高填方土体中刚性构筑物土压力调整方法.pdf

本发明公开了一种高填方土体中刚性构筑物土压力调整方法，通过在填方土体结构物上换填泡沫板材料，就可定量达到使结构物所承受的土压力强度减小。本发明先确定出达到合理减荷效果时所需换填材料板的厚度，密度和模量；再根据填方土体内刚性构筑物的几何尺寸、断面形式，确定出合理换填材料的埋设宽度；最后，将已确定的密度，厚度，宽度的换填材料铺设在土中结构物上部，其上再铺设细粒土后，按正常施工方法继续进行碾压施工即可。本发明降低结构物所承受的土压力强度，并使作用在结构物上的土压力分布趋于合理，改善结构的受力情况，避免结构的局部破坏，总体上降低工程造价和减少维护费用。

1.  高填方土体中刚性构筑物土压力调整方法，其特征在于，通过在填方土体结构物上换填泡沫板材料，就可定量达到使结构物所承受的土压力强度减小，包括以下步骤：
首先，确定出达到合理减荷效果时所需换填材料板的厚度，密度和模量；
然后，根据填方土体内刚性构筑物的几何尺寸、断面形式，确定出合理换填材料的埋设宽度；
最后，将已确定的密度，厚度，宽度的换填材料铺设在土中结构物上部，其上再铺设30cm-50cm厚细粒土后，按正常施工方法继续进行碾压施工即可。

2.  根据权利要求1所述的高填方土体中刚性构筑物土压力调整方法，其特征在于，所说的确定材料板的厚度、密度和模量，按以下步骤进行：
首先，先确定换填材料板密度ρ＝18～30kg/m³；
然后，在设定的填土高度H和合理减荷效果K＝0.3～0.4的条件下，由公式：
                  ΔP＝0.005Δh²+16.522Δh+7.1306            (1)
求出减荷材料的变形量Δh；其中，Δp＝(1-K)×γH，K-垂直土压力系数，γ-填土容重，H-填土高度；
然后，根据公式
                    ε_y＝2.449ρ+13.469             (2)
                    E＝0.0864ρ-0.41278             (3)
求出硬化应变ε_y；其中，ρ-材料密度，E-弹性模量；都为已知量；
最后，根据所求出的硬化应变ε_y和减荷材料的变形量Δh，由公式：
h = Δh ϵ y - - - ( 4 ) ]]>
求出所需要的合成泡沫材料板的厚度h。

