CN100564686C - 利用聚苯乙烯泡沫塑料在上埋式构筑物中进行减荷的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用聚苯乙烯泡沫塑料在上埋式构筑物中进行减荷的方法，①聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度与厚度之选定是根据构筑物的尺度、填土高度及地基岩性，确定聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度和厚度，即按填土高度的1/2～2/3的土压力选定洞顶聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度；按涵洞凸出地面高度的2%～6%选定洞顶聚苯乙烯泡沫塑料板的厚度；洞侧聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度按洞顶聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度的1/2～2/3选定。②洞侧采取减荷措施的平面问题构筑物水平土压力计算公式；洞顶不采取减荷措施的空间问题构筑物垂直土压力计算公式。本发明的技术措施现场实施十分简便。

Description

利用聚苯乙烯泡沫塑料在上埋式构筑物中进行减荷的方法

所属领域

本发明涉及岩土工程技术领域。适用于公路、铁路、水利、电力、矿山、市政、石油、军工等部门中的各式各样上埋式构筑物，诸如用于行人、行车、排水等的路堤与渠堤下的涵洞、涵管，尾矿坝(库)下的排洪洞，土石坝下的廊道、泄水洞，填埋式地下变电站、各类地下通道及武器掩蔽体等。

背景技术

涵洞(管)属于上埋式构筑物，也是当今国际上称为“生命线工程”之一种。它在交通、水利、铁路、矿山、电力、市政、石油、军工等诸多部门广为应用。

随着我国高等级公路建设的迅猛发展，高填路堤下的涵洞(或涵管)的受力、沉降与开裂问题已引起工程技术人员的普遍关注。由于现行“公路桥涵设计手册”及有关“规范”、“规程”中规定或推荐的土压力计算公式、涵洞设计标准图及其施工方法，均未能恰当地考虑、处理和计算高填土(石)涵洞的土压力及其变形，以致普遍引起涵洞开裂和过大的不均匀沉降，特别是在软土地基上更为突出，故有“十涵九裂”之说，给工程带来了不小的损失。针对这一问题，很多单位企图加大基础的刚度、宽度与深度来解决这一问题，甚至在软土地基中采用桩基。这么做的结果实得其反，不仅浪费了大量人力、物力，而且导致涵洞受力更大，开裂病害更为严重。

发明内容

本发明的目的是提供对于高填土上埋式构筑物(如涵洞)，旨在减小洞顶及侧向的土压力，从而可以减小设计结构断面，降低工程造价，达到经济合理的设计目标，同时可以防止构筑物开裂病害的产生，减小构筑物轴向的不均匀沉降。对于低填土上埋式构筑物，本成果旨在消除涵洞在填土中因刚度大于填土而引起的路面凸起变形，以确保路面平整的利用聚苯乙烯泡沫塑料在上埋式构筑物中进行减荷的方法。

本发明的技术方案是这样实现的。

一种利用聚苯乙烯泡沫塑料在上埋式构筑物中进行减荷的方法，其特征在于：

a、聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度与厚度之选定是根据构筑物的尺度(凸出地面的高度与截面宽度)、填土高度及地基岩性(岩基或土基的压缩模量)，确定聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度和厚度，具体办法是：按填土高度的1/2～2/3的土压力选定洞顶聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度；按涵洞凸出地面高度的2％～6％(岩石地基取小值、软土地基取大值，一般土地基取中值)选定洞顶聚苯乙烯泡沫塑料板的厚度；洞侧聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度按洞顶聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度的1/2～2/3选定；为了调整构筑物(如涵洞)轴向的应力分布，减小轴向沉降不均匀的弯曲变形，按洞顶填土高度变化，在洞轴向采用变厚度的聚苯乙烯泡沫塑料板，洞侧聚苯乙烯泡沫塑料板的厚度按照以上原则进行相应的调整；对于填土为梯形断面的土坝、路堤、渠堤下的构筑物，两端填土低的段落无需铺设聚苯乙烯泡沫塑料板。

b、土压力计算公式

洞侧采取减荷措施的平面问题构筑物水平土压力计算公式

$\mathrm{\σ}=K_h\mathrm{\γH}\left[2\frac{{\mathrm{\ω}}_{C}B(1-{\mathrm{\μ}}^2)E_h{E}^{*}+(1+\frac{h+h^{*}}{2H})(h+h^{*}){\mathrm{EE}}^{*}\mathrm{\η}}{{\mathrm{\ω}}_{C}B(1-{\mathrm{\μ}}^2)E_h{E}^{*}+h^{*}{E}_{h}E}\right]$ ..................①

洞顶不采取减荷措施的空间问题构筑物垂直土压力计算公式

$\mathrm{\σ}=\mathrm{\γH}\left[\frac{(1+\frac{h}{2H})\mathrm{hE}}{{\mathrm{\ω}}_{c}B(1-{\mathrm{\μ}}^2)E_h}\mathrm{\η}\right]$ ..................②

