考虑侧填荷载作用的上埋式高填土涵洞地基破坏模式及地基承载力的理论分析研究

For the embanked culverts, the lateral fill load impact to foundation bearing capacity (limited) is significant. Meanwhile, since there is no mature theory to descript the base failure mode which is under lateral fill load, so that research to establish the failure mode and limited bearing capacity is valuable. This project will base on indoor experiment, FEM and theory deduction to establish the foundation failure mode and limited bearing load. The indoor experiment will analyze the foundation soil type, foundation rigidity, foundation structure, fill height of culverts sides and the test data result in order to develop the whole procedure of the foundation from distortion to damage. Also the P-S curve will be output to investigate the transform rule of stress field and displacement field which is attached to culverts and foundation. According to experiment result and FEM data output, the rough foundation failure mode formulas can be established. Based on the theory of soil mechanics analysis methods, and comparing the experiment result, the function/formulas for integral and separated foundations bearing capacity of embanked culverts will be established. Thus, the further research of relativity, which is between lateral fill load impacting and the "embed effect" of Specification , will develop the design principle of embed depth for embanked culverts. The above study will be valuable for foundation design of embanked culverts and calculation of foundation bearing capacity.

对于上埋式高填土涵洞，侧填荷载对地基（极限）承载力的影响不容忽视，但对于侧填载荷下的涵洞地基破坏模式目前尚未有成熟的理论研究。本项目基于室内模型试验、数值模拟和理论计算研究手段，得出侧填荷载作用下涵洞地基土的破坏模式和（极限）承载力。室内模型实验将通过综合考虑地基土质、刚度、基础形式、涵测填土高度的工况，整合分析模型试验数据，揭示地基土受荷变形直至破坏的全过程；输出P-S曲线，探求涵洞、涵测地基土的附加应力场、位移场变化规律；同时与数值计算绘制的临界内摩擦角等值分布图，共同分析出地基破坏模式。依据土力学的理论分析方法，并且对比模型试验结果，建立分离式和整体式两种基础形式的高填土涵洞地基极限承载力计算表达；进而探讨涵侧荷载作用与规范"深度效应"的相关性，提出涵测填土存在"临界深度"，引申出高填土涵洞埋置深度设计原则。以上研究将对指导高填土涵洞基础设计及确定地基承载力具有重要的理论和工程意义。

针对目前侧填荷载作用下，上埋式高填土涵洞地基承载力和地基破坏模式尚未有成熟的理论参考资料的背景下，本项目开展如下研究：（1）考虑地基土质、涵洞基础形式和涵洞侧面不同填土高度的影响，设计并完成地基（极限）承载力模型实验。用承压板模拟基础形式，观测地基土受荷变形直至破坏的全过程，输出P-S曲线，依据规范确定地基（极限）承载力。讨论地基（极限）承载力与涵侧填土高度的关系，涵侧填土作为旁压荷载增强了地基土的抗剪强度，对提高地基承载力的贡献不容忽视。提高的幅度随涵侧填土高度的增加先增大而后逐渐减小。实验表明，涵侧填土高度在2m-6m对高填方涵洞地基承载力提高幅度显著，为涵洞工程设计与施工提供理论依据。（2）考虑三种地基填土材料（干砂，黏土和饱和黏土）、两种基础形式（整体式基础、分离式基础）和两种涵洞结构形式（拱涵、盖板涵），完成高填土涵洞室内模型实验，得到涵洞底部和涵侧附加应力分布、沉降位移分布。涵洞地基中应力、位移分布均基本对称，整体式基础形式的基底中心点处地基应力远远高于采用分离式基础形式，分离式基础涵洞跨度中心点处的位移值要高于基底和基底外侧其他部位。（3）数值模拟计算验证模型实验的应力、位移分布结论。根据地基土中的应力状态，按库仑-摩尔破坏准则计算出相应的临界状态的内摩擦角，并绘制出临界内摩擦角等值线图的数值模拟结果。（4）提出了整体基础形式下涵洞地基破坏模式为由于刚度差异引起差异沉降，而最终引起地基土剪切破坏。由临界状态的内摩擦角数值模拟结果，对比分析土柱法、太沙基公式，梅耶霍夫公式，07桥基规范计算地基承载力的结果，对于深埋基础建议优先选取整体式基础形式。解释07桥基规范中关于地基承载力的宽度、深度修正条款对整体式涵洞基础地基承载力的不适用性。从满足强度、刚度要求的研究角度出发，提出整体式基础地基承载力采用地基承载力特征值的最低标准，并加上差异沉降引起的附加应力两者和组成，推导出简单易行的计算表达式，可以为实际施工提供理论指导。为保证从基础到地基刚度逐渐过渡，减小差异沉降，对紧邻基础给出换填宽度的建议取值范围，对于防止地基发生剪切破坏有一定现实意义。