高填土涵洞设计方法研究

用于排泄公路两侧冲沟、溪流的洪水，在不过水时也可作交通使用且单孔跨径小于5m的结构称为涵。涵洞（管）被广泛应用于公路、铁路、市政、军工等领域，是“生命线工程”之一。按照我国公路发展的总体目标，公路建设投资力度将不断加大，公路等级明显提高，公路中的高填土涵洞结构物所占比重也会越来越大。正确分析高填土涵洞的土压力分布，研究其分布的影响因素并在此基础上提出高填土涵洞设计公式，已成为高填土涵洞设计中亟待解决的问题。
本书分别采用相似材料模型试验、数值模拟方法和现场试验三种方法，分析涵洞上的土压力分布的影响因素，建立刚性、柔性两种地基处理方式对应的高填土涵洞垂直土压力计算公式，并将自行研发的自适应遗传算法神经网络智能系统程序，应用到高填土涵洞变形（应力）的预测研究上，对指导高填土涵洞结构设计，制定统一的设计图标准具有一定的理论意义和工程意义。
本书着重介绍了高填土涵洞结构设计荷载垂直土压力的研究成果，通过模拟多种工况的涵洞、填土全过程相似材料模型试验，研究垂直土压力分布、不同标高土层的沉降位移分布及涵洞自身结构应力分布。基于涵洞埋设的地形条件、填土特性、地基土的土性参数、地基处理方式和涵洞结构特征等因素，完成大量的数值模拟计算。依托实际工程项目，完成拱涵和盖板涵两种涵洞结构形式的现场试验。参考实验和数值模拟结论，运用弹塑性力学方法，建立高填土涵洞垂直土压力计算公式。采用自适应遗传算法神经网络系统优化搜索确定网络模型结构，将模型试验的数据（包括定量数据和定性数据）作为样本，对涵洞断面测点变形（应力）进行预测，结果可为实际工程相关研究提供参考。
本书内容涉及力学（岩土力学、弹塑性力学）、结构试验、人工智能科学（遗传算法、神经网络）等学科领域。
感谢国家自然基金项目（51208310）和辽宁省自然科学基金计划项目（20180550118）对本书出版给予的资助。
由于编者水平有限，书中不足之处在所难免，敬请读者批评指正。

作　者
2020年6月于沈阳

按照我国公路发展的总体目标，公路中的高填土涵洞结构物所占比重逐年增大。正确分析高填土涵洞的土压力分布及其影响条件，对高填土涵洞进行准确的土压力计算，已成为高填土涵洞设计面临的亟待解决的问题之一。本书以上埋式高填土涵洞为研究对象，对涵洞周围土层的土压力、填土土层位移场、涵洞结构应力场及预测进行了相关的室内相似模型试验、现场试验、数值计算和理论分析，具体在以下几方面进行了深入的研究：首先实现不同填土材料和地基形式条件下的涵洞、填土全过程相似材料模型试验，并基于涵洞埋设的地形条件、填土特性、地基土的士性参数、地基处理方式和涵洞结构特征等因素，开展大量数值模拟计算；其次依托实际工程现场试验，结合模型试验和数值计算研究成果，运用弹塑性力学方法，建立高填土涵洞垂直土压力计算公式；最后提出自适应遗传算法神经网络系统(AGA-BP)，并应用到涵洞结构断面测点变形(应力)的预测研究。
本书可供交通工程、土木工程、市政工程等领域相关的科研人员、高校教师、本科生、研究生、技术人员和相关从业者等人员参考。

第1章　绪　论　001
1.1　概述   001
1.2　研究背景及意义   003
1.3　国内外研究现状   006
1.4　主要研究工作   011

第2章　高填土涵洞的相似材料试验　014
2.1　概述   014
2.2　模型试验的理论依据   014
2.3　基于量纲分析法的试验相似指标的确定   015
2.4　本试验相似材料的选择   018
2.5　相似材料涵洞模型配比方案   019
2.6　试验小结   022
2.7　小结   023

第3章　高填土涵洞模型试验研究　024
3.1　概述   024
3.2　相似材料涵洞模型制作   024
3.3　模型试验的步骤   026
3.4　模型试验数据采集与处理   029
3.5　模型试验工况   031
3.6　涵洞垂直土压力分析   032
3.7　涵洞结构应力分析   044
3.8　填土层沉降分布   050
3.9　小结   052

第4章　高填土涵洞数值模拟研究　054
4.1　概述   054
4.2　有限元数值模拟   054
4.3　考虑各种影响因素的垂直土压力分布数值模拟   059
4.4　垂直土压力模拟计算结果与分析   060
4.5　涵洞结构及沉降变形分布云图   065
4.6　小结   067

第5章　高填土涵洞现场试验研究　068
5.1　概述   068
5.2　现场监测方案   068
5.3　现场监测步骤和量测制度   072
5.4　监测数据采集时间及内容   072
5.5　现场监测结果   073
5.6　小结   074

第6章　垂直土压力计算方法研究　075
6.1　概述   075
6.2　土压力计算方法   075
6.3　沉降差产生的附加应力理论   078
6.4　卸荷拱理论   078
6.5　垂直土压力计算公式   079
6.6　高填土涵洞的垂直土压力公式对比   084
6.7　小结   087

第7章　基于AGA-BP系统的高填土涵洞结构变形（应力）预测研究　088
7.1　概述   088
7.2　人工神经网络   088
7.3　BP网络的概述   089
7.4　BP网络在高填土涵洞结构变形（应力）预测问题中的应用   091
7.5　AGA-BP系统实现过程   094
7.6　涵洞结构应力预测结果   100
7.7　小结   104

第8章　结论　105

附录一　106

附录二　109

参考文献　112