1 緒論

1.1 研究背景及意義
我國黃土在華北、西北、東北等地分布廣泛，主要集中在被稱為中央黃土高原的山西、甘肅、陜西、寧夏等省區(qū)，以其地層全、厚度大、分布廣和特殊的工程性質(zhì)而聞名于世[1]。目前，隨著黃土高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程空前加速，城市化范圍也不斷加大，這對城市日趨緊張的土地資源及交通發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。鑒于黃土高原地區(qū)山高、溝深的特點(diǎn)，削山、填溝造地成為了解決這一問題的重要途徑，有力地緩解了城市用地緊張局面，而這將不可避免的對一些既有以及將要新建的公（鐵）路明洞進(jìn)行高回填。對于既有明洞的高回填，由于初始設(shè)計缺少對后期高填方的考慮，新增的土壓力將導(dǎo)致明洞襯砌強(qiáng)度及地基承載力不足，勢必會造成結(jié)構(gòu)開裂，基礎(chǔ)不均勻沉降，嚴(yán)重影響明洞正常使用和耐久性。對于將要新建的高填黃土明洞結(jié)構(gòu)，一方面明洞的修建能夠縮短線路，改善線路運(yùn)行條件；另一方面，由于高填土荷載大，將使結(jié)構(gòu)厚實(shí)，混凝土用量大，施工技術(shù)要求高；再者，水泥水化產(chǎn)生熱量較大，結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生裂縫，將嚴(yán)重影響明洞的耐久性。因此，為了減小實(shí)際作用在明洞洞頂?shù)耐翂毫�，保證結(jié)構(gòu)安全，采用卸載措施降低土壓力就顯得尤為重要。
目前，對于高填黃土明洞卸載結(jié)構(gòu)特性及其土壓力尚沒有適宜的理論及計算方法，只能憑借隧道的土壓力計算方法或經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算，而不是針對高填黃土明洞卸載結(jié)構(gòu)本身的受力特點(diǎn)進(jìn)行計算。若土壓力取值偏大，將導(dǎo)致設(shè)計過分保守，使結(jié)構(gòu)造價及地基工程處理費(fèi)用大大增加，造成經(jīng)濟(jì)上不必要的浪費(fèi)；相反，若土壓力取值偏小，則實(shí)際過大的土壓力會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的開裂、滲漏或積水，甚至引起結(jié)構(gòu)破壞、垮塌，影響安全使用。為了保證明洞結(jié)構(gòu)正常使用要求，必須對其進(jìn)行加固維修，難度通常較大，不僅花費(fèi)大量的人力、物力和財力，而且施工中造成交通不暢，產(chǎn)生不良影響，給交通管理部門帶來額外的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和巨大的社會壓力。因此，高填黃土明洞卸載結(jié)構(gòu)填土壓力特性及大小的確定成為制約結(jié)構(gòu)設(shè)計是否成功的關(guān)鍵。

高填黃土明洞填土荷載大，跨度大，加之周圍地形、地質(zhì)情況復(fù)雜，使得明洞洞頂土壓力受眾多因素的影響。明洞及其卸載結(jié)構(gòu)洞頂土壓力主要受結(jié)構(gòu)尺寸、邊坡坡角、地基剛度、回填黃土特性等因素的影響，沿跨度方向的差異性比較大。此外，卸載材料(EPS 板、土工格柵)特性及相互組合形式直接影響作用在明洞洞頂土壓力的大小，即卸載率的大小。正確認(rèn)識高填黃土明洞及其卸載結(jié)構(gòu)土壓力變化規(guī)律，明確各因素對明洞土壓力的影響，并形成合理的理論計算體系，避免土壓力過高或過低，使高填明洞結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，即在準(zhǔn)確指導(dǎo)高填明洞設(shè)計的同時，將顯著降低高填明洞施工成本。因此，有必要對高填黃土明洞及其卸載結(jié)構(gòu)土壓力分布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)和理論研究，并進(jìn)一步得到其土壓力計算方法，為該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，并具有非常重要的理論意義和工程實(shí)際意義。

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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 高填明洞研究現(xiàn)狀