3.  根据权利要求1所述的高填方土体中刚性构筑物土压力调整方法，其特征在于，所说的换填材料的铺设宽度可按下式确定：
不同形式土中结构物的B/D值可用下式表示：

根据式(5)，定义土中结构物的外径宽度为D，单位为米；定义换填材料的铺设宽度为B，单位为米；即可确定换填材料的铺设宽度。

高填方土体中刚性构筑物土压力调整方法
技术领域
本发明属于交通土建，特别涉及一种能够改善土中构筑物顶部及周边土压力分布，使结构受力趋于合理的高填方土体中刚性构筑物土压力调整方法。
背景技术
就目前来讲，经技术查新，国内的相关研究有《岩土力学》中白冰关于《高填土下刚性结构物竖向土压力减荷方法》一文中分析了影响上埋式结构物周边土压力分布的各种因素，提出了在结构物顶部填筑聚苯乙烯泡沫塑料来减轻上埋式结构物竖向土压力的方法，并利用数值分析的手段给出了采用该方法后结构土压力的变化及可供参考的土压力计算值。国外的相关研究如TransportationResearch Record，n 1415，193，p58-68.Load reduction on rigid culverts beneath highfills，通过足尺模型试验报道了在地埋刚性结构物顶部铺设聚苯乙烯等可压缩性材料可减小其上竖向土压力的情况及其效果，同时还讨论了涵洞周围的压缩变形和减小土压力的效果之间的关系。Proceedings of the International Conference onSoil Mechanics and Foundation Engineering，v2，Deformation of Soils andDisplacements of Structures X ECSMFE，1991，p771-774.Load reduction on buriedrigid pipes.文中描述了利用减弱沟槽方法进行的一组足尺试验，认为聚苯乙烯作为压缩性的材料，其耐久性是很出色的；还将测试的土压力和利用有限元程序CANDE进行计算的结果、建议方法的结果做了对比分析。综上所述国内外相关文献中有通过模型试验、现场试验及有限元分析方法，提出了利用高压缩(聚苯乙烯泡沫)材料埋设在结构物顶部可起到减小结构物顶部垂直土压力的效果。但对不同结构类型，在达到即减小结构物顶部竖向土压力，又减小结构水平向土压力，同时达到合理减荷效果时减荷材料的尺寸、模量、及柔性材料在土体中的埋设范围没能提出具体、科学、定量与效果可再现的成果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够合理调整高填方土体中刚性构筑物土压力强度与分布的方法，具有使用简便、适用性强、效果定量的显著的特点。
本发明的技术方案是这样实现的：
通过在填方土体结构物上换填泡沫板材料，就可定量达到使结构物所承受的土压力强度减小的目的，包括以下步骤：
首先，确定出达到合理减荷效果时所需换填材料板的厚度，密度和模量；
然后，根据填方土体内刚性构筑物的几何尺寸、断面形式，确定出合理换填材料的埋设宽度；
最后，将已确定的密度，厚度，宽度的换填材料铺设在土中结构物上部，其上再铺设30-50cm厚细粒土后按正常施工方法继续进行碾压施工即可。
所说的确定材料板的厚度、密度和模量，按以下步骤进行：
首先，先确定换填材料板密度ρ＝18～30kg/m³；
然后，在设定的填土高度H和合理减荷效果K＝0.3～0.4的条件下，由公式：
                  ΔP＝0.005Δh²+16.522Δh+7.1306            (1)
求出减荷材料的变形量Δh；其中，ΔP＝(1-K)×γH，K-垂直土压力系数，γ-填土容重，H-填土高度；
然后，根据公式
                ε_y＝2.449ρ+13.469               (2)
                 E＝0.0864ρ-0.41278                (3)求出硬化应变ε_y；其中，ρ-材料密度，E-弹性模量；都为已知量；最后，根据所求出的硬化应变ε_y和减荷材料的变形量Δh，由公式：
h = Δh ϵ y - - - ( 4 ) ]]>
求出所需要的合成泡沫材料板的厚度h。
所说的换填材料的铺设宽度可按下式确定：
不同形式土中结构物的B/D值可用下式表示：

根据式(5)，定义土中结构物的外径宽度为D(单位为米)；定义换填材料的铺设宽度为B(单位为米)；可确定换填材料的铺设宽度。
本发明在高填方土体中的刚性构筑物上部埋设一定厚度和范围的柔性材料，从而起到调整土压力分布和降低工程造价，避免结构物破坏的工程作用。对埋设在填方路堤中的构筑物可按其断面形式分别达到预定的(k＝0.3～0.4)土压力减荷效果，将作用在结构物上部和周边的部分土压力消化在周边土体中。构筑物顶部土压力可减20％～60％，整个结构断面上土压力分布趋于合理，从而改善结构受力状况，降低工程成本，减少工程病害。
附图说明
附图是本发明的合成材料应力应变曲线图。
具体实施方式
本发明具体按如下步骤进行：
1.本发明根据大量实测结果分析后提出，在给定填土高度和减荷效果的条件下，由公式：
             ΔP＝0.005Δh²+16.522Δh+7.1306                 (1)
求出Δh，其中，Δp＝(1-k)*γH，K-垂直土压力系数，γ-填土重度，H-填土高度，为已知和已确定参数。
2.另外，参照附图所示，根据大量室内试验表明低密度合成泡沫材料板的应力—应变曲线均近似为三段折线。其中定义曲线第一个拐点所对应的应变为ε_e，定义该点所对应的应力为屈服应力，该点与坐标原点所连直线的倾角即定义为弹性模量。定义第二个拐点所对应的应变定义为硬化应变ε_y，本方法认为当应变超过该点之后，合成材料开始进入硬化阶段，逐渐失去减荷作用，故将ε_y作为达到最佳减荷效果的标志。本方法试验研究结果证明材料密度ρ与ε_y和弹性模量E间都存在着很好的线性关系。用公式(2)和公式(3)表示：
                     ε_y＝2.449ρ+13.469                    (2)
                      E＝00864ρ-0.41278                     (3)
因所购材料的ρ已知，从而用式(2)可求出所选定的合成泡沫材料板的ε_y，代入公式：
h = Δh ϵ y - - - ( 4 ) ]]>
即可求出所需要的合成泡沫材料板的厚度h。
不同填土高度情况下合成材料参数的选择还可参考下表：
表一填土高度、密度及材料厚度选择参考表

