国外高填土框架涵洞_马斯顿_效应的分析及处理

公路２００８年９月第９期ＨＩＧＨＷＡＹ

Ｓｅｐ．２００８

Ｎｏ．９

文章编号：０４５１一０７１２（２００８）０９一０２１２一０４中图分类号：Ｕ４４９．１文献标识码：Ｂ

国外高填土框架涵洞“马斯顿’’效应的分析及处理

齐永利，王

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司

威

西安市７１００７５）

摘要：以阿尔及利亚东西高速公路Ｍ３路段填土高度２２ｍ的涵洞为例，结合“马斯顿”效应产生的机理，制定了消除“马斯顿”效应的技术措施，通过详细的计算和模拟分析，和对多种材料的处理结果进行对比，为消除“马斯顿”效应的技术处理方案提供了理论依据，并将该技术大量应用于实际工程中，取得了良好的经济效益。

关键词：涵洞；马斯顿效应；消除；应用

１“马斯顿”效应

阿尔及利亚东西高速公路全长１２００多ｋｍ，沿地中海南岸贯穿全境。其中Ｍ３路段为山岭重丘区，涵洞多为高填方涵洞，填土高度普遍在８～２６ｍ之间，涵洞采用框架箱涵型式。由于设计采用欧洲标准和规范，因此在工程中单纯依据我国公路规范中的

收稿日期：２００８一０８—０８

“土柱法”理论进行高填方涵洞的设计已不能完全满足国外工程的要求，设计中还要考虑“马斯顿”效应的影响。

马斯顿散体极限平衡法理论假设周边回填土在自重作用下发生沉降，逐渐密实，由于涵洞是建立在坚硬的地基上且本身刚度又较大，因此涵洞顶部填

（２）抗震设计。

阿尔及利亚东西高速公路位于地震多发地带，最大地震水平加速度为０．４ｇ，抗震设计是桥梁总体思路所考虑的主要问题。在桥型选择上主要采用简洁明确的结构形式，没有采用复杂的超静定结构；基础形式较多地采用了群桩基础。

（３）体现承包人的利益。

本桥梁总体思路在合理适度的范围内，尽量保护了承包人的利益，比如关于钢结构的问题。

该项目初步设计中，一些标段的高架桥采用了钢一混凝土组合结构或钢梁桥方案，我们在设计总体思路中没有采用这类结构。因为钢混组合梁方案或钢梁桥方案虽然在某些方面具有一定的优势，比如上部自重较小、抗震性能较好等，但缺点也很明显。比如：

①钢梁需要在欧洲采购、工厂制造，使得加工及运输成本高；

②钢结构的施工工艺要求高，工期长，非承包人的长项；

③混凝土桥面板与钢梁之间的联接构造复杂，施工难度大；

④项目所在地温差变化大，桥面板混凝土容易

产生较大应力而开裂，不能和钢梁整体受力；

⑤钢桥的总体造价比预应力混凝土桥约高１５％；

⑥运营期间的养护、维修费用高。

基于上述原因，我们不采用钢混组合梁方案或钢结构方案，业主主管部门对此未表示异议。

（４）考虑施工部门的利益。

本设计思路充分考虑了施工部门的利益，比如全线所有桥梁的基桩均采用相同的直径，施工部门的施工机械可以重复利用；跨径较小的Ｔ梁采用了较小的Ｔ梁间距，同时取消中横隔梁，减小了Ｔ梁的预制难度；同一座桥梁的下部结构尽量采用相同的结构尺寸，以便于模板重复利用，等等。

希望阿尔及利亚东西高速公路桥梁设计的总体思路，能给我国后续的涉外公路建设项目提供借鉴和参考。

万方数据　

２００８年第９期齐永利王威：国外高填土框架涵洞“马斯顿”效应的分析及处理

土和两侧填土会有不同的沉降，而此不均匀沉降会使周围土体产生“滑动面”，沉降过程中产生的“滑动面”扩展至填土顶部，使涵身顶部的垂直土压力大于涵身顶部的土柱重，并设此“滑动面”处于极限平衡状态。

