文 | 曾少游

编辑 | 曾少游

前言

高填土切割盖顶隧道（HFCCTs）提供了一种在世界各地山区或丘陵地形上，能够充分利用有价值土地的特定解决方案。

这种方式挖掘隧道的主要特点是它们高或超高的回填土壤，厚重的回填土壤会在切挖隧道的顶部或侧面，产生巨大或非常高的土压力，这可能导致结构问题和安全隐患。

自20世纪初以来，已经进行了许多关于减载效应对管道上方回填土压力的研究，只有少数研究集中在研究HFCCTs相关问题，特别是与HFCCTs上的荷载和减载有关的问题，“引导式沟槽安装”概念，用于高填土覆盖下埋设刚性管道。

高填充切方式在实际中的应用

HFCCTs在某些国家的西北地区很常见，因为HFCCTs的建设可以利用CCT上的可用土地，例如黄土高原的独特地形。

HFCCTs所需的回填土量巨大，并且必须足够高以最大化有价值的可用土地，HFCCTs建设的主要挑战是非常高的土压力，和与现有CCT衬砌结构相关的安全问题。

进行了数值研究和物理实验，以验证HFCCTs的横截面形状、基础沉降和使用膨胀聚苯乙烯减载，对HFCCT周围的垂直土压力分布和垂直位移的影响，数值分析结果与实验结果吻合良好。

进行了基于Marston-Spangler理论的分析分析比较，比较表明，埋设暗管的分析解不能直接应用于高填充切挖隧道，为了获得准确的土压力，工程设计人员必须考虑许多影响因素。

目前采用的HFCCT土压力计算方法通常会导致结果的过高或低估，与垂直土压力不同，横向土压力有助于稳定HFCCTs的结构，当前的LEP估算方法主要依赖于Rankine理论或经验公式。

如果采用传统方法的话，会导致实际值与估计值之间存在误差，并且随着HFCCT上回填高度的增加，这种偏差和差异会增加。

由于复杂的土拱效应，目前用于HFCCTs的LEP计算方法，需要进行修改，修改需要考虑HFCCT的特性、地形的几何形状和回填土壤的力学特性。

所以我们通过使用有限元方法进行数值分析，确定了几个影响因素，并提出了四个相应的修正系数，k0，CCT的横截面形状，k1，回填土壤的力学特性，k2，CCT的宽度，和k3，斜坡角度和谷底宽度与CCT宽度比的耦合效应。

由于当前的规范和LEP估算方法可能会过高估计山谷中HFCCTs的LEP，因此提出了一个通用的修正方程用于修正LEP系数，通过验证，通用修正方程能够与不同情况下的数值分析结果很好地吻合。

研究模型和建议的减载方法

HFCCT的填土高度为30-50米，这样高的土层会给HFCCT的结构施加很大的压力，容易导致结构开裂，对结构造成损害，并且使HFCCT的正常使用变得困难。

HFCCT研究模型的横截面，其中4车道的道路HFCCT位于一个具有50米垂直深度、23.4米底宽和约70 边坡角度的山谷底部。

HFCCT的填土高度为42.3米，HFCCT的高度和宽度分别设计为7.7米和15.4米，研究模型在超高背填土所产生的超高土压力方面，具有挑战性，HFCCT研究模型的参数是为了反映高原地形的困难自然条件。

研究包括使用EPS泡沫土和TDA在HFCCT结构上以水平、拱形和水平拱形的形式，采用了六种厚度，0.5米、1.0米、1.5米、2.0米、2.5米和3.0米，以及EPS泡沫土和TDA底部与HFCCT顶部之间的三个距离，0.25米、0.5米和1.0米。

研究包括使用EPS泡沫土和TDA，作为HFCCT上垂直压力的减少方法，这是首次将这些方法用作减少HFCCT上任何类型荷载的方法。

回填土的参数

通过进行相关的实验室测试，确定了背填土的物理和力学性质，通过进行三轴压缩试验，确定了背填土的内聚力c、内摩擦角φ和杨氏模量值。

这里会采用ASTM D4253-00标准测试方法获取其他性质，如最佳含水量和最大干密度，土壤样品来自高原地区，土壤测试在巴格达大学工程学院土木工程系土壤实验室进行。

扩展聚苯乙烯泡沫是一种硬质多孔塑料泡沫，在岩土工程应用中被广泛使用，包括边坡稳定、在可压缩土壤上快速筑堤、减少桥墩和挡墙的静态和动态横向荷载、作为动载荷隔离层以及作为底基填料。

