 闭区上方形成自然卸荷拱。此法不宜用于涵洞土压力计算。 顾安全计算公式从变形条件出发， 以弹性理论解为基础， 计 算洞顶平面内、 外土柱的沉降差， 进而计算洞顶附加土压力 。其 计算公式假定，管顶填土中的应力分布与半无限均质直线变形 体内的应力分布相当， 并且以刚性管道、 刚性地基作为推导计算 公式的基本情况。洞顶填土高度较小时误差较大。