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不同形状涵洞垂直土压力的研究

作　者: 高彦婷
导　师: 李永刚
学　校: 太原理工大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 涵洞模型试验垂直土压力有限单元法数值模拟 ANSYS软件截面几何尺寸
分类号: TU432
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

涵洞是水利、铁路、公路等工程和市政建设及能源部门中常用的建筑物。尤其在道路工程中,因其数量多、工程量占总工程比重大,常需根据地形和使用要求选择不同形状的涵洞。所以,涵洞的设计是否得当,直接影响工程造价和使用效果。文献表明:由于缺乏合理的垂直土压力计算理论,涵洞在运营中常出现各种病害。特别是沟埋式涵洞,虽然计算公式很多,但方法尚不成熟,都存在一定的局限性,以致现行水工建筑物荷载设计规范中没有推荐计算方法。本文在对文献[20]、[46]所陈述的室内模型试验结果分析的基础上,结合有限元数值模拟,对不同形状涵洞土压力的分布规律进行了系统、深入的研究。所引模型试验以硬基、砂性填土条件下的刚性涵洞为研究对象,通过观测埋设于土体中的标志在分层填筑砂性土自重作用下的沉降位移,得到了不同填土高度下,矩形和梯形两种沟槽断面中涵洞填土的沉降位移等值线图;通过电测埋设于涵洞附近压力盒的变形,间接获得方形和圆形两种断面涵洞周边土压力的分布情况。在此基础上,分析了洞顶垂直土压力系数K s与填土高度H、沟槽底宽B以及开挖坡度m的关系;借助大型通用有限元分析程序ANSYS,选用试验参数,对所引模型试验进行施工过程模拟,得到填土位移场及洞顶垂直土压力系数,进而与试验结果对比,验证了采用该程序模拟涵洞土压力的可靠性。分析比较知:矩形沟槽涵洞在沟槽底宽B与涵洞外径D的比B/D=1时,涵洞土压力系数随填土高度的增加而单调减小。B/D≥2时,土压力系数随填土高度先增后减。填土高度相同时,土压力系数随槽宽的增加而增大;梯形沟槽涵洞垂直土压力系数随填土高度的增加先增后减。填土高度相同时,土压力系数随沟坡的变缓而增大。利用ANSYS,模拟箱形、圆形及拱形涵洞填土的位移场和应力场,讨论了同形状涵洞截面几何尺寸对洞顶垂直土压力的影响,分析比较了不同形状涵洞土压力的变化规律。结果表明:相同形状的涵洞,洞顶土压力分布相似。箱涵涵顶土压力呈“M”型分布,圆涵和拱涵涵顶土压力呈倒“U”型分布;相同高宽比的不同形状涵洞,圆涵和拱涵涵顶垂直土压力系数几乎相等,箱涵涵顶垂直土压力系数要比它们都大。沟埋式条件下,圆涵和拱涵土压力系数与箱涵土压力系数的差值在5﹪左右,上埋式条件下,差值达到6﹪左右。B/D=10可近似认为是上埋式涵洞与矩槽沟埋式涵洞的分界点;随高宽比的增大,各形状涵洞洞顶土压力集中越明显,土压力系数也越大,且涵顶越平,洞顶土压力系数越大。本文的研究工作,重要的是使用有限元方法模拟、分析不同形状涵洞以及同形状涵洞不同截面几何尺寸条件下土压力的变化规律,对涵洞工程中截面的选择和优化具有重要意义,得到了一些可指导工程设计和施工的结论和建议,但仍然需要实践的检验。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-28
  1.1 引言  9-12
    1.1.1 涵洞的概念  9
    1.1.2 涵洞的分类  9-12
  1.2 研究背景  12-13
  1.3 国内外研究动态及存在的问题  13-17
  1.4 涵洞垂直土压力计算的典型理论及方法  17-26
    1.4.1 涵洞垂直土压力的形成机理  17-18
    1.4.2 涵洞垂直土压力的一般计算方法  18-26
  1.5 本文主要研究内容  26-28
第二章沟埋式涵洞土压力模型试验结果分析  28-40
  2.1 模型试验结果分析  28-39
    2.1.1 填土竖向位移场分析  28-32
    2.1.2 洞顶垂直土压力分析  32-34
    2.1.3 洞顶垂直土压力系数分析  34-39
  2.2 结论  39-40
第三章涵洞垂直土压力的数值模拟  40-56
  3.1 有限元法概述  40-41
  3.2 ANSYS 有限元软件  41-42
    3.2.1 ANSYS 概述  41-42
    3.2.2 ANSYS 的模拟计算过程  42
  3.3 涵洞土压力的ANSYS 有限元模拟  42-55
    3.3.1 模型及参数  42-43
    3.3.2 施工过程模拟  43-45
    3.3.3 生死单元  45
    3.3.4 土与结构的相互作用——摩擦单元  45-46
    3.3.5 模拟结果与试验结果的对比  46-55
  3.4 小结  55-56
第四章不同形状涵洞土压力的有限元分析  56-88
  4.1 计算模型及参数  56-57
    4.1.1 几何模型  56-57
    4.1.2 参数选取  57
  4.2 上埋式涵洞分析  57-68
    4.2.1 洞形对土压力的影响  57-64
    4.2.2 涵洞截面尺寸对土压力的影响  64-68
  4.3 沟埋式涵洞分析  68-87
    4.3.1 洞形对土压力的影响  68-76
    4.3.2 涵洞截面尺寸对土压力的影响  76-87
  4.4 小结  87-88
第五章结论与建议  88-90
  5.1 主要结论  88-89
  5.2 建议  89-90
参考文献  90-93
致谢  93-94
攻读学位期间发表的学术论文  94

不同形状涵洞垂直土压力的研究

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