复合土壤EPS泡沫凭借其工程和物理性能，已经通过数值解法进行了研究，由于其低密度、低渗透性和不同的力学行为等独特特性，EPS广泛应用于岩土工程中。

许多研究表明，EPS泡沫的抗压强度主要取决于材料密度、应变率和围压力。

在过去的四十年里，由于其丰富的应用领域，如筑堤轻质填料和挡墙中的可压缩包含物，扩展聚苯乙烯，已成功地作为岩土工程建筑材料使用。

为了研究目的，从印度孟买的一家EPS泡沫包装材料本地供应商，选购了四种不同密度的扩展聚苯乙烯泡沫。

实验采用标准三轴加载框架和三轴试验胶管进行，可容纳直径为75毫米、高度为150毫米的试件，根据IS 2720:1993的要求，进行了无固结无排水三轴试验，应变速率为1.2毫米/分钟。

分别使用线性可变差动传感器、负荷传感器测量垂直位移和偏移负荷，在最大轴向应变达到15%的范围内进行了所有测试，在EPS泡沫试件在三轴加载条件下进行测试时，未观察到明显的破坏面。

随着偏移负荷的增加，试件被压缩，观察到边缘或小范围的侧向凸出，在所有的EPS泡沫密度和围压力中，观察到类似的现象，每增加一定程度的轴向变形，记录偏移应力，对于所有测试的EPS泡沫单元重量，应力-应变关系在轴向应变约2%时呈线性。

随后发现偏移应力值与轴向应变值的增加无明显变化，当EPS泡沫的单元重量增加时，对于所有的围压，偏移负荷都增加，对于所有的单元重量和围压，主应力差几乎相等，通过构造莫尔圆，计算了不同EPS地膜的单重强度参数。

随着单重增加，EPS地膜的内聚力值增加，内摩擦角略微增加，从强度参数可以看出，内聚力对EPS地膜的强度有显著影响，对不同EPS地膜单重进行回归分析，并用方程式1进行最佳拟合曲线的拟合。

C = 894.7 γg2 214.3 γg+ 45.78，其中C，内聚力，γg，EPS地膜的单重，根据EDO给出的方程式2，计算出EPS地膜的泊松比值，υ = 0.0056 ρ + 0.0024，其中ρ：EPS地膜的密度。

为了进行研究的数值分析，并得到HFCCT背填土内部棱柱，与外部棱柱之间的最大相对沉降，选择了密度为15 kg/m3的EPS地膜材料。

轮胎衍生骨料参数

《美国材料试验协会》在ASTM D6270-08《将废弃轮胎用于土木工程应用的标准实施规程》中，提供了一份包含术语和定义的综合详细列表，并概述了废弃轮胎在土木工程应用中的标准实践。

由于其轻质特性，隧道二极管放大器（TDA）已被用作替代的填料材料，TDA的重量只有传统填料的三分之一，因此对下方材料的压力较小，在设计一个土堤填充工程时，如果下方的基础土壤无法承受传统土壤填充的高重量，这将是一个最优的选择。

TDA具有较高的渗透性，因此通常不需要安装分流系统，这将在成本上提供额外的节省。

而作为一种轻质填料，TDA已被证明是其他材料的经济有效替代品，在土堤和道路填充以及增强道路路肩、提高道路陡坡稳定性和提供抗冻渗透绝缘层等应用方面，具有其他优点。

ASTM标准将TDA分为两种主要类型，即A型和B型，并与之关联的两种填充类别，即I类和II类，A型和B型是用于不同工程应用的TDA尺寸分类，I类和II类描述了根据ASTM D6270-08第6.10.1节定义的填充层厚度。

A型材料的粒径大约为75到100毫米，而B型材料的粒径约为152.4到304.8毫米，I类填充层的高度小于1米，而II类填充层的高度在1到3米之间，通常，在I类填充中使用A型材料，在需要II类填充的应用中使用B型材料。

由于TDA是可压缩的材料，其密度会因堆放或项目中的安装而有所变化，A型和B型TDA的堆放，和运输密度范围从400.461到560.646千克/立方米，而A型和B型TDA的铺装密度范围，从大约560.646到800.923千克/立方米。

弹性模量是应力施加与测量应变之间的比例系数，在一维拉伸试验中，较低的E值表明层状变形，TDA的弹性模量范围从1.241兆帕到5.171兆帕，为了比较，密实排水砂的弹性模量可变化从41.368兆帕到82.737兆帕。

