穿堤涵洞土拱效應(yīng)模擬及對土石結(jié)合部土壓力分布影響研究

2.4萬字 67頁 原創(chuàng)作品，已通過查重系統(tǒng)


摘要
黃河流域的穿堤涵洞作為輸水建筑物常常由于土質(zhì)含沙量較大而遭受滲透破壞的影響，給當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)、生活帶來巨大的安全隱患。而這類涵洞產(chǎn)生的滲透破壞往往發(fā)生在土石結(jié)合部，因此對于土石結(jié)合部土壓力的研究顯得尤為重要。
針對上述問題，本文在前人研究基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)土拱效應(yīng)對涵洞周邊填土應(yīng)力和沉降有著顯著的影響，于是以考察土拱效應(yīng)現(xiàn)象為主來分析填土土壓力和沉降的變化情況。對此，本文主要進(jìn)行了如下工作，并得出一些有益結(jié)論，具體如下：
首先，通過對國內(nèi)外已有的豎向土壓力和土拱效應(yīng)理論研究進(jìn)行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)土拱效應(yīng)理論在土拱形狀、拱腳形式及機理等方面依舊不夠完備，由此對土拱的基本概念進(jìn)行了闡述，同時進(jìn)行了土拱效應(yīng)計算基本原理的推導(dǎo)及確定了土拱效應(yīng)土壓力集中系數(shù)計算方法。
其次，針對數(shù)值模擬過程中出現(xiàn)的初始地應(yīng)力平衡、涵洞-土體接觸以及涵洞分層填筑施工問題進(jìn)行了逐一分析，并確定了利用ABAQUS對這些問題的詳細(xì)解決方法。另一方面，選取了土體材料為Mohr-Coulomb模型，并對其機理和數(shù)值實現(xiàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。
最后，利用有限元分析軟件ABAQUS建立穿堤涵洞填筑模型，選取實測土體參數(shù)數(shù)據(jù)，并且針對四種不同因素：不同涵洞型式和尺寸、不同地基彈性模量、不同填土高度及洞周不同壓實度填土分別進(jìn)行了數(shù)值模擬，并發(fā)現(xiàn)了過程中土拱效應(yīng)的形成及填土土壓力、沉降變化情況，主要有如下結(jié)論：（1）任一工況下，涵洞邊墻上部都會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，填筑完成后，涵洞上部豎向應(yīng)力都會因土拱的出現(xiàn)而小于自重應(yīng)力值；（2）尺寸小的涵洞土拱效應(yīng)現(xiàn)象較尺寸大的明顯，拱涵的拱效應(yīng)較箱涵更為突出；拱涵上部填土的豎向沉降更加嚴(yán)重；（3）實際工程中合理夯實地基，避免剛度過大導(dǎo)致洞周應(yīng)力過于集中；（4）土拱效應(yīng)隨填土高度增加而越發(fā)明顯，最終趨于穩(wěn)定，填土沉降隨填筑高度幾乎呈線性增加；（5）洞周填土壓縮性較小后可以明顯改善涵洞的受力情況，彈性模量降低一半，應(yīng)力集中處應(yīng)力減少近30%，利于涵洞的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。


關(guān)鍵詞：穿堤涵洞；土拱效應(yīng)；土石結(jié)合部；數(shù)值模擬；土壓力分布