專利名稱：高填方土體中剛性構(gòu)筑物土壓力調(diào)整方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于交通土建，特別涉及一種能夠改善土中構(gòu)筑物頂部及周邊土壓力分布，使結(jié)構(gòu)受力趨于合理的高填方土體中剛性構(gòu)筑物土壓力調(diào)整方法。
背景技術(shù)：
就目前來講，經(jīng)技術(shù)查新，國內(nèi)的相關(guān)研究有《巖土力學》中白冰關(guān)于《高填土下剛性結(jié)構(gòu)物豎向土壓力減荷方法》一文中分析了影響上埋式結(jié)構(gòu)物周邊土壓力分布的各種因素，提出了在結(jié)構(gòu)物頂部填筑聚苯乙烯泡沫塑料來減輕上埋式結(jié)構(gòu)物豎向土壓力的方法，并利用數(shù)值分析的手段給出了采用該方法后結(jié)構(gòu)土壓力的變化及可供參考的土壓力計算值。國外的相關(guān)研究如TransportationResearch Record，n 1415，193，p58-68.Load reduction on rigid culverts beneath highfills，通過足尺模型試驗報道了在地埋剛性結(jié)構(gòu)物頂部鋪設(shè)聚苯乙烯等可壓縮性材料可減小其上豎向土壓力的情況及其效果，同時還討論了涵洞周圍的壓縮變形和減小土壓力的效果之間的關(guān)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.文中描述了利用減弱溝槽方法進行的一組足尺試驗，認為聚苯乙烯作為壓縮性的材料，其耐久性是很出色的；還將測試的土壓力和利用有限元程序CANDE進行計算的結(jié)果、建議方法的結(jié)果做了對比分析。綜上所述國內(nèi)外相關(guān)文獻中有通過模型試驗、現(xiàn)場試驗及有限元分析方法，提出了利用高壓縮(聚苯乙烯泡沫)材料埋設(shè)在結(jié)構(gòu)物頂部可起到減小結(jié)構(gòu)物頂部垂直土壓力的效果。但對不同結(jié)構(gòu)類型，在達到即減小結(jié)構(gòu)物頂部豎向土壓力，又減小結(jié)構(gòu)水平向土壓力，同時達到合理減荷效果時減荷材料的尺寸、模量、及柔性材料在土體中的埋設(shè)范圍沒能提出具體、科學、定量與效果可再現(xiàn)的成果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠合理調(diào)整高填方土體中剛性構(gòu)筑物土壓力強度與分布的方法，具有使用簡便、適用性強、效果定量的顯著的特點。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的通過在填方土體結(jié)構(gòu)物上換填泡沫板材料，就可定量達到使結(jié)構(gòu)物所承受的土壓力強度減小的目的，包括以下步驟首先，確定出達到合理減荷效果時所需換填材料板的厚度，密度和模量；然后，根據(jù)填方土體內(nèi)剛性構(gòu)筑物的幾何尺寸、斷面形式，確定出合理換填材料的埋設(shè)寬度；最后，將已確定的密度，厚度，寬度的換填材料鋪設(shè)在土中結(jié)構(gòu)物上部，其上再鋪設(shè)30-50cm厚細粒土后按正常施工方法繼續(xù)進行碾壓施工即可。
所說的確定材料板的厚度、密度和模量，按以下步驟進行首先，先確定換填材料板密度ρ＝18～30kg/m3；然后，在設(shè)定的填土高度H和合理減荷效果K＝0.3～0.4的條件下，由公式ΔP＝0.005Δh2+16.522Δh+7.1306(1)求出減荷材料的變形量Δh；其中，ΔP＝(1-K)×γH，K-垂直土壓力系數(shù)，γ-填土容重，H-填土高度；然后，根據(jù)公式
εy＝2.449ρ+13.469 (2)E＝0.0864ρ-0.41278(3)求出硬化應(yīng)變εy；其中，ρ-材料密度，E-彈性模量；都為已知量；最后，根據(jù)所求出的硬化應(yīng)變εy和減荷材料的變形量Δh，由公式h=Δhϵy---(4)]]>求出所需要的合成泡沫材料板的厚度h。