砾石的弹性模量要大得多，在相同的应力条件下，与土壤相比，TDA将发生更大的变形，泊松比是横向应变与纵向应变的比率。

例如在一维拉伸试验中测量，TDA的泊松比为0.5，这意味着TDA材料将以恒定体积进行变形，作为对比，矿物骨料的泊松比范围从0.15到0.45。

垂直土压的分析估计

根据分析，垂直土压力与多个参数相关，例如CCT的宽度、山谷宽度、边坡角度和γh，所分析的不同土壤柱之间的相对沉降，与填充土的刚度有关，即杨氏模量或弹性模量E，在CCT顶部的土壤应力分布模式，在不同横截面形状上也是不同的。

HFCCT顶部的垂直土压力q可以用上述提到的参数表示为以下形式的函数，q=f(S,D,E,θ,B,γh)，其中S代表CCT横截面的影响。

为了估计HFCCT顶部的垂直土压力，在研究模型的基准条件下，使用了基于土体柱压力的修正方程，该方程考虑了不同的影响因素，并提出了以下四个相应的系数。

k0：CCT横截面形状的影响，k1：回填刚度的影响，k2：CCT宽度的影响，k3：坡度角度θ和山谷宽度与CCT宽度之间的比率的耦合效应。

研究发现k0影响较小，k3和k1减小，k2放大γh，确定了这四个系数并证明了它们是影响因素后，HFCCT顶部的垂直土压力应进行如下修正，q = k0 * k1 * k2 * k3 * γh，其中q，垂直土压力。

模型的创建

在研究中进行数值分析工作时，使用了一个1/50比例实际HFCCT研究模型的有限元模型，在有限元模型中，坡面被假设为刚性，选择使用平面应变单元类型的Abaqus CAE Standard/Explicit模型来建模HFCCT。

有限元模型的两侧边界只允许垂直位移，并且模型的底部边界完全固定，采用Mohr-Coulomb弹塑性准则来模拟回填土的行为，对于EPS发泡聚苯乙烯材料，除了密度、弹性、内聚力和内摩擦角之外。

还必须在Abaqus CAE 2019中定义可压碎的泡沫模型，以适应EPS发泡聚苯乙烯的应力-应变关系，对于TDA材料，采用Mohr-Coulomb弹塑性准则来模拟材料的性质，有限元分析中使用的机械性能参数，如回填土、EPS发泡聚苯乙烯材料和TDA材料的参数。

模型的验证

根据基于基准条件的HFCCT研究模型的计算和估算结果表明，使用修正方程计算的垂直土压力值，比使用土体柱压力方程计算的值低了27.942%。

这是一个较高的差异百分比，而使用Abaqus CAE 2019进行估算的值，比使用土体柱压力方程计算的值高了0.156%，这是一个较低的差异百分比。

修正方程是土体柱压力方程的修改版本，使用ANSYS有限元代码来研究各个因素，并通过四个提出的对应系数k0、k1、k2和k3来考虑它们的影响，对于具有基准条件的HFCCT研究模型，通过将S、D、E、θ和B的影响添加到土体柱压力方程中。

使用修正方程，HFCCT顶部的VEP从791.01 kPa降低到569.985 kPa，另一方面，使用估算的VEP值几乎等于使用土体柱压力方程计算的VEP值，两者之间的差异仅为0.156%。

结论

基于有限元法的Abaqus CAE 2019软件，我们研究了在HFCCT的背填土柱中使用不同形式的EPS地泡沫和TDA对相对竖向位移的影响，以及因HFCCT背填土柱的相对竖向位移，和土体拱效应而导致的HFCCT上的垂直应力的减少。

在进行计算和估算HFCCT顶部VEP值的情况进行比较之后，研究得出以下几个结论。

关于HFCCT上VEP的减少，EPS和TDA以不同形式存在于HFCCT顶部，可以将荷载从顶部传递到HFCCT的侧面，然后传递到侧边坡，从而减少HFCCT上的VEP，减轻土体拱效应和HFCCT背填土柱的相对竖向位移带来的影响。

使用EPS地泡沫以水平方式存在于HFCCT顶部，可以实现最佳的VEP减少效果，通过使用3.0米的EPS厚度和HFCCT顶部，与EPS底部之间的0.25米距离，HFCCT上的平均VEP从792.25千帕降低到511千帕。

使用TDA以水平方式存在于HFCCT顶部，可以实现最佳的VEP减少效果，通过使用3.0米的TDA厚度和HFCCT顶部，与TDA底部之间的0.5米距离，HFCCT上的平均VEP从792.25千帕降低到248.15千帕。

减少HFCCT上的VEP将导致HFCCT衬砌结构的内部力减小，可以将HFCCT衬砌结构的设计厚度最小化，提高在高VEP作用下的HFCCT的安全性。

而TDA作为可压缩材料存在于HFCCT顶部以减少荷载的方法，可以通过使用大量报废汽车轮胎的碎片形式TDA材料来清洁环境。

参考文献

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