摘 要

由于道路施工的不断发展，高填方涵洞越发常见，随之而来的是高填方涵洞所带来的一系列问题，进而导致工程安全和经济上的双重损失，本文拟结合实际工程，以喀麦隆雅杜高速项目工程实际为例，在前人的基础上采用理论分析与有限元建模计算的方法，对高填方路堤路段涵洞消除马斯顿效应的方法与技术进行研究。对国内外高填方涵洞减荷措施进行介绍，着重研究了EPS板对于高填方涵洞消除马斯顿效应的影响，通过现场试验数据的分析处理来验证EPS板的减荷效果，对于高填方涵洞的减荷技术研究具有重要指导意义。

本文主要研究（1）对前人在消除高填方涵洞马斯顿效应所作出努力进行概括，为引出我们的方法进行铺垫；（2）介绍高填方涵洞土压力相关计算理论，分析问题重点；（3）对现场实验数据进行分析处理，检测EPS板的减荷效果；（4）结合有限元的计算方法对EPS板的减荷效果进行模拟；（5）研究施工机械对于EPS板减荷效果的影响进而确定EPS板减荷施工的施工方法。

研究结果表明：EPS板对于高填方涵洞具有良好的减荷作用。

本文的特色：本文结合了非洲喀麦隆雅杜高速项目的实际工程数据对于EPS材料的减荷效果进行分析，结论更加具有说服力。

关键词：涵洞；高填土；马斯顿效应；ESP板

Abstract

Due to the continuous development of road construction, high fill culverts increasingly common, followed by a series of problems brought by the high fill culvert, leading to dual loss on engineering security and economy, this paper, combined with the actual project in Cameroon du highway project, the engineering practice, for example, on the basis of predecessors' using the methods of theoretical analysis and finite element modeling calculation, the section of high embankment culvert elimination method and technology of Marston effect were studied. For high fill culverts load reducing measures introduced both at home and abroad, this paper studies the EPS board for high fill culverts eliminate effect of Marston, through the analysis of field test data processing to validate the EPS load reducing effect, for high fill culverts load reducing technology research has important guiding significance.

This paper mainly studies: (1) summarizing the previous efforts to eliminate the maston effect of high fill culvert, so as to pave the way for our method.(2) introduce the calculation theory of soil pressure related to high fill culvert, and analyze the key problems;(3) the field experimental data were analyzed and processed to detect the load reduction effect of EPS board;(4) combined with the finite element method, the load reduction effect of EPS board was simulated.(5) study the effect of construction machinery on the load reduction effect of EPS plates and determine the construction method of EPS plates.

The results show that EPS plate can reduce the load of high fill culvert well.

Characteristics of this paper: this paper analyzes the reduction effect of EPS materials based on the actual engineering data of the yadu high-speed project in Cameroon, Africa, and the conclusion is more convincing.