在实际工程中，存在两种可能：一种是确实受到“马斯顿”效应影响，部分高填土涵洞存在涵顶土压力“增大”的情况，涵顶土压力最高可达２倍土柱重量，此时考虑“马斯顿”效应进行涵洞设计可确保结构的安全；另一种是涵身顶部与涵侧填土的不均匀沉降未能产生此极限平衡状态下的“滑动面”，此时用马氏散体极限平衡法理论计算的结果将与实际土压力有较大的误差，依此而确定的涵身尺寸和配筋会明显偏大而不经济。为避免这两种情况对涵洞结构设计的影响，理想的方法就是采取技术处理措施消除或减小“马斯顿”效应的影响。

结合马氏散体极限平衡法理论的作用机理，通过大量模拟计算和分析研究，设计中确定了一种技术型的涵洞周边填方型式，对涵洞周围填土的材料、宽度和压实度进行技术设计。计算分析表明，这种填方技术模式可以有效消除“马斯顿”效应的影响，确保涵洞设计的安全性和经济性，与此同时也可提高涵背路基的回填质量。目前此项技术已在东西高速公路高填土路段大量采用。

２填方技术模式的建立

马氏散体极限平衡法理论表明，当涵身刚度大于周边的填土刚度时，涵顶的垂直土压力将大于其上的土柱重量；当涵身刚度小于等于周边的填土刚度时，涵顶的垂直土压力将小于等于其上的土柱重量。为有效消除或减小“马斯顿”效应的影响，使其影响系数小于等于１，这就需要提高涵周的填土刚度，

为此在设计中建立了如图ｌ所示的填方技术模块，

各模块的刚度用变形模量来表示。

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图１消除“马斯顿”效应的技术模块

万　

方数据模块②是一个宽度大于涵洞孔径一半的矩形体，宽度可取３ｍ，此模块是技术处理的关键，其材料要比涵洞以上的填土模量大许多，即刚度要大变形要小，能较多地承受涵顶以上的填土压力，从而减小涵顶处的垂直应力的增加，为此，可采用两种材料模式进行分析比较。一种是掺加水泥的砂砾混合料，其刚度足以接近涵身刚度；另一种是未掺加水泥的砂砾混合料，增加压实度，其刚度相对低一些。因此模块②的弹性模量控制在８０～２０００

ＭＰａ，压实度

满足９８．５％。

模块①和模块③的材料均为普通的路基填方。模块①为实际填方厚度，要符合正常的路基填方压实度要求，即９５％。模块③是位于涵顶的路基填方材料，厚度大于涵洞孔径的一半，取２．５ｍ，其压实度可稍微低一点，采用９０％，变形模量稍小些，这样做能起到在等沉面以下使模块②承担较大的沉降压力，从而减小了涵洞顶板所承受的沉降压力。

各模块和涵身间还需进行必要的技术处理，在涵体周边均涂２层沥青，以减小各模块和涵体间的摩阻力。

根据以上的材料特性要求，选择一填土高２２ｍ的实例构建一模型，采用Ｒｏｂｏｔ程序进行平面变形

２所示。

图２计算模型

涵洞顶上的填土按１．２５ｍ一层进行分层，其上ｍ高度按照４层进行模拟，每层厚度为

ｍ。考虑到涵洞的宽度，其基础以下部分按１０ｍ的深度进行模拟，即高于混凝土结构的宽度的１．５

３计算模型

分析，所有的土层均模拟成水平方向。计算模型见图５．５

填土２２倍。地面按照不同状态（一般，偏差和坚硬）进行模

公拟。对于材料②，分析时采用两种类型，第一种是用处理过的砂砾混合料，如在砂砾混合料中加入水泥，并满足９８．５％的压实度；第二种是用未处理过的砂砾混合料，也同样满足９８．５％的压实度。计算参数见表１。