高填明洞設(shè)計方面，主要是側(cè)重于如何通過改變幾何型式、斷面型式和地基剛度來適應(yīng)高填土壓力。何光洪（2012年）對深基高填明洞受力進(jìn)行了分析，主要采用數(shù)值模擬方法分析了施工過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形及穩(wěn)定性，同時，對內(nèi)襯砌施作時機(jī)對內(nèi)、外襯砌內(nèi)力的影響等也作了進(jìn)一步分析[2]；黃明琦（2008年）對明洞回填前后結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了評價，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，通過數(shù)值模擬分析明洞回填前后結(jié)構(gòu)安全性，計算結(jié)果表明，若要繼續(xù)填土至設(shè)計標(biāo)高，須對地基進(jìn)行加固處理,增加填土內(nèi)摩擦角，提高隧道周圍土體的抗力,降低填土荷載[3]；阮映輝（2011年）對偏壓明洞襯砌在不同洞頂回填傾角下的受力進(jìn)行了分析，采用ANSYS建立有限元模型，分別計算5°、10°、15°、20°、25°填土坡度情況下，襯砌結(jié)構(gòu)受力情況和結(jié)構(gòu)安全性，隨著回填傾角的增大，拱腳處截面軸力比彎矩的增長速率快[4]；程正明（2012年）對廈門翔安海底隧道軟基地段明洞不均勻沉降后的回填安全性和加固措施進(jìn)行了研究，采用數(shù)值模擬建立荷載-結(jié)構(gòu)分析模型，并根據(jù)現(xiàn)場情況，采取了有效的回填方案和后期加固處理措施，使不均勻沉降得到抑制，減小了裂縫的繼續(xù)發(fā)展[5]；楊雄（2013年）對超大跨度明洞襯砌結(jié)構(gòu)在超高回填荷載下結(jié)構(gòu)幾何型式和斷面型式的選擇進(jìn)行了探討，考慮結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性、施工可操作性，利用ANSYS建立有限元模型，研究適合于跨度大、回填荷載高的明洞襯砌結(jié)構(gòu)[6]；童勇江（2010年）對明洞洞頂合理填土高度進(jìn)行了分析，以一實(shí)際公路隧道明洞襯砌結(jié)構(gòu)為例，采用ANSYS有限元建立梁單元計算模型，計算2m、4m、6m、8m、10m不同填土高度下明洞襯砌結(jié)構(gòu)變形、受力和安全性，得出了明洞襯砌結(jié)構(gòu)的洞頂合理填土高度[7]；毛金龍（2011-2012年）通過對明洞基底處理，以護(hù)拱為安全儲備，采用加厚襯砌厚度、增加二次襯砌配筋等方法提高結(jié)構(gòu)安全性，通過ANSYS計算結(jié)果表明，明洞洞頂上覆15m回填土可以滿足設(shè)計要求[8]；匡亮（2013年）對溝谷山區(qū)超厚填土鐵路明洞進(jìn)行設(shè)計，通過ANSYS建立兩種計算模型（荷載-結(jié)構(gòu)模型、連續(xù)介質(zhì)模型）,對荷載組合、明洞結(jié)構(gòu)選型、襯砌受力分析、內(nèi)外襯關(guān)鍵工序、基礎(chǔ)處理形式、回填工程穩(wěn)定性及回填施工工藝等關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)進(jìn)行對比研究論證，最終得到合理的明洞結(jié)構(gòu)及施工工藝[9]。曠文濤（2014年）對蓋挖法和明挖法超高填明洞工程結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了數(shù)值模擬及理論分析，結(jié)果表明，明挖法修建的明洞工程，存在極限回填高度，而蓋挖法修建的超高回填明洞豎向壓力會大大減小，其值不受回填土高度變化影響，是修建超高回填明洞的有效方法[10]；羅祿森（2014年）考慮土體挾持作用的影響，推導(dǎo)出高填方明洞荷載計算方法，并對不同填土高度條件下考慮土體挾持作用理論與全土柱理論計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，挾持作用理論土壓力呈非線性變化，隨著填土高度的增加，與全土柱線性理論土壓力偏離越來越大，優(yōu)化了明洞荷載，提高了極限填土高度[11]；趙鵬（2014年）通過室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬三方面，研究了明洞洞頂土壓力的變化規(guī)律及土工格柵減載的減載效果，并回歸了土壓力計算公式[12]。