所說的換填材料的鋪設(shè)寬度可按下式確定不同形式土中結(jié)構(gòu)物的B/D值可用下式表示 根據(jù)式(5)，定義土中結(jié)構(gòu)物的外徑寬度為D(單位為米)；定義換填材料的鋪設(shè)寬度為B(單位為米)；可確定換填材料的鋪設(shè)寬度。
本發(fā)明在高填方土體中的剛性構(gòu)筑物上部埋設(shè)一定厚度和范圍的柔性材料，從而起到調(diào)整土壓力分布和降低工程造價，避免結(jié)構(gòu)物破壞的工程作用。對埋設(shè)在填方路堤中的構(gòu)筑物可按其斷面形式分別達到預(yù)定的(k＝0.3～0.4)土壓力減荷效果，將作用在結(jié)構(gòu)物上部和周邊的部分土壓力消化在周邊土體中。構(gòu)筑物頂部土壓力可減20％～60％，整個結(jié)構(gòu)斷面上土壓力分布趨于合理，從而改善結(jié)構(gòu)受力狀況，降低工程成本，減少工程病害。


附圖是本發(fā)明的合成材料應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明具體按如下步驟進行1.本發(fā)明根據(jù)大量實測結(jié)果分析后提出，在給定填土高度和減荷效果的條件下，由公式ΔP＝0.005Δh2+16.522Δh+7.1306 (1)求出Δh，其中，Δp＝(1-k)*γH，K-垂直土壓力系數(shù)，γ-填土重度，H-填土高度，為已知和已確定參數(shù)。
2.另外，參照附圖所示，根據(jù)大量室內(nèi)試驗表明低密度合成泡沫材料板的應(yīng)力—應(yīng)變曲線均近似為三段折線。其中定義曲線第一個拐點所對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)棣舉，定義該點所對應(yīng)的應(yīng)力為屈服應(yīng)力，該點與坐標原點所連直線的傾角即定義為彈性模量。定義第二個拐點所對應(yīng)的應(yīng)變定義為硬化應(yīng)變εy，本方法認為當應(yīng)變超過該點之后，合成材料開始進入硬化階段，逐漸失去減荷作用，故將εy作為達到最佳減荷效果的標志。本方法試驗研究結(jié)果證明材料密度ρ與εy和彈性模量E間都存在著很好的線性關(guān)系。用公式(2)和公式(3)表示εy＝2.449ρ+13.469(2)E＝00864ρ-0.41278 (3)因所購材料的ρ已知，從而用式(2)可求出所選定的合成泡沫材料板的εy，代入公式h=Δhϵy---(4)]]>即可求出所需要的合成泡沫材料板的厚度h。
不同填土高度情況下合成材料參數(shù)的選擇還可參考下表
表一填土高度、密度及材料厚度選擇參考表 注本表僅適用于K＝0.4，γ＝20kN/m3的情況，其他情況可根據(jù)上述方法計算而得。
3.本方法已利用有限元分析法和試驗研究法對不同土中結(jié)構(gòu)物幾何尺寸、斷面形式及不同換填的材料鋪設(shè)范圍進行了力學計算和分析，得出在不同條件下結(jié)構(gòu)物周邊土壓力的分布規(guī)律，然后根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的受力特點，確定出在相應(yīng)條件下使結(jié)構(gòu)受力達到合理分布時的換填材料的埋設(shè)寬度。則不同斷面形式結(jié)構(gòu)在達到合理減荷效果時換填材料的埋設(shè)寬度可按下面所示方法進行確定選用定義土中結(jié)構(gòu)物的外徑寬度為D(單位為米)；定義換填材料的鋪設(shè)寬度為B(單位為米)；其中D為土建設(shè)計已確定的參數(shù)。則經(jīng)本方法研究認為，不同形式土中結(jié)構(gòu)物的B/D值可用下式表示
根據(jù)式(5)，可確定換填材料的鋪設(shè)寬度。
若不用式(5)，還可查表二進行確定表二不同土中結(jié)構(gòu)物斷面形式與換填材料合理埋設(shè)寬度表 4.現(xiàn)場施工中，將已確定密度的合成泡沫材料，按本方法確定的厚度、寬度埋設(shè)鋪筑在土中構(gòu)筑物的頂部。然后人工回填30cm厚細粒土，其上可按正常設(shè)計的碾壓工藝進行填方施工。