表１计算参数

ＪＲ

Ｅ，

ｃ『

填料妒

ｋＮ／ｍ３

ＭＰａ

ｋＰａ

（。）

①所选的填方

２０５００．３５０２５②一１处理过的砂砾混合料２０

２０００

０．２

１

０００

Ｏ②一２未处理的砂砾混合料

２０１００Ｏ．３０

３８

涵底基础２０

１０００００．２

涵身

２５

３５

０００

０．２２０

Ｏ．３

５０

３０

地面

１９５０．３２０２０

２００

０．２５

４计算过程的模拟

整个过程的模拟分以下几个阶段：工况０：自然土壤的初始状态；

工况１：建立涵身，并填筑两侧的材料②，填至涵顶１．２５

ＩＴＩ；

工况２：填至涵顶２．５ｍ；

工况３：高２２１ＴＩ填方第１层施工（５．５ｍ）；工况４：高２２ｍ填方第２层施工（５．５ｍ）；工况５：高２２ＩＴＩ填方第３层施工（５．５ｍ）；工况６：高２２ｉｎ填方第４层施工（５．５

ＩＴＩ）；

工况７：考虑填方顶１０ｋＰａ的公路超载。图２中的计算模式包括２８１７个三角形网状单元，分析时涵洞和周围土体一起作用，可以得到一个完善的数据结果。

５计算结果及分析

（１）在正常的路基填料情况下，涵洞周围不采用技术模块处理时，“马斯顿”效应的影响见图３和图４所示。

由于受到“马斯顿”效应的影响，框架顶面受到的应力远大于其他区域受到的应力。

（２）在使用处理过的砂砾混合料情况下，来模拟涵洞周围的应力和位移状况，见图５～图７所示。

用处理过的砂砾混合料能极大地降低涵洞顶上的垂直应力，该应力的减小值为正常路基填料情况

万　

方数据路２００８年第９期

图３竖直方向的应力流

图４Ａ—Ａ。断面的应力

图５竖直方向的应力流

图６

Ａ—Ａ’断面的应力

图７竖直方向的位移

２００８年第９期

齐永利王威：国外高填土框架涵洞“马斯顿”效应的分析及处理

下应力的４７％～６２％。在此情况下，涵顶最大应力出现在涵轴线上，越靠近砂砾混合料的立柱，该应力值越小。因此，“马斯顿”效应的影响得到了彻底避免。

（３）在使用未处理过的砂砾混合料情况下，来模拟涵洞周围的应力和位移状况，见图８～图１０所示。

图８竖直方向的应力流

图９

Ａ—Ａ’断面的应力

图１０竖直方向的位移

万　

方数据用未处理过的但足够密实的砂砾混合料，也同样能够取消“马斯顿”效应的影响。虽然效果没有处理过的砂砾混合料那么明显，但却可以保证“马斯顿”系数为１。

表２为以上３种状态的应力计算结果。

表２一般地质条件下的应力计算值

Ｒ

Ｅ，

应力值

填料

ｋＮ／ｍ３

ＭＰａ

ｋＰａ

正常的路摹填料填方２０５０

５００②一１处理过的砂砾混合料２０２０００２８７②～２未处理的砂砾混合料

２０

１００

４３０

上述３种状态均是在一般地基条件下得出的计算结果。通过对３种地面条件的模拟发现，改变地面条件对减小涵顶的垂直应力的影响不显著，但是它却影响填筑材料的密实度，地面条件越差，填筑材料

越应该密实。

６结论及应用

通过上述的计算分析，采用以上两种技术模式均能有效消除“马斯顿”效应的影响。由于未处理过的砂砾混合料施工便捷且较为经济，因此在Ｍ３路

段高填土涵洞设计中，技术模式大量采用了这种未经过处理的砂砾混合料。具体的处理方式为：在涵洞两侧各３ｍ范围内（模块②）填筑Ｄ２／Ｄ３类材料或Ｒ２１／Ｒ６１材料，其压实度满足９８．５％；涵顶（模块③）填筑普通填料，其压实度可降低至９０％；在３ｍ范围以外，按１：１的坡度填筑路基土，其余填料均需满足路基填料的要求。参考文献：

［１］Ｐ９４５００，法国标准Ｅｓ３．

［２］ＪＴＧ

Ｄ６３—２００７，公路桥涵地基与基础设计规范［Ｓ］

国外高填土框架涵洞"马斯顿"效应的分析及处理

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

齐永利， 王威

中交第一公路勘察设计研究院有限公司,西安市,71D075公路HIGHWAY 2008(9)

参考文献(2条)1. P 94500

2. JTGD 63-2007.公路桥涵地基与基础设计规范

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