Key words: culvert; High fills; Marston effect; ESP block

目录

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景 1

1.1.1工程背景 1

1.1.2国内外研究现状 1

1.2涵洞减荷措施研究现状 4

1.2.1涵洞减荷措施的原理 4

1.2.2涵洞减荷措施研究现状 4

1.3高填方涵洞土压力理论介绍 5

1.3.1散体极限平衡法 5

1.3.2 “卸荷拱”法 7

1.3.3 土柱法 9

1.3.4 弹性理论法 10

1.3.5 压力集中系数法 12

1.3.6 顾安全管涵土压力理论 12

1.3.7 有限云数值分析法 12

1.4本文研究内容 13

第二章 EPS材料性能研究 13

2.1 EPS材料简介 13

2.2 EPS 物理性能 13

2.3 EPS材料力学性能 14

2.4 EPS材料在工程中的应用 14

第三章 现场试验 15

3.1 试验目的 15

3.2 试验方案 15

3.2.1试验涵洞结构物的基本参数 15

3.2.2 现场原位试验布置 16

3.3 沉降板和沉降标的制作与埋设 16

3.4 土压力传感器的选定 17

3..4.1 土压力传感器测试系统 18

3.4.2 土压力传感器的工作原理 18

3.4.3 土压力传感器温度敏感性 18

3.4.4 土压力传感器的埋设 18

第四章 试验数据分析 20

4.1涵洞垂直土压力随填土高度变化的变化 30

4.2涵洞不均匀沉降变形与填土高度的关系 30

4.3 小结 30

第五章 有限元建模分析 31

5.1 有限元建模过程 31

5.1.1 ABAQUS建模分析 31

5.1.2 ABAQUS建模过程 32

5.2 小结 37

第六章 EPS材料减荷措施在工程中的应用 38

6.1 EPS板减荷措施设计 38

6.1.1涵顶EPS板的密度确定 38

6.1.2涵洞EPS板厚度的确定 38

6.2 EPS板减荷措施的实施 38

6.2.1 EPS 板的加工与储存 38

6.2.2 EPS板铺设要点 39

6.2.3.减荷效果监测 40

6.3小结 40

第七章 结论与展望 41

结论 41

展望 41

参考文献 42

第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.1.1工程背景

本论文基于工程雅杜高速公路项目研究高填方涵洞减荷的措施。雅杜高速公路工程项目以与D55交叉处设置的博德蒙(Bodmon)互通为界，将高速公路暂分为两期进行APD 设计。该项目采用法国规范进行设计，几何设计采用SETRAICTAAL2000 规范，设计速度110km/h，双向四车道（可向内扩展为双向六车道）。该项目连接喀麦隆中央大区和滨海大区，地形由喀麦隆中西部山区向滨海森林平原区过渡，总体呈东高西低的趋势，海拔高程介于20m-820m之间。其中一期工程属中西部山区地形，以山岭重丘为主，地形起伏较大。多数涵洞位处填土较高、涵轴地面线坡度较陡，设计采用闭合框架作为横向排水构造物。由于该项目存在很多填方较高的涵洞（填方高度大于6米约占60%，最大填方高度约30米），如果按照法国结构物设计规范考虑马斯顿效应，会导致截面尺寸很大，配筋量也很大，因设计保守而造成浪费。法国规范中规定可以采取一定的减荷方法来消除马斯顿效应，根据国内外对高填方涵洞卸载措施的研究，对比了采用涵洞顶部设置“土轮胎”、碎石台背回填等方法，最终采用EPS聚苯乙烯泡沫板来对涵洞顶填土荷载进行减载。

1.1.2国内外研究现状

涵洞工程在公路建设中是必不可缺的构造物，涵洞的结构尺寸取决于它的土压力，涵洞土压力的计算方法在不同的国家不同的行业中略有不同，计算结果相差很大。涵洞的垂直土压力随着填土高度的增加而增大，为了减小过大的土压力对构造物的破坏，减荷措施便十分有用。减荷作用的原理是使涵洞上方填土的两侧外土柱对内土柱的向下摩擦力变小会反向。为了达到这个目的，我们将具有良好压缩性能的材料布置于涵洞顶部，这会减小由于填土和涵洞刚度差异而导致的沉降差进而减小向下的摩擦力，并且高弹性材料的厚度和密度都对涵洞的减荷效果有着不同的影响。

1913年美国土木工程协会主席马斯顿教授，首次提出了上埋式构筑物土压力相关的计算公式，与此同时他也提出了“等沉面”^[1]这个基于“摩擦学说”的概念。由于涵洞为刚性结构而填土为柔性结构，涵顶填土内外土柱之间存在沉降差而产生摩擦力，这使得涵洞顶产生附加荷载。马斯顿的上埋式构造物垂直土压力理论是基于散体极限平衡理论提出的，它解释了涵洞与土体之间的力学关系，清楚的讲明了涵洞的土压力是如何因涵洞与填土间刚度的差异而导致的变化，这也是法国上埋式构筑物设计规范中提到的马斯顿效应， 然而，马斯顿理论也存在着一些问题，如公式推导中的假定不合理以及数学推理中忽略了一些因素，虽然马斯顿理论存在着一定的缺陷，但他对于高填方涵洞的发展所起到的推动作用不容忽视。

1924年到1927年North Carolina^[2]做了现场试验，1933年到1947年美国M.G.Spaglor等人也进行了大量的试验来进一步丰富了马斯顿理论。他们对“等沉面”高度问题提出了不同于马斯顿理论的计算公式，形成了Marston-Spanger理论，但这个理论本身也并不完善，它无法反映出涵洞周围的土压力分布情况。另外，用该理论计算涵洞垂直土压力的结果也不准确，用于上埋式涵洞计算时会导致计算结果会比实际值偏大，用于沟埋式涵洞计算时会导致计算结果会比实际值偏小^[3]。

1937年，德国A.Voelmy^[4]在朗肯土压力理论和弹性理论的基础上提出了有关上埋式和沟埋式管道的土压力的计算方法。他基于沟槽边界条件做了不同的假设，较为全面地研究了上埋式和沟埋式结构物的土压力计算，但使用他的理论算出的垂直土压力结果较马斯顿理论计算结果偏大。

1946年，前苏联学者提出了坝下泄水洞的土压力计算理论并在1957年所著的《地下管计算》^[5]这本书重新比较了弹性理论和散体极限平衡理论公式的计算结果，给出了新的垂直土压力系数。