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2 黃土填料及 EPS 板力學(xué)性能試驗(yàn)研究

2.1 黃土壓縮及強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究
2.1.1 概述
埋設(shè)在黃土中的明洞結(jié)構(gòu)，在自重、相鄰?fù)馏w對其的側(cè)壓力和剪切力等各種荷載的作用下處于平衡狀態(tài)，填土-明洞-地基三者相互作用，形成一個受力、變形相互協(xié)調(diào)，相互影響、相互關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一體系。在這個體系中，填土的變形將影響明洞的受力情況，對明洞和地基而言，填土既是填料，又是外荷載；同時，也有支撐和傳遞荷載的作用，將土體自重及其后期的二期荷載傳遞到明洞和地基中。其與兩側(cè)填土壓縮模量的相對大小決定著土壓力的轉(zhuǎn)移方向，即當(dāng)明洞洞頂回填土體壓縮模量小于兩側(cè)填土?xí)r，明洞洞頂部分荷載將轉(zhuǎn)移到外土柱體上，使明洞洞頂土壓力減小，相反，則會引起明洞洞頂土壓力集中。此外，黃土粘聚力和摩擦角直接影響作用在明洞洞頂土壓力的大小，而黃土壓縮模量、粘聚力、摩擦角等力學(xué)特性與其壓實(shí)系數(shù)密切相關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)卸載并提高卸載率，回填黃土壓縮及強(qiáng)度特性隨壓實(shí)系數(shù)變化規(guī)律的研究，是解決土壓力卸載問題的前提之一。
2.1.2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)內(nèi)容
(1) 黃土準(zhǔn)備
為合理開展回填黃土填料對明洞洞頂土壓力影響的研究，首先需要得到黃土填料的一系列力學(xué)特性參數(shù)。為此，對明洞回填所用黃土進(jìn)行了基本物理性質(zhì)指標(biāo)的試驗(yàn)，包括黃土界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)要求進(jìn)行。
① 黃土界限含水率試驗(yàn)

土體的液塑限是表征土顆粒與水相互作用程度的指標(biāo)，進(jìn)而間接反映土體工程性質(zhì)。本試驗(yàn)采用液、塑限聯(lián)合測定的方法，得到黃土填料的液塑限指數(shù)。液塑限聯(lián)合測定曲線如圖 2-1 所示。

② 黃土擊實(shí)試驗(yàn)

黃土回填過程中，壓實(shí)系數(shù)是控制填土工程質(zhì)量的最重要指標(biāo)，而在本文室內(nèi)模型試驗(yàn)部分中，壓實(shí)系數(shù)也是控制分層填筑所用黃土重量的唯一指標(biāo)。故開展黃土擊實(shí)試驗(yàn)，以確定影響該黃土壓實(shí)系數(shù)的干密度及含水率大小。

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2.2 EPS 板的力學(xué)性能試驗(yàn)研究
2.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?br /> 高填方涵洞回填過程中，為減小涵洞頂回填土壓力，常在涵洞頂鋪設(shè)具有一定壓縮性質(zhì)的材料，促使填土過程中土拱效應(yīng)的產(chǎn)生，使外土柱與涵洞共同承擔(dān)涵洞頂土壓力，達(dá)到卸載目的[63]。EPS 聚苯乙烯泡沫塑料（簡稱 EPS 板），是一種具有封閉孔結(jié)構(gòu)的聚苯乙烯塑料泡沫材料。封閉多孔顆粒膠結(jié)的結(jié)構(gòu)使其具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和良好的壓縮性，從而使其成為明洞回填中減小明洞洞頂土壓力的一種理想卸載材料�？紤]到明洞回填施工過程的特點(diǎn)（施工方法、施工速度等）及卸載目標(biāo)，，有必要對 EPS 板的受力特點(diǎn)進(jìn)行探究，從而獲得 EPS 板在明洞回填過程中的變形特性。
2.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容
明洞回填過程中一般采用分層填筑的方法，每層的填筑速度不盡相同，由此需考慮填筑速度對明洞洞頂所鋪設(shè) EPS 板的影響，即不同加載速率下的 EPS 板壓縮特性；另外，EPS 板自身物理性質(zhì)（密度）與其各項(xiàng)力學(xué)性能有密切關(guān)系，因此需對不同密度下的 EPS 板單軸壓縮特性進(jìn)行研究。而單軸壓縮試驗(yàn)又分為有側(cè)限和無側(cè)限壓縮試驗(yàn)，考慮到圍壓對 EPS 板壓縮強(qiáng)度結(jié)果影響較小[82]，故根據(jù) GB/T8813-2008《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮性能的測定》，對 EPS 板進(jìn)行單軸壓縮測試，主要包括：
(1) 密度對 EPS 板壓縮特性的影響；
(2) 加載速率對 EPS 板壓縮特性的影響；
(3) 不同密度的 EPS 板疊加組合對壓縮特性的影響。
2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果及討論
(1) 密度對 EPS 板壓縮特性的影響

