穿堤涵洞土拱效应模拟及对土石结合部土压力分布影响研究.doc

穿堤涵洞土拱效应模拟及对土石结合部土压力分布影响研究

2.4万字 67页 原创作品，已通过查重系统


摘要
黄河流域的穿堤涵洞作为输水建筑物常常由于土质含沙量较大而遭受渗透破坏的影响，给当地的生产、生活带来巨大的安全隐患。而这类涵洞产生的渗透破坏往往发生在土石结合部，因此对于土石结合部土压力的研究显得尤为重要。
针对上述问题，本文在前人研究基础上发现土拱效应对涵洞周边填土应力和沉降有着显著的影响，于是以考察土拱效应现象为主来分析填土土压力和沉降的变化情况。对此，本文主要进行了如下工作，并得出一些有益结论，具体如下：
首先，通过对国内外已有的竖向土压力和土拱效应理论研究进行了综合分析，发现土拱效应理论在土拱形状、拱脚形式及机理等方面依旧不够完备，由此对土拱的基本概念进行了阐述，同时进行了土拱效应计算基本原理的推导及确定了土拱效应土压力集中系数计算方法。
其次，针对数值模拟过程中出现的初始地应力平衡、涵洞-土体接触以及涵洞分层填筑施工问题进行了逐一分析，并确定了利用ABAQUS对这些问题的详细解决方法。另一方面，选取了土体材料为Mohr-Coulomb模型，并对其机理和数值实现方法进行了详细阐述。
最后，利用有限元分析软件ABAQUS建立穿堤涵洞填筑模型，选取实测土体参数数据，并且针对四种不同因素：不同涵洞型式和尺寸、不同地基弹性模量、不同填土高度及洞周不同压实度填土分别进行了数值模拟，并发现了过程中土拱效应的形成及填土土压力、沉降变化情况，主要有如下结论：（1）任一工况下，涵洞边墙上部都会出现应力集中现象，填筑完成后，涵洞上部竖向应力都会因土拱的出现而小于自重应力值；（2）尺寸小的涵洞土拱效应现象较尺寸大的明显，拱涵的拱效应较箱涵更为突出；拱涵上部填土的竖向沉降更加严重；（3）实际工程中合理夯实地基，避免刚度过大导致洞周应力过于集中；（4）土拱效应随填土高度增加而越发明显，最终趋于稳定，填土沉降随填筑高度几乎呈线性增加；（5）洞周填土压缩性较小后可以明显改善涵洞的受力情况，弹性模量降低一半，应力集中处应力减少近30%，利于涵洞的结构优化。


关键词：穿堤涵洞；土拱效应；土石结合部；数值模拟；土压力分布