高填减载明洞土拱形态及衬砌结构力学性能研究

姚泽文; 李盛; 马莉; 尤著刚; 余云燕; 班学锋

应用力学学报 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (2) : 339 -346.

姚泽文, 李盛, 马莉, 尤著刚, 余云燕, 班学锋

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摘要

高填减载明洞的减载机理是通过增大回填土内部的沉降差使土体中产生土拱效应从而降低明洞上方土压力，以此减小衬砌结构的受力。高填减载明洞的减载效果取决于土拱效应的强弱，然而，土拱效应强弱与土拱形态有何关系尚不明确，为了优化明洞设计，提高衬砌结构安全性，需明确土拱形态对土拱效应的影响。因此，基于有限差分软件FLAC3D,以槽宽比和边坡角度为变量，研究应用EPS(expanded polystyrene)板+混凝土柱减载的高填方明洞回填土土压力、回填土的土拱形态以及衬砌结构受力，从土拱形态角度分析槽宽比和边坡角度对高填减载明洞土压力、衬砌结构受力的影响。结果表明：(1)明洞拱顶和仰拱外侧受压，明洞外侧受拉受压交界点出现在拱腰处，衬砌结构边墙与拱腰连接处弯矩最大；(2)减小槽宽比或增大边坡角度，会使土拱效应越显著，减载效果越好，衬砌结构所受轴力越小，衬砌结构更安全；(3)土拱效应强弱是由土拱厚度和明洞上方土拱区域面积决定的，土拱厚度越大、明洞上方土拱区域面积越大，减载效果越好，与土拱位置和土拱区域总面积无关。实际工程中，应通过控制土拱的厚度和明洞上方土拱区域的面积来优化结构受力。