高填黄土明洞卸载模型试验研究范文

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《岩石力学与工程学报》2016年第五期

摘要：

为研究不同卸载措施下沟槽式高填黄土明洞垂直土压力、土体沉降变化规律，通过室内模型试验，对不同方案下的卸载效果进行对比分析。结果表明：增大填土边坡坡角、明洞顶设置低压实土、铺设土工格栅、提高明洞两侧填料压缩模量可减小明洞洞顶土压力，其中，增大边坡坡角卸载作用最优。与无边坡相比，明洞洞顶垂直土压力卸载率可达20.6%，若与低压实土形成的土拱效应及土工格栅的“提兜效应”相结合，有利于进一步减小明洞洞顶垂直土压力。同时，填土高度较低时，垂直土压力接近均匀分布；随着填土高度的增大，垂直土压力分布曲线随距明洞中轴线距离的增加呈先减小后稳定的趋势；低压实土的设置使明洞顶虚实土接触附近垂直土压力分布曲线出现突变。研究成果可为沟槽式高填黄土明洞卸载措施的设计和施工提供参考依据。

关键词：

土力学；沟槽式；高填明洞；垂直土压力；低压实土；土工格栅；沉降

1引言

黄土高原地区“千沟万壑，支离破碎”、山多地少。为了满足城市发展的需要，大规模的填沟造地，使既有明洞不可避免地出现高回填。由于原设计缺少对后期新增土压力的考虑，额外的土压力会使明洞产生裂缝、地基不均匀沉降等病害，严重影响结构的使用寿命。因此，高填方明洞卸载措施的研究，对减小明洞洞顶土压力、提高结构的耐久性、指导设计和施工具有积极的意义。高填方涵洞在国内外应用相对较多，对其受力、变形特性及卸载措施的研究也较广泛。N.G.Larsen和J.G.Hendrickson[1]对比未采取卸载措施和采用铺设干草进行卸载的管涵，得出铺设干草对于防止管涵开裂有积极的作用；J.A.Sladen和J.M.Oswell[2]在一定宽度的排洪管道上采用稻草和聚苯乙烯塑料泡沫珠粒卸载，使涵顶垂直压力仅是其上超载的20%～40%；顾安全等[3-7]研究了在涵(管)顶与涵侧分别铺设不同厚度EPS板的减荷效果，得出涵顶竖向土压力、涵侧水平土压力均显著减少，且由于土压力的减小，使得涵洞纵向的不均匀沉降得到改善，并通过现场试验、有限元计算及垂直土压力计算结果相互验证，证明了卸载措施具有良好的效果；马强等[8-10]对土工格栅加筋卸载法进行了机制分析，并通过现场试验、卸载计算公式，对影响涵洞顶土压力的主要因素进行了分析，同时采用数值模拟进行验证，结果表明，卸载孔高度越高、格栅铺设层数越多，卸载效果越明显；杨锡武等[11-14]通过室内模型试验，研究了狭窄沟谷中心设涵、宽坦沟谷中心设涵、狭窄沟谷岸坡设涵3种情况下土压力变化规律，证明了涵洞上方土拱效应的存在。对于高填黄土明洞卸载措施的研究，李盛等[15-16]在兰渝线高填明洞上进行了土工格栅现场卸载试验，并推导了无边坡影响的高填明洞卸载结构土压力计算方法。然而，目前对于沟槽式高填明洞卸载措施研究不足。为此，本文通过室内模型试验，研究边坡坡角、低压实土、土工格栅3种因素影响下的沟槽式高填黄土明洞垂直土压力、位移随填土高度的变化规律，以期为沟槽式高填黄土明洞卸载措施的设计、施工等提供参考。

2室内模型试验

2.1相似分析及试验装置按照相似比，自制长180cm×宽120cm×高150cm的填土模型箱。模型箱有足够的刚度保证加载过程中不会发生变形。在有机玻璃上用黑笔标记填土线位置，以便观测土体变形。由于本次试验主要研究土压力和位移随填土高度的变化规律，因此对明洞的材料不做要求。采用C30混凝土预制半圆形明洞模型，尺寸为长120cm×内径50cm×厚3cm。模型箱及明洞模型结构如图1所示。

