專利名稱：泡沫塑料板減荷措施在上埋式構筑物(如涵洞)中的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及巖土工程技術領域。適用于公路、鐵路、水利、電力、礦山、市政、石油、軍工等部門中的各式各樣上埋式構筑物，諸如用于行人、行車、排水等的路堤與渠堤下的涵洞、涵管，尾礦壩(庫)下的排洪洞，土石壩下的廊道、泄水洞，填埋式地下變電站、各類地下通道及武器掩蔽體等。
背景技術：
涵洞(管)屬于上埋式構筑物，也是當今國際上稱為“生命線工程”之一種。它在交通、水利、鐵路、礦山、電力、市政、石油、軍工等諸多部門廣為應用。
隨著我國高等級公路建設的迅猛發(fā)展，高填路堤下的涵洞(或涵管)的受力、沉降與開裂問題已引起工程技術人員的普遍關注。由于現(xiàn)行“公路橋涵設計手冊”及有關“規(guī)范”、“規(guī)程”中規(guī)定或推薦的土壓力計算公式、涵洞設計標準圖及其施工方法，均未能恰當?shù)乜紤]、處理和計算高填土(石)涵洞的土壓力及其變形，以致普遍引起涵洞開裂和過大的不均勻沉降，特別是在軟土地基上更為突出，故有“十涵九裂”之說，給工程帶來了不小的損失。針對這一問題，很多單位企圖加大基礎的剛度、寬度與深度來解決這一問題，甚至在軟土地基中采用樁基。這么做的結(jié)果實得其反，不僅浪費了大量人力、物力，而且導致涵洞受力更大，開裂病害更為嚴重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供對于高填土上埋式構筑物(如涵洞)，旨在減小洞頂及側(cè)向的土壓力，從而可以減小設計結(jié)構斷面，降低工程造價，達到經(jīng)濟合理的設計目標，同時可以防止構筑物開裂病害的產(chǎn)生，減小構筑物軸向的不均勻沉降。對于低填土上埋式構筑物，本成果旨在消除涵洞在填土中因剛度大于填土而引起的路面凸起變形，以確保路面平整的EPS板減荷措施在上埋式構筑物(如涵洞)中的應用。
本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的。
一種EPS板減荷措施在上埋式構筑物(如涵洞)中的應用，其特征在于a、EPS板的結(jié)構強度與厚度之選定是根據(jù)構筑物的尺度(凸出地面的高度與截面寬度)、填土高度及地基巖性(巖基或土基的壓縮模量)，確定EPS板的結(jié)構強度和厚度，具體辦法是按填土高度的1/2～2/3的土柱壓力選定洞頂EPS板的結(jié)構強度；按涵洞凸出地面高度的2％～6％(巖石地基取小值、軟土地取基大值，一般土地基取中值)選定洞頂EPS板的厚度；對樁基涵洞要按具體情況確定；洞側(cè)EPS板的結(jié)構強度可按洞頂EPS板的結(jié)構強度的1/2～2/3選定；為了調(diào)整構筑物(如涵洞)軸向的應力分布，減小軸向沉降不均勻的彎曲變形，可按洞頂填土高度變化，在洞軸向采用變厚度的EPS板的厚度按照以上原則也需進行相應的調(diào)整；對于填土為梯形斷面的土壩、路堤、渠堤下的構筑物，兩端填土低的段落無需鋪設EPS板。
b、土壓力計算公式洞側(cè)采取減荷措施的平面問題構筑物水平土壓力計算公式σ=KhγH[2ωCB(1-μ2)EhE*+(1+h+h*2H)(h+h*)EE*ηωCB(1-μ2)EhE*+h*EhE]---(1)]]>洞頂不采取減荷措施的空間問題構筑物垂直土壓力計算公式σ=γH[(1+h2H)hEωcB(1-μ2)Ehη]---(2)]]>以上兩式中h——涵洞高度(包括基礎厚度)，m；H——涵洞頂填土高度，m；B——涵洞寬度，m；ωc——與剛性構筑物長寬比 及基底形狀有關的系數(shù)，如下表所列；對于空間問題的上埋式構筑物，ωc仍查此表；μ——洞頂填土的側(cè)脹系數(shù)(泊松比)；E、Eh——分別是洞頂填土與洞側(cè)填土高度范圍內(nèi)的變形模量(或壓縮模量Es，E=(1-2μ21-μ)Es)]]>)平均值(Mpa)；E與Eh的取值可以作為常量，但最好分別按p=12γH]]>及p=γ(12h+H)]]>在室內(nèi)壓縮實驗所提供的Es-P曲線上作為變量查?。沪恰唇孛?包括基礎)外形影響系數(shù)，η=BB1,]]>B1=Ah,]]>其中B1為截面換算寬度，A為涵洞外形橫截面面積；對沒有襟邊的矩形、方形涵洞，顯然η＝1；E*、h*——分別為涵頂所鋪EPS板的變形模量和厚度；E*取值方法與E值取值方法相同。