注：本表仅适用于K＝0.4，γ＝20kN/m³地情况，其他情况可根据上述方法计算而得。
3.本方法已利用有限元分析法和试验研究法对不同土中结构物几何尺寸、断面形式及不同换填的材料铺设范围进行了力学计算和分析，得出在不同条件下结构物周边土压力的分布规律，然后根据不同结构的受力特点，确定出在相应条件下使结构受力达到合理分布时的换填材料的埋设宽度。则不同断面形式结构在达到合理减荷效果时换填材料的埋设宽度可按下面所示方法进行确定选用：
定义土中结构物的外径宽度为D(单位为米)；定义换填材料的铺设宽度为B(单位为米)；其中D为土建设计已确定的参数。则经本方法研究认为，不同形式土中结构物的B/D值可用下式表示：

根据式(5)，可确定换填材料的铺设宽度。
若不用式(5)，还可查表二进行确定：
表二不同土中结构物断面形式与换填材料合理埋设宽度表

4.现场施工中，将已确定密度的合成泡沫材料，按本方法确定的厚度、宽度埋设铺筑在土中构筑物的顶部。然后人工回填30cm厚细粒土，其上可按正常设计的碾压工艺进行填方施工。
实施例一：
上拱结构：
其结构尺寸与计算参数为：净高3.4m，净宽3.6m，平均外径尺寸8.1m，突出地面高度4.5m圆弧拱半径为1.8m，拱圈厚度为75cm，基础厚度为1.5m，地基土为砂砾石，其土模量为2.5×10⁵Kpa，填土高度36.5m，填土重度γ＝20kN/m³。
a.换填材料厚度的确定
首先根据市场情况，按价格、性能比原则确定换填材料的密度为ρ＝30kg/cm³。
然后，依据填土高度，取K＝0.4，根据公式(1)可求出变形量Δh＝26.0cm。其次，根据公式(2)、(3)，求出对应于密度为30kg/m³的泡沫板所对应的硬化应变ε_y＝0.75，弹性模量E＝1.75MPa。
最后将求出的变形量Δh和硬化应变ε_y值代入公式(4)，即可求得对应该填土高度H＝36.5m，K＝0.4时，密度为30kg/m³泡沫板的厚度为h＝30.0cm。
b.换填材料埋设宽度的确定
根据式(5)算出换填材料的合理埋设宽度约为14米，按上述确定参数进行了施工。
本实例还根据结构几何尺寸和断面形式用有限元法对实例进行了模拟分析，根据所给参数，分别取埋设宽度B＝8.0m、9.0m、10.0m、11.0m、12.0m、13.0m、14.0、15.0m的情况进行计算结构物的周边土压力的分布。
其次，考虑到上拱结构受力特点：未减荷时，顶部土压力较大；而局部减荷时，拱脚处压力较大。为此，在满足拱顶及拱脚处压力趋于均匀的条件下，根据计算结果选择恰当的埋设宽度。填土高度H＝36.5m，K＝0.4材料密度为30kg/m³，厚度为h＝30.0cm的泡沫板的最合理的埋设宽度是14.0m。
按上述方法所确定的工艺进行施工后，现场原型实测结构物顶部土压力最大减小了60％，并且改善了结构受力状况。
实施例二：
圆形结构：
其结构尺寸与计算参数为：半径3.3m，平均外径尺寸8.1m，突出地面高度4.2m，拱圈厚度为75cm，基础厚度为1.5m，地基土为砂砾石，其土模量为2.5×10⁵kpa。填土高度40.0m，填土重度γ＝20kN/³。
a.换填材料厚度的确定
首先根据市场和工程情况，采用换填泡沫板的密度为23kg/m³。然后，依据填土高度，取K＝0.4，根据公式(1)可求出变形量Δh＝28.5cm。
其次，根据公式(2)、(3)，求出对应于密度为23kg/m³的EPS板所对应的硬化应变ε_y＝0.69，弹性模量E＝1.57MPa。
最后将求出的变形量Δh和硬化应变ε_y值代入公式(4)，即可求得对应该填土高度H＝40.0m，K＝0.4时，密度为23kg/m³的泡沫板的厚度为h＝40cm。
b.换填材料埋设宽度的确定
根据式(5)确定出换填材料的合理埋设宽度为10米。
本实例还根据结构几何尺寸和断面形式用有限元法对实例进行了模拟分析，根据所给参数，分别取埋设宽度B＝8.0m、9.0m、10.0m、11.0m、12.0m、13.0m、14.0m、15.0m的情况进行计算结构物周边土压力的分布。