1957年和1962年，日本学者市原松坪和汤浅钦史发表了一些论文，文中基于对一些现场实测数据及室内模型实验的分析，进一步对马斯顿公式进行了修正，进一步丰富了马斯顿理论，除此之外，日本名神高速公路设计规范在马斯顿理论基础上对“等沉面”高度计算方法进行了修正，也对马斯顿理论进行了补充。

1961年捷克的M.L.Pruska^[6] 发表的论文《刚性涵洞上的土压力计算》中，提出了关于上埋式管道垂直土压力计算方法。该方法将涵顶填土假定为半无限弹性体利用弹性理论求得管顶土压力，再计算地基的沉降量。计算方法类似于分层总和法，思路大致如下：先计算每层填土的变形量，再通过应力应变关系反算每层的附加压力，然后计算出涵顶的垂直土压力，但由于该计算方法计算结果偏大，不常用于工程中。

1999~2003年，Dancygier 和 Karinski 陆续发表了三篇论文，论文中介绍了一系列计算模型，其中Dancygier –Karinski模型可以用来计算上埋式土压力的分布。

建国初期我国的铁路规范任采用前苏联的“卸载拱”理论来进行涵洞土压力计算，但由于该理论存在着重大的缺陷，在计算过程中没有到涵洞与周围填土之间刚度差异导致实际涵洞所受到的土压力远大于计算值，造成了许多涵洞工程的破坏，于是在1959年我国放弃“卸载拱”理论，开始使用马斯顿理论并对其进行了修正。

1960年，浙大教授曾国熙在他的论文《土坝下涵管竖向压力的计算》中提出土压力计算时要考虑纵向不均匀沉降引起的土拱效应。

1963年，顾安全教授对上埋式构筑物垂直土压力的影响因素进行研究，这些研究是以实际工程为依据的。涵洞顶部平面内外土柱间沉降差是影响土压力的重要因素，顾安全教授考虑到这点后以变形条件为分析支点，以弹性理论为基础推出了上埋式构筑物垂直土压力的计算公式。

1959年到1963年，顾安全教授以室内模型试验为基础进行了一系列有关涵洞顶部土压力的研究。他做了一些减荷的试验，用谷壳这类材料垫铺在涵洞顶部来测试减荷效果，试验结果表明用这种方法减荷效果明显。

1986年，王晓谋进行了室内模拟试验，他将海绵铺设在涵顶，使用不同厚度和不同压缩模量的海绵进行实验，得到了它们对涵顶土压力的影响规律，同年，折学森研究了沟谷地区埋设涵洞的受力情况，他认为填土在固结下沉时会受到两侧土体的阻力，对填土产生向上的摩擦力，发生土拱效应。涵洞垂直土压力的计算公式被他在弹性理论的基础上考虑了沟谷地形影响进行了修正。

1989年，现场测试中对几种典型土质条件下的土压力结果进行比较，林选青提出了高填方下的构造物的设计方法和计算理论，同年，田文铎基于散粒体极限平衡理论，指出各种半经验半理论公式的不足，认为这些公式未考虑涵洞土体之间刚度不同使得受力计算不准确，他从实验和工程实际出发，提出了一套是适用于刚性和柔性管涵的计算公式。

1994年．郝宪武^[7]对高填方涵顶铺设柔性材料后的受力情况进行了有限元分析。有限元分析计算中，依据材料特性和受力特点将土体和柔性材料假定为黏弹塑性模型，钢筋混凝土涵管视作弹性模型，通过软件计算得到涵顶周围土体的土压力及涵管应力。

1999年至2000年，在高速公路某一高填土涵洞上顾安全教授进行了不同的土压力试验，考虑涵顶填筑松土、松砂以及的EPS板的不同厚度对试验结果的影响，本次试验的进行证明了EPS板具有良好的减荷效果，同时也证明了不同厚度的EPS板所产生的减荷效果也差异巨大。2000年，冯忠居提出了利用填土沉降差减少涵洞土压力的施工方法。

2003年到2004年，杨锡武提出了“加筋桥”^[8]的减荷方法。

2006年，韩国研究人员进行了一项试验，他们在涵洞两侧分别铺设了EPS板和废旧轮胎来达到减少结构物的动态冲击荷载作用，该试验结果表明这两种减荷材料都能减少涵洞在填土碾压过程中所受到的动态荷载。

2008，翁效林、谢永利等人通过实验研究发现涵洞顶部填土高度达到一定程度时会因为沟谷地形的原因而出现拱效应，这是不稳定的状态，而相同情况下在涵洞顶部铺设柔性材料PVC会使得涵顶受到垂直土压力变小，当填土高度越大时这种减荷效果越明显。

