高填黃土明洞卸載結(jié)構(gòu)的垂直土壓力特性和計(jì)算方法研究.pdf

1、隨著黃土高原地區(qū)城市化進(jìn)程日趨加快，城市用地緊張成為了制約城市化進(jìn)程的主要瓶頸問(wèn)題。為滿足城市化發(fā)展用地的需要，考慮到黃土高原地區(qū)山高、溝深，削山、填溝造地成為了滿足這一需要的重要途徑，這將不可避免的對(duì)一些既有以及將要新建的公(鐵)路明洞進(jìn)行高回填。
　　目前對(duì)于既有及新建明洞，主要通過(guò)改變明洞自身設(shè)計(jì)而使其承受上方高填土的荷載作用，鮮有通過(guò)采用降低土壓力的卸載措施使結(jié)構(gòu)性能滿足要求。對(duì)高填黃土明洞卸載結(jié)構(gòu)力學(xué)分析及應(yīng)用措施的研究

2、不足。為此，本文通過(guò)數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行了高填明洞及其卸載結(jié)構(gòu)的洞頂垂直土壓力(以下簡(jiǎn)稱土壓力)特性研究，并在蘭渝線(蘭州-重慶鐵路)長(zhǎng)壽山隧道工程上做了驗(yàn)證，揭示了高填黃土明洞及其卸載結(jié)構(gòu)土壓力隨填土高度呈非線性變化規(guī)律，提出EPS板與土工格柵組合下的高填黃土明洞卸載模式；最后，基于巖土力學(xué)基本原理，建立了高填黃土明洞及其卸載結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型，進(jìn)一步推導(dǎo)了有、無(wú)邊坡影響的高填黃土明洞及其卸載結(jié)構(gòu)土壓力計(jì)算方法；并與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值

3、模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算方法的正確性及卸載措施的有效性。主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新如下：
　　(1)通過(guò)對(duì)黃土填料及卸載材料EPS板力學(xué)特性的試驗(yàn)研究，得到黃土不同壓實(shí)系數(shù)下的壓縮模量、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)以及EPS板壓縮特性隨密度、厚度的變化規(guī)律，為數(shù)值模擬及室內(nèi)外試驗(yàn)參數(shù)取值提供依據(jù)。
　　(2)通過(guò)建立高填黃土明洞及其卸載結(jié)構(gòu)平面應(yīng)變數(shù)值模型，對(duì)不同填土高度下明洞洞頂土壓力及土體沉降進(jìn)行了分析；并進(jìn)一步討論了填土特性、邊坡特性、明

4、洞斷面特性以及鋪設(shè)EPS板、土工格柵卸載材料的特性對(duì)高填方明洞洞頂土壓力的影響。研究表明，內(nèi)外土體沉降差導(dǎo)致明洞洞頂土壓力集中系數(shù)大于1，其中邊坡坡角、邊坡摩擦系數(shù)、明洞斷面形式、明洞槽寬比、兩側(cè)填土壓縮模量影響最為顯著；鋪設(shè)EPS板、土工格柵的卸載措施將有效減小明洞洞頂土壓力；且EPS板厚度、密度對(duì)卸載效果影響最大，而格柵剛度、層數(shù)的選擇取決于EPS板可提供變形量的大小。
　　(3)針對(duì)高填黃土明洞及其卸載結(jié)構(gòu)土壓力變化規(guī)律，分

5、別開(kāi)展邊坡、土工格柵、變形層形式三方面因素組合下七種工況室內(nèi)模型試驗(yàn)，并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比。研究表明，明洞洞頂土壓力并不隨填土高度呈線性變化；通過(guò)設(shè)置變形層改變內(nèi)外土柱沉降差，再結(jié)合土工格柵的“提兜”作用能夠有效的減小作用在明洞洞頂?shù)耐翂毫Γ磺液侠淼母駯艑訑?shù)、變形層設(shè)置方式更有利于提高土壓力卸載率。
　　(4)為了進(jìn)一步說(shuō)明高填黃土明洞及其卸載結(jié)構(gòu)土壓力變化規(guī)律在實(shí)際工程中的適用性。依托明洞回填工程，采用兩種試驗(yàn)工況，研究了明洞洞

6、頂土壓力隨填土高度的變化規(guī)律，并與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比。研究表明，明洞洞頂土壓力隨填土高度的增加呈非線性變化，以及設(shè)置變形層與土工格柵組合方式卸載措施的有效性；同時(shí)證明數(shù)值模擬方法研究高填明洞洞頂土壓力具有可行性。
　　(5)基于高填黃土明洞洞頂土壓力特性，運(yùn)用巖土力學(xué)理論，建立了高填黃土明洞及其卸載結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算模型；推導(dǎo)了有、無(wú)邊坡影響下的高填明洞及其卸載結(jié)構(gòu)土壓力計(jì)算公式；并與數(shù)值模擬及室外試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算方法的正確性