2.2接触条件与填土材料(1)接触条件根据试验方案设计制作边坡，在明洞拱脚两侧10cm处用混凝土砌体堆积出边坡大样，然后用水泥砂浆进行涂抹并凿毛处理，使其具有一定的粗糙程度，保证与实际工程相符。通过改变混凝土砌块的数量来控制坡角的大小。边坡成型图如图2所示。(2)填土材料本试验黄土填料的物理、力学特性参数由试验测定，主要参数如下：重度17.7kN/m3，最优含水量15.25%，最大干密度1.58g/cm3，黏聚力31.11kPa，内摩擦角28.24°。采用人工分层填筑。为保证每层填土压实度统一为85%，试验前，按照一定的含水率将黄土拌合均匀；按照体积法，根据每层填土高度及压实度计算每层用土量，填土完成后，利用环刀法进一步检测每层土的压实度。

2.3模型试验方案共设置9种试验方案，具体见表1。在拱顶以上17cm处下挖15cm深的卸载孔，以便换填低压实土。土工格栅在拱顶以上17cm处开始布置，两端分别锚固在两侧边坡上，多层格栅竖向间距15cm。如图3所示。

2.4测点布置及测试为得到洞顶和拱脚垂直土压力变化规律，在距离明洞顶2cm处的平面上沿纵横向分别布置土压力盒，纵向间距40cm，横向间距10cm，随边坡坡角的增加，土压力盒的数量适当减少；在两侧拱脚外5cm处各布置1个土压力盒，具体布置见图4。土压力盒为27mm×10mm微型土压力盒，量程0～100kPa，为了保证测量精度，土压力盒埋置水平、工作面朝上，并在土压力盒的上、下两面均匀铺设一层细砂。为实现对土体沉降位移的观测，每次填土压实后，在压实填土上表面与有机玻璃交界处做白色标记线；通过测量白线与有机玻璃板上黑色填土线间的竖向距离，得到土体变形竖向位移。为测试填土过程中明洞结构竖向位移的变化情况，在明洞下表面架设机电百分表；通过观测百分表数值变化，实现对明洞自身结构位移的测试，具体布置见图5。首层填土高度为30cm，按照85%压实度均匀摊铺压实后，在预定位置布置土压力盒；其余每层按15cm填筑。当每层填土达到设计高度时，进行一次土压力、位移的测试和记录。

2.5试验测试结果根据模型试验方案，测得不同方案下明洞洞顶、拱脚垂直土压力，结果如表2，3所示。

2.6试验结果分析从表2，3可以看出，不同方案对明洞洞顶、拱脚及明洞洞顶同一平面垂直土压力分布、土体位移的影响程度不同。可归纳为四方面影响因素，包括边坡坡角、低压实土、土工格栅及明洞两侧填料。具体表现为：(1)边坡坡角的影响根据方案TS0～TS4，分析边坡坡角θ从0°变化到70°过程中，明洞洞顶、拱脚、明洞洞顶同一平面垂直土压力随填土高度的变化规律，结果如图6～8所示。从图6～8中可以看出，填土越高，坡角越大，明洞洞顶、拱脚土压力卸载效果越明显。这是由于填土越高，土体作用在边坡上的力越大，边坡对土体的反向上托摩擦作用越大。具体变现为：①当边坡坡角θ从0°变化到70°，填土高度为15cm(模拟高度3.75m)时，洞顶土压力由3.44kPa减小至2.98kPa，卸载率为13.4%；当填土高度为120cm(模拟高度30m)时，洞顶土压力由16.72kPa减小至13.27kPa，卸载率为20.6%。②当边坡坡角θ从0°变化到70°，填土高度为60cm(模拟高度15m)时，明洞拱脚土压力由7.89kPa减小至6.21kPa，卸载率为21.3%；当填土高度为120cm(模拟高度30m)时，土压力由14.39kPa减小至11.12kPa，卸载率为22.7%。

③不同边坡坡角对明洞洞顶同一平面垂直土压力分布的影响呈相似的规律。当填土较低时，明洞洞顶同一平面垂直土压力接近均匀分布；随着填土高度的增加，在1倍明洞宽度范围内，其土压力随距明洞中轴线距离的增大而减小，超过1倍明洞宽度，土压力趋于稳定。④明洞洞顶平面土体最大位移发生在1.2倍明洞宽度范围处，约为2mm，且坡角越大，最大位移发生点越靠近1倍明洞宽度处。机电百分表读数基本不变，说明明洞结构自身无竖向位移。(2)低压实土的影响依据卸载力学原理，在明洞洞顶开挖沟槽，并以低压实土填充，有利于调整明洞内外土柱相对沉降差，使应力重分布，从而起到卸载作用。通过方案TS4，TS5，研究有、无低压实土对明洞洞顶、拱脚垂直土压力的影响，结果如图9，10所示。从图9，10中可以看出，铺设低压实土使明洞洞顶垂直土压力减小，拱脚垂直土压力增加，且随着填土高度的增加，洞顶卸荷率逐渐减小。这是由于明洞顶设置低压实土后，明洞宽度范围内的土体沉降变形大于两侧土体；随着填土高度的增加，低压实土逐渐被压实，内外土柱相对变形减小。具体表现为：①当填土高度为45cm(模拟高度11.25m)时，TS5洞顶土压力为5.30kPa，与TS4相比，卸载率为22.7%；当填土高度为105cm(模拟高度26.25m)时，TS5洞顶土压力为10.66kPa，与TS4相比，卸载率为12.7%。②当填土高度为60cm(模拟高度15m)时，TS4，TS5拱脚土压力分别为6.21，6.53kPa，TS5与TS4相比增大5%；当填土高度为120cm(模拟高度30m)时，TS4，TS5明洞拱脚垂直土压力分别为10.20，12.90kPa，TS5与TS4相比增大26%。③由于低压实土的存在，明洞洞顶同一平面垂直土压力在1倍明洞宽度处出现突变。沉降基本发生在明洞顶，最大变形量约为22mm。