其次，在满足结构周边压力分布趋于均匀时，根据计算结果来合理确定埋设宽度。填土高度H＝40.0m，K＝0.4材料密度为23kg/m³，厚度为h＝40cm的泡沫板的最合理的埋设宽度为10.5m。
按上述方法所确定的工艺进行施工后结构物顶部实测土压力最大可减小60％左右，并且改善了结构受力状况。
实施例三：
简支板结构：
其结构尺寸与计算参数为：净高3.6m，净宽3.3m，平均外径尺寸8.0m，突出地面高度6.2m，墙身厚度为70cm，顶板厚80cm，基础厚度为1.5m，地基土为砂砾石，其模量为2.5×10⁵kpa，填土高度36.5m，填土重度γ＝20kN/m³。
a.换填材料厚度的确定
首先根据市场和工程情况，选用换填泡沫板的密度为ρ＝19kg/cm³。
然后，依据填土高度，取K＝0.3，根据公式(1)可求出变形量Δh＝30.5cm。
其次，根据公式(2)、(3)，求出对应于密度为19kg/m³的泡沫板所对应的硬化应变ε_y＝0.60，弹性模量E＝1.23MPa。
最后将求出的变形量Δh和硬化应变ε_y值代入公式(4)，即可求得对应该填土高度H＝40m，K＝0.4时，密度为19kg/m³的泡沫板的厚度为h＝50.0cm。
b.换填材料埋设宽度的确定
根据式(5)，确定换填材料的合理埋设宽度为15m。本实例还根据结构几何尺寸和断面形式用有限元法对实例进行了模拟分析，根据所给参数，分别取埋设宽度B＝8.0m、9.0m、10.0m、11.0m、12.0m、13.0m、14.0m、15.0m的情况进行计算结构物周边土压力的分布。
其次，考虑简支板结构受力特点：盖板属于简支结构，墙身属于悬臂构件，基础底部弯矩较大，但一般情况下，与墙身相比，顶板相对较厚可承担较大的弯矩。为此，按照在满足盖板跨中弯矩允许的条件下，尽量使基础底部弯矩较小，根据计算结果来合理选择埋设宽度。填土高度H＝36.5m，K＝0.4材料密度为19kg/m³，厚度为h＝50.0cm的泡沫板的最合理的埋设宽度为14.0m。
按上述方法所确定的尺寸进行施工后实测结构物顶部实测土压力最大减小了70％，并且改善了结构受力状况。
实施例四：
箱体结构：
其结构尺寸与计算参数为：净高3.6m，净宽2.72m，平均外径尺寸6.6m，突出地面高度5.5m，墙身厚度为75cm，顶板厚80cm，基础厚度为1.5m，地基土为砂砾石，其模量为2.5×10⁵kpa，填土高度40.0m，填土重度γ＝20kN/m³。
a.换填材料厚度的确定
首先根据市场和工程情况，确定换填材料的密度ρ＝13kg/cm³。
然后，依据填土高度，取K＝0.4，根据公式(1)可求出变形量Δh＝28.5cm。
其次，根据公式(2)、(3)，求出对应于密度为13kg/m³的泡沫板所对应的硬化应变ε_y＝0.45，弹性模量E＝0.71MPa。
最后将求出的变形量Δh和硬化应变ε_y值代入公式(4)，即可求得对应该填土高度H＝40m，K＝0.4时，密度为13kg/m³的泡沫板的厚度为h＝62.0cm。
b.换填材料埋设宽度的确定
根据式(5)，确定换填材料的合理埋设宽度为11m。本实例还根据结构几何尺寸和断面形式用有限元法对实例进行了模拟分析，根据所给参数，分别取埋设宽度B＝8.0m、9.0m、10.0m、11.0m、12.0m、13.0m、14.0m、15.0m的情况进行计算结构物周边土压力的分布。
其次，考虑箱体结构受力特点：顶板与墙身属于固端连接，跨中与节点处弯矩较大。为此，在尽量使跨中弯矩和节点弯矩较小的条件下，根据计算结果来合理选择埋设宽度。填土高度H＝40.0m，K＝0.4，材料密度为13kg/m³，厚度为h＝62.0cm的泡沫板的最合理的埋设宽度为12.0m。
按上述方法所确定的尺寸进行施工后实测结构物顶部土压力最大减小了60％，并且改善了结构受力状况。