不同密度 EPS 板應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖 2.5 所示�？梢钥闯�，不同密度的 EPS 板應(yīng)力-應(yīng)變曲線均符合典型的 EPS 板壓縮變形曲線，壓縮過程分為彈性、塑性和硬化三個階段。而對于不同密度 EPS 板，相同應(yīng)變條件下所對應(yīng)的應(yīng)力壓縮強(qiáng)度不同。以壓縮應(yīng)變達(dá)到20%時對應(yīng)的不同密度 EPS 板強(qiáng)度為例，密度為 10kg/m3、12kg/m3、20kg/m3、30kg/m3的 EPS 板應(yīng)力強(qiáng)度分別為 34.1kPa、40.4kPa、104kPa、203.9kPa。這說明隨著 EPS 板密度的增大，其強(qiáng)度也增大。

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3 高填黃土明洞卸載結(jié)構(gòu)土壓力變化規(guī)律數(shù)值模擬研究................. 22
3.1 概述......................................................... 22
3.2 數(shù)值模擬原理及方法............................................ 22
3.2.1 材料參數(shù)及模型選取.......................................... 22
4 高填黃土明洞卸載結(jié)構(gòu)土壓力變化規(guī)律模型試驗(yàn)研究.................. 62
4.1 概述.......................................................... 62
4.2 高填黃土明洞卸載結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究.............................. 62
4.2.1 相似理論.................................................... 62
5 高填黃土明洞卸載結(jié)構(gòu)土壓力現(xiàn)場試驗(yàn)研究.......................... 79
5.1 工程概況..................................................... 79

5.2 試驗(yàn)方案...................................................... 81

6 高填黃土明洞卸載結(jié)構(gòu)土壓力計算方法研究

6.1 概述

關(guān)于圍巖土壓力計算方法將近二十種，但歸納起來可分為五大類：(1)馬斯頓理論；（2）土柱法；（3）普氏壓力理論；（4）泰沙基理論；（5）彈性理論法。馬斯頓的散體極限平衡法是將填土按照豎直方向劃分為內(nèi)外土柱,考慮其相互之間沉降差引起的土側(cè)剪切力，來分析其水平土層在壓縮變形過程中變形受力特點(diǎn)[18-19、22、63、75、106-109]；土柱法忽略土體之間相互作用，直接按照平面靜力問題進(jìn)行計算[28、33-34]。目前，我國公路、鐵路規(guī)范均采用該方法進(jìn)行計算；普氏壓力理論首先必須保證洞室有足夠的埋深，巖體開挖后能夠形成一個自然平衡拱，作用于襯砌結(jié)構(gòu)上的壓力，僅為自然平衡拱與襯砌結(jié)構(gòu)間松散巖體的重量而與拱外巖層及洞室埋深無關(guān)[67、110]；泰沙基的散體壓力計算理論與普氏理論不同之處是不引用壓力拱的概念，而是假設(shè)土體下沉過程中，會形成與垂直面夾角為（45°-φ/2）的主動滑動面，建立力學(xué)平衡方程來求解土壓力。布魯什卡、顧安全的彈性理論法假定地基為剛性，將結(jié)構(gòu)頂填土假定為半無限彈性體，結(jié)構(gòu)看成是條形基礎(chǔ)，從變形條件出發(fā),以彈性理論為基礎(chǔ)，通過沉降差 δ 的彈性理論解反算得到垂直土壓力計算公式[20、63]。對于高填土壓力卸載計算理論，與卸載方法有關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)頂部鋪設(shè)柔性材料卸載時，采用顧安全的彈性理論法計算[64-67]；當(dāng)結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置加筋橋卸載時，采用楊錫武的散體極限平衡理論計算[84-87]。本文通過數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗(yàn)、室外現(xiàn)場試驗(yàn)，得到明洞及其卸載結(jié)構(gòu)土壓力分布規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，基于巖土力學(xué)原理，采用極限平衡法，推導(dǎo)了有、無邊坡影響的明洞及其卸載結(jié)構(gòu)土壓力計算理論，并與現(xiàn)場試驗(yàn)、數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了計算方法的正確性及卸載措施的有效性�？蔀楦咛钔撩鞫葱遁d結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工提供理論參考。