以上两式中：

h——涵洞高度(包括基础厚度)，m；

H——涵洞顶填土高度，m；

B——涵洞宽度，m；

ω_c——与刚性构筑物长宽比

及基底形状有关的系数，如下表所列；对于空间问题的上埋式构筑物，ω_c仍查此表；

μ——洞顶填土的侧胀系数(泊松比)；

E、E_h——分别是洞顶填土与洞侧填土高度范围内的变形模量(或压缩模量E_s， $E=(1-\frac{{2\mathrm{\μ}}^2}{1-\mathrm{\μ}})E_s)$ 平均值(Mpa)；E与E_h的取值可以作为常量，但最好分别按 $p=\frac{1}{2}\mathrm{\γH}$ 及 $p=\mathrm{\γ}(\frac{1}{2}h+H)$ 在室内压缩实验所提供的E_s-P曲线上作为变量查取；

η——涵洞截面(包括基础)外形影响系数， $\mathrm{\η}=\frac{B}{B_1},$ $B_1=\frac{A}{h},$ 其中B₁为截面换算宽度，A为涵洞外形横截面面积；对没有襟边的矩形、方形涵洞，显然η＝1；

E^*、h^*——分别为涵顶所铺聚苯乙烯泡沫塑料板的变形模量和厚度；E^*取值方法与E值取值方法相同。

ω_c值表

本发明经检索，与国内外同类技术比较，从已检索到国内外同类文献或课题的成果资料看，其研究内容的深度和广度，以及实用性方面，都未达到本课题研究所取得成果的程度。

本发明的技术原理是利用聚苯乙烯泡沫塑料板材具有结构强度的大变形特性，随着洞顶填土的增高，聚苯乙烯泡沫塑料板从微小的弹性变形，发展到因结构强度破坏而产生的大变形，从而促使洞周围填土产生土拱效应，使土压力大为减小。

优点与效果：

本发明的技术措施现场实施十分简便，只需把按构筑物尺度所确定的聚苯乙烯泡沫塑料板铺于洞顶和立于洞侧，然后填土即可。具有重要的理论意义和实用价值，经济效益显著，总体上处于国际先进水平；在减荷后背侧向土压力计算及空间问题的研究方面达到国际领先水平。

关于涵洞的开裂病害，从1959年起已调查收集了300多座涵洞资料，其中纵向开裂者占到72％。涵洞的横向开裂是不均匀沉降引起的，而纵向开裂者则是由于土压力过大所致。影响涵洞土压力及其变形的因素很多，如地基岩土的性状、填土的性状、埋设的周边地形、埋设方式、施工方法、填土速度以及涵洞与基础的形状、尺度和刚度等。由于涵洞的土压力与变形，主要受制于涵洞、地基与填土三者各自的变化和相互之间的影响，而填土是在建好涵洞构筑物后加上去的，因此可以通过不同的减荷措施，人为地调整洞顶和洞侧在纵向与横向的土压力分布，减少竖向与侧向的土压力，而这一点很少为工程界所了解、关注。即便不采取减荷措施，按常规方法设计与施工，其控制结构断面设计的垂直土压力计算方法，国内外也已有近二十余种。现实际情况是不仅各国“规范”、“规程”、“手册”等所用方法、公式不同，就是在国内不同部门所用的方法、公式也不统一。不同方法在计算高填土涵洞土压力时，其结果相差很大，若用计算偏大和偏小的两种极端的公式计算特高填土涵洞(如百米高的尾矿坝排洪涵洞)，有时差到十几倍，几十倍。

鉴于以上情况，从1959年起至今，先后进行过四次不同情况的室内模型试验、一次大比例尺现场模型试验和七个工点的现场实体测试，其中三次是在原冶金工业部三个高尾矿坝排洪涵洞上进行的，尾矿填筑高度分别是80、120、172米(冶金部攻关项目)，每个都进行了长达九年之久的现场测试，获得了重大研究成果。1978年曾以“上埋式管道及洞室垂直土压力理论的研究”成果，荣获全国科学大会“重大科技成果”和“作出突出贡献的先进科技工作者”双项奖。1984年原冶金工业部颁发的“尾矿坝设计规程”列入了我们提出的土压力计算公式(定名为顾安全公式)

根据以往4个工点的现场测试结果，洞顶与洞侧土压力约分别减小2/3和1/2。

为了建立新的涵洞设计理念，使涵洞设计的更加经济合理，1999～2001年又在广东省广惠高速公路33米的涵洞上首次采用聚苯乙烯泡沫塑料(ExpandedPolystyrene)板进行了“减荷措施在高填土涵洞中的应用研究”，获得了十分可喜的成果，使洞顶垂直土压力大为减小。为了进一步验证、深入和推广以往研究成果，2001～2003年又在四川省南广高速公路的两个工点，进行了“高填路堤涵洞土压力与变形及其减荷措施的试验研究”，其中首次用聚苯乙烯泡沫塑料板对洞顶与洞侧同时进行减荷，取得了显著效果，并提出、完善了相应的垂直于水平土压力计算公式。附带在现场还做了平面问题与空间问题上埋式构筑物的大比例尺模型试验，并首次对空间问题构筑物提出了土压力计算公式。与此同时，还兼顾解决了涵洞在填土中引起的路面凸起变形等。