(3)土工格栅的影响在低压实土上方铺设土工格栅，可进一步使明洞洞顶、明洞拱脚垂直土压力减小。对比方案TS5～TS7，研究土工格栅对明洞洞顶、拱脚垂直土压力的影响，结果如图11，12所示。从图11，12中可以看出，铺设土工格栅可进一步减小作用在明洞洞顶、拱脚的垂直土压力，但多层格栅卸载效果并不明显。这说明土工格栅的铺设可以起到一定的卸载作用，但随着填土高度的增加，逐渐被压实的低压实土无法继续为格栅的变形提供空间，使多层格栅无法全部发挥作用，减荷效果与单层格栅基本相同。具体表现为：①当填土高度为45cm(模拟高度11.25m)时，TS5～TS7明洞洞顶垂直土压力相差不大；当填土高度由75cm(模拟高度18.75m)变到120cm(模拟高度30m)时，TS6，TS7与TS5相比，卸载率分别从4.0%，12.3%变到10.9%，11.8%。②当填土高度为60cm(模拟高度15m)时，TS5～TS7明洞拱脚垂直土压力相差不大；当填土高度为150cm(模拟高度37.5m)时，TS6，TS7与TS5相比，卸载率分别为8.1%，12.2%。(4)明洞两侧填料的影响在低压实土和土工格栅相结合的卸载措施基础上，若提高明洞两侧填料压缩模量，对于调整内外土柱沉降差，提高卸载率有积极的作用，这一点可以从图13中看出。对比TS7，TS8明洞洞顶垂直土压力变化曲线，两者总体卸载趋势一致，但TS8卸载效果较好。当填土高度为90cm(模拟高度22.5m)时，TS8明洞洞顶垂直土压力与TS7相比，减小率为11.0%。这是因为明洞两侧高压缩模量的填料减小了外土柱的沉降，而内土柱低压实土的存在增大了内土柱沉降，故相对总沉降差增大，有利于更多地将明洞顶荷载转移到两侧土体中。从以上卸载措施可以看出，边坡的上托摩擦作用，低压实土的土拱效应，土工格栅的“提兜效应”均能起到卸载作用。填土过程中，每层填土既是荷载，又是介质，影响土压力因素很多，但各种因素的变化均引起明洞顶平面内外土柱间的相对沉降，因此，可以把各种因素对土压力的影响归结为土体的相对沉降差变化。工程实际应用中，综合利用各种卸载措施，调整土体相对沉降，达到卸载目的。

3结论

(1)高填明洞洞顶垂直土压力随填土高度的增加呈非线性变化。增大边坡坡角、明洞顶设置低压实土、铺设土工格栅、提高明洞两侧填料压缩模量有利于减小明洞洞顶土压力。其中，边坡坡角影响最显著，其次为低压实土、土工格栅、明洞两侧填料。因此，高填黄土明洞及其卸载结构设计中，保证边坡稳定的前提下，增大两侧边坡坡角，并进一步采取卸载措施相结合的方式，可最大限度提高卸载率。(2)高填明洞洞顶同一平面垂直土压力随距明洞中轴线的距离并不是呈均匀分布；随着填土高度的增大，不同填土边坡坡角的明洞洞顶垂直土压力分布呈先减小后稳定的趋势；且明洞顶设置低压实土会使洞顶土压力在虚实土接触附近产生突变。

作者：马莉 李盛 王起才 耿少波 张延杰 李建新 单位：兰州工业学院 土木工程学院 兰州交通大学 土木工程学院 中北大学 土木工程系