實施例一上拱結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)尺寸與計算參數(shù)為凈高3.4m，凈寬3.6m，平均外徑尺寸8.1m，突出地面高度4.5m圓弧拱半徑為1.8m，拱圈厚度為75cm，基礎(chǔ)厚度為1.5m，地基土為砂礫石，其土模量為2.5×105Kpa，填土高度36.5m，填土重度γ＝20kN/m3。
a.換填材料厚度的確定首先根據(jù)市場情況，按價格、性能比原則確定換填材料的密度為ρ＝30kg/cm3。
然后，依據(jù)填土高度，取K＝0.4，根據(jù)公式(1)可求出變形量Δh＝26.0cm。其次，根據(jù)公式(2)、(3)，求出對應(yīng)于密度為30kg/m3的泡沫板所對應(yīng)的硬化應(yīng)變εy＝0.75，彈性模量E＝1.75MPa。
最后將求出的變形量Δh和硬化應(yīng)變εy值代入公式(4)，即可求得對應(yīng)該填土高度H＝36.5m，K＝0.4時，密度為30kg/m3泡沫板的厚度為h＝30.0cm。
b.換填材料埋設(shè)寬度的確定根據(jù)式(5)算出換填材料的合理埋設(shè)寬度約為14米，按上述確定參數(shù)進行了施工。
本實例還根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸和斷面形式用有限元法對實例進行了模擬分析，根據(jù)所給參數(shù)，分別取埋設(shè)寬度B＝8.0m、9.0m、10.0m、11.0m、12.0m、13.0m、14.0、15.0m的情況進行計算結(jié)構(gòu)物的周邊土壓力的分布。
其次，考慮到上拱結(jié)構(gòu)受力特點未減荷時，頂部土壓力較大；而局部減荷時，拱腳處壓力較大。為此，在滿足拱頂及拱腳處壓力趨于均勻的條件下，根據(jù)計算結(jié)果選擇恰當?shù)穆裨O(shè)寬度。填土高度H＝36.5m，K＝0.4材料密度為30kg/m3，厚度為h＝30.0cm的泡沫板的最合理的埋設(shè)寬度是14.0m。
按上述方法所確定的工藝進行施工后，現(xiàn)場原型實測結(jié)構(gòu)物頂部土壓力最大減小了60％，并且改善了結(jié)構(gòu)受力狀況。
實施例二圓形結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)尺寸與計算參數(shù)為半徑3.3m，平均外徑尺寸8.1m，突出地面高度4.2m，拱圈厚度為75cm，基礎(chǔ)厚度為1.5m，地基土為砂礫石，其土模量為2.5×105kpa。填土高度40.0m，填土重度γ＝20kN/3。
a.換填材料厚度的確定首先根據(jù)市場和工程情況，采用換填泡沫板的密度為23kg/m3。然后，依據(jù)填土高度，取K＝0.4，根據(jù)公式(1)可求出變形量Δh＝28.5cm。
其次，根據(jù)公式(2)、(3)，求出對應(yīng)于密度為23kg/m3的EPS板所對應(yīng)的硬化應(yīng)變εy＝0.69，彈性模量E＝1.57MPa。
最后將求出的變形量Δh和硬化應(yīng)變εy值代入公式(4)，即可求得對應(yīng)該填土高度H＝40.0m，K＝0.4時，密度為23kg/m3的泡沫板的厚度為h＝40cm。
b.換填材料埋設(shè)寬度的確定根據(jù)式(5)確定出換填材料的合理埋設(shè)寬度為10米。
本實例還根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸和斷面形式用有限元法對實例進行了模擬分析，根據(jù)所給參數(shù)，分別取埋設(shè)寬度B＝8.0m、9.0m、10.0m、11.0m、12.0m、13.0m、14.0m、15.0m的情況進行計算結(jié)構(gòu)物周邊土壓力的分布。
其次，在滿足結(jié)構(gòu)周邊壓力分布趨于均勻時，根據(jù)計算結(jié)果來合理確定埋設(shè)寬度。填土高度H＝40.0m，K＝0.4材料密度為23kg/m3，厚度為h＝40cm的泡沫板的最合理的埋設(shè)寬度為10.5m。