ωc值表

本發(fā)明經(jīng)檢索，與國內(nèi)外同類技術比較，從已檢索到國內(nèi)外同類文獻或課題的成果資料看，其研究內(nèi)容的深度和廣度，以及實用性方面，都未達到本課題研究所取得成果的程度。
本發(fā)明的技術原理是利用EPS板材具有結(jié)構強度的大變形特性，隨著洞頂填土的增高，EPS板從微小的彈性變形，發(fā)展到因結(jié)構強度破壞而產(chǎn)生的大變形，從而促使洞周圍填土產(chǎn)生土拱效應，使土壓力大為減小。
優(yōu)點與效果本發(fā)明的技術措施現(xiàn)場實施十分簡便，只需把按構筑物尺度所確定的EPS板鋪于洞頂和立于洞側(cè)，然后填土即可。具有重要的理論意義和實用價值，經(jīng)濟效益顯著，總體上處于國際先進水平；在減荷后背側(cè)向土壓力計算及空間問題的研究方面達到國際領先水平。
關于涵洞的開裂病害，從1959年起已調(diào)查收集了300多座涵洞資料，其中縱向開裂者占到72％。涵洞的橫向開裂是不均勻沉降引起的，而縱向開裂者則是由于土壓力過大所致。影響涵洞土壓力及其變形的因素很多，如地基巖土的性狀、填土的性狀、埋設的周邊地形、埋設方式、施工方法、填土速度以及涵洞與基礎的形狀、尺度和剛度等。由于涵洞的土壓力與變形，主要受制于涵洞、地基與填土三者各自的變化和相互之間的影響，而填土是在建好涵洞構筑物后加上去的，因此可以通過不同的減荷措施，人為地調(diào)整洞頂和洞側(cè)在縱向與橫向的土壓力分布，減少豎向與側(cè)向的土壓力，而這一點很少為工程界所了解、關注。即便不采取減荷措施，按常規(guī)方法設計與施工，其控制結(jié)構斷面設計的垂直土壓力計算方法，國內(nèi)外也已有近二十余種?，F(xiàn)實際情況是不僅各國“規(guī)范”、“規(guī)程”、“手冊”等所用方法、公式不同，就是在國內(nèi)不同部門所用的方法、公式也不統(tǒng)一。不同方法在計算高填土涵洞土壓力時，其結(jié)果相差很大，若用計算偏大和偏小的兩種極端的公式計算特高填土涵洞(如百米高的尾礦壩排洪涵洞)，有時差到十幾倍，幾十倍。
鑒于以上情況，從1959年起至今，先后進行過四次不同情況的室內(nèi)模型試驗、一次大比例尺現(xiàn)場模型試驗和七個工點的現(xiàn)場實體測試，其中三次是在原冶金工業(yè)部三個高尾礦壩排洪涵洞上進行的，尾礦填筑高度分別是80、120、172米(冶金部攻關項目)，每個都進行了長達九年之久的現(xiàn)場測試，獲得了重大研究成果。1978年曾以“上埋式管道及洞室垂直土壓力理論的研究”成果，榮獲全國科學大會“重大科技成果”和“作出突出貢獻的先進科技工作者”雙項獎。1984年原冶金工業(yè)部頒發(fā)的“尾礦壩設計規(guī)程”列入了我們提出的土壓力計算公式(定名為顧安全公式)根據(jù)以往4個工點的現(xiàn)場測試結(jié)果，洞頂與洞側(cè)土壓力約分別減小2/3和1/2。
為了建立新的涵洞設計理念，使涵洞設計的更加經(jīng)濟合理，1999～2001年又在廣東省廣惠高速公路33米的涵洞上首次采用EPS(Expanded Polystyrene)板進行了“減荷措施在高填土涵洞中的應用研究”，獲得了十分可喜的成果，使洞頂垂直土壓力大為減小。為了進一步驗證、深入和推廣以往研究成果，2001～2003年又在四川省南廣高速公路的兩個工點，進行了“高填路堤涵洞土壓力與變形及其減荷措施的試驗研究”，其中首次用EPS板對洞頂與洞側(cè)同時進行減荷，取得了顯著效果，并提出、完善了相應的垂直于水平土壓力計算公式。附帶在現(xiàn)場還做了平面問題與空間問題上埋式構筑物的大比例尺模型試驗，并首次對空間問題構筑物提出了土壓力計算公式。與此同時，還兼顧解決了涵洞在填土中引起的路面凸起變形等。


圖1為A涵洞頂垂直土壓力與填土深度之關系圖。
圖2為B涵洞頂垂直土壓力與填土深度之關系圖。
圖3為A涵洞側(cè)向土壓力與填土深度之關系圖。
圖4為B涵洞側(cè)向土壓力與填土深度之關系圖。
圖5為A涵洞頂測試為縱向垂直土壓力分布圖。
圖6為B涵洞頂測試為縱向垂直土壓力分布圖。
圖7為A涵洞側(cè)測試為縱向垂直土壓力分布圖。