附图说明

图1为A涵洞顶垂直土压力与填土深度之关系图。

图2为B涵洞顶垂直土压力与填土深度之关系图。

图3为A涵洞侧向土压力与填土深度之关系图。

图4为B涵洞侧向土压力与填土深度之关系图。

图5为A涵洞顶测试为纵向垂直土压力分布图。

图6为B涵洞顶测试为纵向垂直土压力分布图。

图7为A涵洞侧测试为纵向垂直土压力分布图。

图8为B涵洞侧测试为纵向垂直土压力分布图。

具体实施方式

本发明实施方式，不限于下面实施例。

实施例1陕西黑木林尾矿坝排洪洞：洞顶尾矿填筑高度60米，排洪结构，原结构断面是按照40米高的尾矿坝设计的，后因设计方案变更，已竣工的排洪洞强度远远不能满足，为此，甲方提出采用减荷措施予以解决。当时国内尚没有聚苯乙烯泡沫塑料板材，我们采用了当地的稻草作为洞顶的柔性材料进行卸荷，根据计算，我们在洞顶填铺了50厘米厚的稻草，历经9年半的现场测试，洞顶的垂直土压力减少了约2/3，从而确保了原有排洪洞能够长期正常运营。(顾安全、赵玉琼：“黑木林尾矿坝排洪洞垂直土压力的减荷措施现场试验研究”，1992年)。

实施例2广东省广——惠高速公路试验涵洞，洞顶填土高度32米，拱涵结构，根据洞顶填土高度的变化，聚苯乙烯泡沫塑料板的选用厚度为15～30厘米，经两年的试验观测，洞顶垂直土压力约减少了2/3。(顾安全、金滨、冯瑞玲：“减荷措施(用聚苯乙烯泡沫塑料板材料)在高填土涵洞中的应用研究”，第七届全国岩石力学与工程学术大会论文集，2002年8月)。

实施例3四川省南——广高速公路试验涵洞，两个工点填土高度均接近10米的盖板涵，我们在洞顶和洞侧分别铺设了不同厚度的聚苯乙烯泡沫塑料板进行试验，经两年的试验观测，洞顶的垂直土压力约减少了2/3，洞侧的水平土压力约减少了1/2，如图8所示。(杨福林、顾安全、张世平、王兴平等：“高填土涵洞土压力与变形及其减荷措施的试验研究”，2003年11月)

Claims (1)

1.一种利用聚苯乙烯泡沫塑料在上埋式构筑物中进行减荷的方法，其特征在于：

a、聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度与厚度之选定是根据构筑物的尺度、填土高度及地基岩性，确定聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度和厚度，具体办法是：按填土高度的1/2～2/3的土压力选定洞顶聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度；按涵洞凸出地面高度的2％～6％选定洞顶聚苯乙烯泡沫塑料板的厚度；洞侧聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度按洞顶聚苯乙烯泡沫塑料板的结构强度的1/2～2/3选定；为了调整构筑物轴向的应力分布，减小轴向沉降不均匀的弯曲变形，按洞顶填土高度变化，在洞轴向采用变厚度的聚苯乙烯泡沫塑料板，洞侧聚苯乙烯泡沫塑料板的厚度按照以上原则进行相应的调整；对于填土为梯形断面的土坝、路堤、渠堤下的构筑物，两端填土低的段落无需铺设聚苯乙烯泡沫塑料板；

b、土压力计算公式

洞侧采取减荷措施的构筑物水平土压力计算公式

$\mathrm{\σ}=K_h\mathrm{\γH}\left[2\frac{{\mathrm{\ω}}_{C}B(1-{\mathrm{\μ}}^2)E_h{E}^{*}+(1+\frac{h+h^{*}}{2H})(h+h^{*}){\mathrm{EE}}^{*}\mathrm{\η}}{{\mathrm{\ω}}_{C}B(1-{\mathrm{\μ}}^2)E_h{E}^{*}+h^{*}{E}_{h}E}\right]$

………………①

洞顶不采取减荷措施的构筑物垂直土压力计算公式

$\mathrm{\σ}=\mathrm{\γH}\left[\frac{(1+\frac{h}{2H})\mathrm{hE}}{{\mathrm{\ω}}_{c}B(1-{\mathrm{\μ}}^2)E_h}\mathrm{\η}\right]$

………………②

以上两式中：

h——涵洞高度，m；

H——涵洞顶填土高度，m；

B——涵洞宽度，m；

ω_c——与刚性构筑物长宽比及基底形状有关的系数，

μ——洞顶填土的侧胀系数；

E、E_h——分别是洞顶填土与洞侧填土高度范围内的变形模量；

η——涵洞截面外形影响系数；

E^*、h^*——分别为涵顶所铺聚苯乙烯泡沫塑料板的变形模量和厚度。

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