按上述方法所確定的工藝進行施工后結(jié)構(gòu)物頂部實測土壓力最大可減小60％左右，并且改善了結(jié)構(gòu)受力狀況。
實施例三簡支板結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)尺寸與計算參數(shù)為凈高3.6m，凈寬3.3m，平均外徑尺寸8.0m，突出地面高度6.2m，墻身厚度為70cm，頂板厚80cm，基礎(chǔ)厚度為1.5m，地基土為砂礫石，其模量為2.5×105kpa，填土高度36.5m，填土重度γ＝20kN/m3。
a.換填材料厚度的確定首先根據(jù)市場和工程情況，選用換填泡沫板的密度為ρ＝19kg/cm3。
然后，依據(jù)填土高度，取K＝0.3，根據(jù)公式(1)可求出變形量Δh＝30.5cm。
其次，根據(jù)公式(2)、(3)，求出對應(yīng)于密度為19kg/m3的泡沫板所對應(yīng)的硬化應(yīng)變εy＝0.60，彈性模量E＝1.23MPa。
最后將求出的變形量Δh和硬化應(yīng)變εy值代入公式(4)，即可求得對應(yīng)該填土高度H＝40m，K＝0.4時，密度為19kg/m3的泡沫板的厚度為h＝50.0cm。
b.換填材料埋設(shè)寬度的確定根據(jù)式(5)，確定換填材料的合理埋設(shè)寬度為15m。本實例還根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸和斷面形式用有限元法對實例進行了模擬分析，根據(jù)所給參數(shù)，分別取埋設(shè)寬度B＝8.0m、9.0m、10.0m、11.0m、12.0m、13.0m、14.0m、15.0m的情況進行計算結(jié)構(gòu)物周邊土壓力的分布。
其次，考慮簡支板結(jié)構(gòu)受力特點蓋板屬于簡支結(jié)構(gòu)，墻身屬于懸臂構(gòu)件，基礎(chǔ)底部彎矩較大，但一般情況下，與墻身相比，頂板相對較厚可承擔較大的彎矩。為此，按照在滿足蓋板跨中彎矩允許的條件下，盡量使基礎(chǔ)底部彎矩較小，根據(jù)計算結(jié)果來合理選擇埋設(shè)寬度。填土高度H＝36.5m，K＝0.4材料密度為19kg/m3，厚度為h＝50.0cm的泡沫板的最合理的埋設(shè)寬度為14.0m。
按上述方法所確定的尺寸進行施工后實測結(jié)構(gòu)物頂部實測土壓力最大減小了70％，并且改善了結(jié)構(gòu)受力狀況。
實施例四箱體結(jié)構(gòu)其結(jié)構(gòu)尺寸與計算參數(shù)為凈高3.6m，凈寬2.72m，平均外徑尺寸6.6m，突出地面高度5.5m，墻身厚度為75cm，頂板厚80cm，基礎(chǔ)厚度為1.5m，地基土為砂礫石，其模量為2.5×105kpa，填土高度40.0m，填土重度γ＝20kN/m3。
a.換填材料厚度的確定首先根據(jù)市場和工程情況，確定換填材料的密度ρ＝13kg/cm3。
然后，依據(jù)填土高度，取K＝0.4，根據(jù)公式(1)可求出變形量Δh＝28.5cm。
其次，根據(jù)公式(2)、(3)，求出對應(yīng)于密度為13kg/m3的泡沫板所對應(yīng)的硬化應(yīng)變εy＝0.45，彈性模量E＝0.71MPa。
最后將求出的變形量Δh和硬化應(yīng)變εy值代入公式(4)，即可求得對應(yīng)該填土高度H＝40m，K＝0.4時，密度為13kg/m3的泡沫板的厚度為h＝62.0cm。
b.換填材料埋設(shè)寬度的確定根據(jù)式(5)，確定換填材料的合理埋設(shè)寬度為11m。本實例還根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸和斷面形式用有限元法對實例進行了模擬分析，根據(jù)所給參數(shù)，分別取埋設(shè)寬度B＝8.0m、9.0m、10.0m、11.0m、12.0m、13.0m、14.0m、15.0m的情況進行計算結(jié)構(gòu)物周邊土壓力的分布。