2012年，顾安全、王晓某、曹周阳对于未实施减荷措施条件下和实施减荷措施条件下的涵洞发明了新的土压力的计算方法，该发明的计算结果更加贴近现实，可以为涵洞减荷方案提供理论基础和计算依据。

2014年，张海辉对EPS板在高填方涵洞减荷效果进行应用研究，他结合工程实际与EPS材料的工程特性为高填方涵洞使用EPS板减荷提供了施工要点，为高填方涵洞EPS减荷法的推广使用奠定了基础。同年，吴章华结合某高速公路现场试验对EPS板减荷施工技术进行研究，对EPS板的使用推广及降低相关工程造价做出了贡献。

2017年，冯忠居、郝雨萌、潘放等人发明了新的高填方土压力的计算方法，他们在设计时对于涵洞结构和地形地貌、土质条件进行了全面考量，使得计算结果与实际工程中涵洞受力更为接近，为防止涵洞的保守设计而造成经济浪费做出了很大贡献。

在过去的多年时间里，国内外诸多研究人员研究了采用EPS泡沫板、废旧轮胎、锯末、含秸秆的松土、干草等材料进行减少涵洞顶部垂直土压力的效果，试验表明，通过减小涵洞顶部内外土柱沉降差均可减少涵洞所受垂直土压力，并可改善涵洞纵向不均匀沉降。

本毕业论文探讨高填方路堤路段涵洞如何采取措施进行减荷，以消除马斯顿效应，有效地减少工程量，并改善因涵洞纵向梯形填土造成的不均匀沉降。

图1.1 高填方涵洞消除马斯顿效应方法示意图

1.2涵洞减荷措施研究现状

1.2.1涵洞减荷措施的原理

首先，我们看一下高填方涵洞土体变形和垂直土压力之间的关系，垂直土压力与土体变形关系密切，影响垂直土压力的因素一定程度上也会影响到涵洞顶部内外土柱的沉降差，在一般条件下我们将涵顶外土柱比内土柱多出来的沉降差称为 δ若相反称之为-δ,和变形相对应的还产生了一部分外土柱对内土柱向下的附加摩擦力。减荷措施是基于涵洞刚度和两侧填土刚度的差异进行研究的，它的的工作机制是采取一些措施减少 δ,降低向下的摩擦力从而降低涵顶垂直土压力。

1.2.2涵洞减荷措施研究现状

在过去的多年时间里，国内外有许多学者认为在涵洞上面一定范围内填充材质较软的材料可以起到减荷作用。从1959年到1962年,顾安全教授的通过室内模型试验,对此进行了研究，试验表明柔性填料对于涵洞可以起到减小顶部垂直土压力的作用，且具有工程可行性。除此之外，诸多研究人员研究了采用EPS泡沫板、废旧轮胎、锯末、含秸秆的松土、干草等材料进行减少涵洞顶部垂直土压力的效果，试验表明，通过减小涵洞顶部内外土柱沉降差均可减少涵洞所受垂直土压力，并可改善涵洞纵向不均匀沉降。另外，也有一部分学者提出了另外的解决方法如加筋减荷法^[9]。它的原理是在涵洞上方筑建一个较周围土体压实度偏低的土体，构成一个减荷孔，在其上方分层加筋，由于荷载作用孔内和孔两侧产生沉降差，钢筋会在土压力的作用下向下弯曲，形成加筋桥，使涵洞顶部土压力传递至侧面的土体，进而起到减荷的作用，该方法的优点是工程造价会比较低，施工工艺简单，安全性较高。

1.3高填方涵洞土压力理论介绍

由于不同国家不同地区的地理特征不同，地形差异巨大，不同国家在这个问题的研究上也存在着明显的不同，西方的发达国家在公路的建设中会更加注重环境的保护，以尽量减少高填深挖的路基来减少对自然环境的破坏，所以在高填方涵洞的研究成果不多，主要是低填方涵洞的研究。我国由于地质实际和经济条件，高填方涵洞较常出现，对于解决高填方涵洞所带来的问题有着蛮多的研究。

目前，上埋式管道土压力的计算方法已有二十多种，在这些计算方法中，最为突出的有这么几种：（1）散体极限平衡法；（2）“卸荷拱”法；（3）土柱法；（4）弹性理论法；（5）压力集中系数法；（6） 顾安全管涵土压力理论^[10]；（7）有限云数值分析法。

1.3.1散体极限平衡法

散体极限平衡法的代表人物是马斯顿，它是以“摩擦学说”为基础建立发展的^[11]。

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