1.3.2　模型試驗研究

文獻[27]用離心模型研究了砂土中箱涵洞等地下結構的動力學行為；文獻[28]用大比例模型試驗研究了涵洞受力情況，該模型用砂做填料，測試了模型結構的變形、壓力和應變，并與理論分析結果進行了對比。文獻[115]測試孔箱涵的性能，通過在涵洞上安裝土壓力計、彎矩和變形測量儀器，其中彎矩通過埋設鋼筋的應變進行間接測試，所有儀器都在施工填筑期間進行定期觀測，除此之外還用2英尺堆載堆填筑作為動荷載加于涵頂面，對箱涵在土和汽車荷載作用下的性能進行了詳細研究和討論。

國內具有代表意義的模型試驗[13]是由顧安全主持進行的。該實驗在室內用風干砂作涵洞填料，用木塊模擬涵洞，用千斤頂控制底板移動，重點研究了地基剛度與涵洞剛度之差在涵洞上引起的附加應力變化情況，得出涵頂附加土壓力的大小完全取決于涵頂與涵臺外沉降差δ變化的結論，并推出相應的土壓力計算公式。這種方法考慮了由涵頂填土與涵臺外填土沉降差產生的附加剪應力作用。但相對于涵洞頂部20～50m的填土高度產生的土壓力而言，涵頂填土和涵臺外填土沉降差產生的附加剪應力是有限的，故附加剪應力在什么條件下應該考慮尚需進一步研究。折學森和王曉謀也進行了相關模型試驗研究，折學森側重研究地形條件（溝谷地形）對涵洞受力的影響規律，提出了溝谷地形中涵洞土壓力計算公式，驗證了溝谷地形條件對涵洞受力具有減荷影響[29-31]；王曉謀則重點研究了涵洞垂直土壓力的減荷措施，通過在涵頂鋪設一定厚度的柔性材料（EPS），考慮柔性填料的厚度、變形模量以及涵洞凸出地面高度等因素對涵頂垂直土壓力的影響規律，并從涵洞周圍填土的變形入手，以彈性理論為基礎，應用疊加原理推出減荷條件下涵洞垂直土壓力計算公式[32]。馮忠居提出確保路基中涵洞結構物合理受力的有效措施[33]，包括利用天然沖溝地形邊坡對涵洞的受力具有明顯的減荷作用，兩側的地形邊坡容易提供卸荷拱形成的水平抗力；在涵洞頂部采取鋪筑柔性材料；使涵洞頂填土的壓實度小于涵洞兩側填土的壓實度；允許地基在運營中有適量的變形，以減小作用在涵洞頂上的土壓力。

國內唯一一個三維模型試驗是肖勤學[34]以李子亞煤礦高填方涵洞為工程背景完成的。該實驗用1∶25的相似比制作三維相似材料模型，其中混凝土基巖和涵洞采用石膏砂漿模擬，河砂和碎石按一定比例配合模擬碎散體，以此來研究涵洞垂直土壓力隨填料高度變化的情況。其研究結果表明，隨著填料高度的增加，涵洞頂部的土壓力增大，但并非線性增加，當填料層厚度大于5倍涵洞寬度時，涵洞頂部土壓力小于其上的填土自重，試驗結果與現場監測結果較為吻合。試驗證明了碎散體具有成拱作用，并證明其壓力拱形狀為半橢圓，進一步推導出了碎散體涵洞的半橢圓形壓力拱曲線，并以能否形成壓力拱為條件，提出劃分深埋洞室與淺埋洞室的填土高度計算公式。深埋洞室的填土高度為

　（1.7）

能形成全壓力拱的淺埋洞室的填土高度為

　（1.8）

式中，2a為涵洞的外徑；φ為填土的內摩阻角。

由模型試驗得出的公式是以填土材料為碎散體為前提，公路中高填土涵洞上部的填土很難形成穩定的卸荷拱，故這個公式不適用于填土材料為砂土、黏土的高填土涵洞垂直土壓力計算，否則會導致因計算荷載偏小而存在工程隱患。

楊錫武采用平面應變二維模型，用有機玻璃模擬涵洞，用黏土作為填土材料，進行相似模擬試驗。試驗發現當填土達到一定高度時，涵洞上方會產生不穩定卸荷拱，且涵頂土壓力隨填土高度呈非線性增加的趨勢。