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7 結(jié)論及展望

7.1 結(jié)論
黃土高原地區(qū)為了滿足城市建設(shè)發(fā)展的需要，削山、填溝造地工程打破了土地“瓶頸”，拓展了發(fā)展空間，同時，也將帶來其中一個新的問題，即高填明洞的產(chǎn)生。為了彌補(bǔ)高填黃土明洞及其卸載結(jié)構(gòu)研究的不足，得到其土壓力特性及理論計算方法，本文通過數(shù)值模擬、室內(nèi)外試驗(yàn)、理論推導(dǎo)，對高填黃土明洞卸載結(jié)構(gòu)的土壓力特性及計算方法進(jìn)行了全面深入的研究，得出了以下結(jié)論：
(1) 黃土壓實(shí)系數(shù)由 80%提高至 95%時，壓縮模量 Es1-2由 2.67 MPa 增加到 9.22MPa，粘聚力由 19.95kPa 增大至 77.01kPa，內(nèi)摩擦角僅由 24.55°增大至 31.53°，粘聚力受壓實(shí)系數(shù)影響大于內(nèi)摩擦角。
(2) EPS 板密度與模量、強(qiáng)度呈現(xiàn)較好的一次線性關(guān)系；由于加載速率對 EPS 板卸載效果的發(fā)揮影響較大，實(shí)際計算中應(yīng)采用長期加載試驗(yàn)結(jié)果；為了使 EPS 板能夠提供持續(xù)變形，建議采用 2-3 種密度差為 10kg/m3以內(nèi)的 EPS 板疊加組合的方式。
(3) 高填黃土明洞數(shù)值模擬結(jié)果表明：受填土特性、邊坡特性、明洞斷面特性的影響，明洞洞頂土壓力呈非線性變化，土壓力集中系數(shù)大于 1，且隨填土高度的增加呈先增大后減小的趨勢；其中，明洞兩側(cè)填土壓縮模量、邊坡坡角、邊坡與填土摩擦系數(shù)、槽洞寬比、明洞斷面形式對明洞洞頂土壓力影響顯著。

當(dāng)填土高度 H/h=5.51，邊坡坡角為 60°時，兩側(cè)填土壓縮模量由 3MPa 增大至20MPa，明洞洞頂土壓力集中系數(shù)減小率為 8%；邊坡坡角從 40°變化到 70°，明洞洞頂土壓力減小率為 34%；摩擦系數(shù)從 0.3 變化到 0.45，明洞洞頂土壓力減小率為 11.2%。槽洞寬比由 1.5 增大至 4，明洞洞頂土壓力增加率為 30.7%；槽洞寬比繼續(xù)增大至 6，明洞洞頂土壓力增加率僅為 2.4%，基本趨于穩(wěn)定。明洞斷面形式不同，明洞洞頂土壓力大小及土體相對沉降不同：對于圓弧形明洞，沿寬度土壓力大約呈二次拋物線分布，中間大，兩端�。粚τ诰匦螖嗝婷鞫�，沿寬度方向土壓力大約呈線性分布，中間小，兩端大。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：49925