1.3.2　模型试验研究

文献[27]用离心模型研究了砂土中箱涵洞等地下结构的动力学行为；文献[28]用大比例模型试验研究了涵洞受力情况，该模型用砂做填料，测试了模型结构的变形、压力和应变，并与理论分析结果进行了对比。文献[115]测试孔箱涵的性能，通过在涵洞上安装土压力计、弯矩和变形测量仪器，其中弯矩通过埋设钢筋的应变进行间接测试，所有仪器都在施工填筑期间进行定期观测，除此之外还用2英尺堆载堆填筑作为动荷载加于涵顶面，对箱涵在土和汽车荷载作用下的性能进行了详细研究和讨论。

国内具有代表意义的模型试验[13]是由顾安全主持进行的。该实验在室内用风干砂作涵洞填料，用木块模拟涵洞，用千斤顶控制底板移动，重点研究了地基刚度与涵洞刚度之差在涵洞上引起的附加应力变化情况，得出涵顶附加土压力的大小完全取决于涵顶与涵台外沉降差δ变化的结论，并推出相应的土压力计算公式。这种方法考虑了由涵顶填土与涵台外填土沉降差产生的附加剪应力作用。但相对于涵洞顶部20～50m的填土高度产生的土压力而言，涵顶填土和涵台外填土沉降差产生的附加剪应力是有限的，故附加剪应力在什么条件下应该考虑尚需进一步研究。折学森和王晓谋也进行了相关模型试验研究，折学森侧重研究地形条件（沟谷地形）对涵洞受力的影响规律，提出了沟谷地形中涵洞土压力计算公式，验证了沟谷地形条件对涵洞受力具有减荷影响[29-31]；王晓谋则重点研究了涵洞垂直土压力的减荷措施，通过在涵顶铺设一定厚度的柔性材料（EPS），考虑柔性填料的厚度、变形模量以及涵洞凸出地面高度等因素对涵顶垂直土压力的影响规律，并从涵洞周围填土的变形入手，以弹性理论为基础，应用叠加原理推出减荷条件下涵洞垂直土压力计算公式[32]。冯忠居提出确保路基中涵洞结构物合理受力的有效措施[33]，包括利用天然冲沟地形边坡对涵洞的受力具有明显的减荷作用，两侧的地形边坡容易提供卸荷拱形成的水平抗力；在涵洞顶部采取铺筑柔性材料；使涵洞顶填土的压实度小于涵洞两侧填土的压实度；允许地基在运营中有适量的变形，以减小作用在涵洞顶上的土压力。

国内唯一一个三维模型试验是肖勤学[34]以李子亚煤矿高填方涵洞为工程背景完成的。该实验用1∶25的相似比制作三维相似材料模型，其中混凝土基岩和涵洞采用石膏砂浆模拟，河砂和碎石按一定比例配合模拟碎散体，以此来研究涵洞垂直土压力随填料高度变化的情况。其研究结果表明，随着填料高度的增加，涵洞顶部的土压力增大，但并非线性增加，当填料层厚度大于5倍涵洞宽度时，涵洞顶部土压力小于其上的填土自重，试验结果与现场监测结果较为吻合。试验证明了碎散体具有成拱作用，并证明其压力拱形状为半椭圆，进一步推导出了碎散体涵洞的半椭圆形压力拱曲线，并以能否形成压力拱为条件，提出划分深埋洞室与浅埋洞室的填土高度计算公式。深埋洞室的填土高度为

　（1.7）

能形成全压力拱的浅埋洞室的填土高度为

　（1.8）

式中，2a为涵洞的外径；φ为填土的内摩阻角。

由模型试验得出的公式是以填土材料为碎散体为前提，公路中高填土涵洞上部的填土很难形成稳定的卸荷拱，故这个公式不适用于填土材料为砂土、黏土的高填土涵洞垂直土压力计算，否则会导致因计算荷载偏小而存在工程隐患。

杨锡武采用平面应变二维模型，用有机玻璃模拟涵洞，用黏土作为填土材料，进行相似模拟试验。试验发现当填土达到一定高度时，涵洞上方会产生不稳定卸荷拱，且涵顶土压力随填土高度呈非线性增加的趋势。