其次，考慮箱體結(jié)構(gòu)受力特點頂板與墻身屬于固端連接，跨中與節(jié)點處彎矩較大。為此，在盡量使跨中彎矩和節(jié)點彎矩較小的條件下，根據(jù)計算結(jié)果來合理選擇埋設(shè)寬度。填土高度H＝40.0m，K＝0.4，材料密度為13kg/m3，厚度為h＝62.0cm的泡沫板的最合理的埋設(shè)寬度為12.0m。
按上述方法所確定的尺寸進行施工后實測結(jié)構(gòu)物頂部土壓力最大減小了60％，并且改善了結(jié)構(gòu)受力狀況。
權(quán)利要求
1.高填方土體中剛性構(gòu)筑物土壓力調(diào)整方法，其特征在于，通過在填方土體結(jié)構(gòu)物上換填泡沫板材料，就可定量達到使結(jié)構(gòu)物所承受的土壓力強度減小，包括以下步驟首先，確定出達到合理減荷效果時所需換填材料板的厚度，密度和模量；然后，根據(jù)填方土體內(nèi)剛性構(gòu)筑物的幾何尺寸、斷面形式，確定出合理換填材料的埋設(shè)寬度；最后，將已確定的密度，厚度，寬度的換填材料鋪設(shè)在土中結(jié)構(gòu)物上部，其上再鋪設(shè)30cm-50cm厚細粒土后，按正常施工方法繼續(xù)進行碾壓施工即可。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高填方土體中剛性構(gòu)筑物土壓力調(diào)整方法，其特征在于，所說的確定材料板的厚度、密度和模量，按以下步驟進行首先，先確定換填材料板密度ρ＝18～30kg/m3；然后，在設(shè)定的填土高度H和合理減荷效果K＝0.3～0.4的條件下，由公式ΔP＝0.005Δh2+16.522Δh+7.1306(1)求出減荷材料的變形量Δh；其中，Δp＝(1-K)×γH，K-垂直土壓力系數(shù)，γ-填土容重，H-填土高度；然后，根據(jù)公式εy＝2.449ρ+13.469 (2)E＝0.0864ρ-0.41278 (3)求出硬化應(yīng)變εy；其中，ρ-材料密度，E-彈性模量；都為已知量；最后，根據(jù)所求出的硬化應(yīng)變εy和減荷材料的變形量Δh，由公式h=Δhϵy---(4)]]>求出所需要的合成泡沫材料板的厚度h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高填方土體中剛性構(gòu)筑物土壓力調(diào)整方法，其特征在于，所說的換填材料的鋪設(shè)寬度可按下式確定不同形式土中結(jié)構(gòu)物的B/D值可用下式表示 根據(jù)式(5)，定義土中結(jié)構(gòu)物的外徑寬度為D，單位為米；定義換填材料的鋪設(shè)寬度為B，單位為米；即可確定換填材料的鋪設(shè)寬度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高填方土體中剛性構(gòu)筑物土壓力調(diào)整方法，通過在填方土體結(jié)構(gòu)物上換填泡沫板材料，就可定量達到使結(jié)構(gòu)物所承受的土壓力強度減小。本發(fā)明先確定出達到合理減荷效果時所需換填材料板的厚度，密度和模量；再根據(jù)填方土體內(nèi)剛性構(gòu)筑物的幾何尺寸、斷面形式，確定出合理換填材料的埋設(shè)寬度；最后，將已確定的密度，厚度，寬度的換填材料鋪設(shè)在土中結(jié)構(gòu)物上部，其上再鋪設(shè)細粒土后，按正常施工方法繼續(xù)進行碾壓施工即可。本發(fā)明降低結(jié)構(gòu)物所承受的土壓力強度，并使作用在結(jié)構(gòu)物上的土壓力分布趨于合理，改善結(jié)構(gòu)的受力情況，避免結(jié)構(gòu)的局部破壞，總體上降低工程造價和減少維護費用。
文檔編號E02D31/00GK1587550SQ20041007310
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月23日
發(fā)明者劉保健, 謝永利, 楊曉華, 張衛(wèi)兵 申請人:長安大學