穿堤涵洞土拱效應模擬及對土石結(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?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上發(fā)現(xiàn)土拱效應對涵洞周邊填土應力和沉降有著顯著的影響，于是以考察土拱效應現(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理論研究進行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)土拱效應理論在土拱形狀、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行了闡述，同時進行了土拱效應計算基本原理的推導及確定了土拱效應土壓力集中系數(shù)計算方法。
其次，針對數(shù)值模擬過程中出現(xiàn)的初始地應力平衡、涵洞-土體接觸以及涵洞分層填筑施工問題進行了逐一分析，并確定了利用ABAQUS對這些問題的詳細解決方法。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)方法進行了詳細闡述。
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行了數(shù)值模擬，并發(fā)現(xiàn)了過程中土拱效應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)應力集中現(xiàn)象，填筑完成后，涵洞上部豎向應力都會因土拱的出現(xiàn)而小于自重應力值；（2）尺寸小的涵洞土拱效應現(xiàn)象較尺寸大的明顯，拱涵的拱效應較箱涵更為突出；拱涵上部填土的豎向沉降更加嚴重；（3）實際工程中合理夯實地基，避免剛度過大導致洞周應力過于集中；（4）土拱效應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，應力集中處應力減少近30%，利于涵洞的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。


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