圖8為B涵洞側(cè)測試為縱向垂直土壓力分布圖。
本發(fā)明實施方式，不限于下面實施例。
實施例1 陜西黑木林尾礦壩排洪洞洞頂尾礦填筑高度60米，排洪結(jié)構，原結(jié)構斷面是按照40米高的尾礦壩設計的，后因設計方案變更，已竣工的排洪洞強度遠遠不能滿足，為此，甲方提出采用減荷措施予以解決。當時國內(nèi)尚沒有EPS板材，我們采用了當?shù)氐牡静葑鳛槎错數(shù)娜嵝圆牧线M行卸荷，根據(jù)計算，我們在洞頂填鋪了50厘米厚的稻草，歷經(jīng)9年半的現(xiàn)場測試，洞頂?shù)拇怪蓖翂毫p少了約2/3，從而確保了原有排洪洞能夠長期正常運營。(顧安全、趙玉瓊“黑木林尾礦壩排洪洞垂直土壓力的減荷措施現(xiàn)場試驗研究”，1992年)。
實施例2 廣東省廣——惠高速公路試驗涵洞，洞頂填土高度32米，拱涵結(jié)構，根據(jù)洞頂填土高度的變化，EPS板的選用厚度為15～30厘米，經(jīng)兩年的試驗觀測，洞頂垂直土壓力約減少了2/3。(顧安全、金濱、馮瑞玲“減荷措施(用EPS板材料)在高填土涵洞中的應用研究”，第七屆全國巖石力學與工程學術大會論文集，2002年8月)。
實施例3 四川省南——廣高速公路試驗涵洞，兩個工點填土高度均接近10米的蓋板涵，我們在洞頂和洞側(cè)分別鋪設了不同厚度的EPS板進行試驗，經(jīng)兩年的試驗觀測，洞頂?shù)拇怪蓖翂毫s減少了2/3，洞側(cè)的水平土壓力約減少了1/2，如圖8所示。(楊福林、顧安全、張世平、王興平等“高填土涵洞土壓力與變形及其減荷措施的試驗研究”，2003年11月)。
權利要求
1.一種EPS板減荷措施在上埋式構筑物(如涵洞)中的應用，其特征在于a、EPS板的結(jié)構強度與厚度之選定是根據(jù)構筑物的尺度、填土高度及地基巖性，確定EPS板的結(jié)構強度和厚度，具體辦法是按填土高度的1/2～2/3的土柱壓力選定洞頂EPS板的結(jié)構強度；按涵洞凸出地面高度的2％～6％選定洞頂EPS板的厚度；對樁基涵洞要按具體情況確定；洞側(cè)EPS板的結(jié)構強度可按洞頂EPS板的結(jié)構強度的1/2～2/3選定；為了調(diào)整構筑物軸向的應力分布，減小軸向沉降不均勻的彎曲變形，可按洞頂填土高度變化，在洞軸向采用變厚度的EPS板的厚度按照以上原則也需進行相應的調(diào)整；對于填土為梯形斷面的土壩、路堤、渠堤下的構筑物，兩端填土低的段落無需鋪設EPS板。b、土壓力計算公式洞側(cè)采取減荷措施的平面問題構筑物水平土壓力計算公式σ=KhγH[2ωCB(1-μ2)EhE*+(1+h+h*2H)(h+h*)EE*ηωCB(1-μ2)EhE*+h*EhE]]]>………………①.洞頂不采取減荷措施的空間問題構筑物垂直土壓力計算公式σ=γH[(1+h2H)hEωcB(1-μ2)Ehη]]]>………………②
全文摘要
一種EPS板減荷措施在上埋式構筑物(如涵洞)中的應用，①EPS板的結(jié)構強度與厚度之選定是根據(jù)構筑物的尺度、填土高度及地基巖性，確定EPS板的結(jié)構強度和厚度，即按填土高度的1/2～2/3的土柱壓力選定洞頂EPS板的結(jié)構強度；按涵洞凸出地面高度的2％～6％選定洞頂EPS板的厚度；對樁基涵洞要按具體情況確定；洞側(cè)EPS板的結(jié)構強度可按洞頂EPS板的結(jié)構強度的1/2～2/3選定。②洞側(cè)采取減荷措施的平面問題構筑物水平土壓力計算公式；洞頂不采取減荷措施的空間問題構筑物垂直土壓力計算公式。本發(fā)明的技術措施現(xiàn)場實施十分簡便。本發(fā)明具有重要的理論意義和實用價值，經(jīng)濟效益顯著，總體上處于國際先進水平，在減荷后的臺背側(cè)向土壓力計算及空間問題的研究方面達到國際領先水平。
文檔編號E01F5/00GK1563589SQ20041002226
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月9日 優(yōu)先權日2004年4月9日
發(fā)明者顧安全, 楊福林, 張世平, 王興平, 王曉謀, 陳建勛, 劉滿全, 魏瑞, 顧濱, 伍曉東, 郭婷婷, 馮瑞玲, 康琦, 鄧國華, 王興林, 陳雪梅 申請人:四川川東高速公路有限責任公司