1.4　主要研究工作

1.4.1　主要內容

目前日益增多的高填土涵洞工程沒有相應適用的理論指導，導致在實際設計中由于不正確的土壓力計算公式而出現各種病害。高填土涵洞垂直土壓力計算過大，造成涵洞結構設計不經濟，土壓力數值過小導致涵洞施工或運營期間出現各種破壞病害。針對以上問題，本書主要進行以下幾方面研究。

（1）相似材料涵洞模型制作。高填土涵洞模型試驗的涵洞模型采用相似材料制作。相似材料通過對比試驗選用砂、石膏和硅藻土的混合物。在基于相似定理、量綱分析法推出的相似指標指導下，決定相似材料配比是否符合要求。用相似材料制成拱涵和蓋板涵兩種涵洞結構形式，以便研究涵洞結構受力狀態。

（2）高填土涵洞模型試驗研究。設計制作模型試驗箱，在涵洞模型上逐層填土加載模擬實際施工過程。相似材料制成的拱涵、蓋板涵上布置應變片，測試隨其上部填土高度的增加自身結構應力場的變化，得出涵洞自身結構的應力分布；在填土的不同標高處埋設土壓力計，測試埋設涵洞的周圍土體（包括涵洞頂部、側面填土和地基土層）應力場變化，得出其分布；探討涵洞初期病害原因；在填土的不同位置埋設沉降標志，測試隨填土高度的增加涵洞頂部、底部土體的沉降變形，得出其位移場變化情況，總結出土壓力與沉降變形的聯系。

（3）高填土涵洞現場試驗研究。依托實際工程，選取兩處高填土涵洞完成現場試驗研究。涵洞結構形式分別為拱涵和蓋板涵，完成監測方案制定、監測儀器的布設和監測數據采集。根據實測數據分析涵洞頂部、側面土壓力與填土高度的關系，對模型試驗和數值模擬結果進行驗證。

（4）考慮多種影響因素的有限元數值模擬研究。考慮涵洞埋設的地形條件、填土特性、地基處理方式的不同和涵洞結構形式等因素對高填土涵洞土壓力的影響，設計出20組數值模擬方案。總結出影響土壓力分布的主要因素，為建立高填土土壓力公式提供參考。

（5）不同地基形式下的高填土涵洞土壓力計算理論研究。由模型試驗數據和數值模擬結果得出在附加應力和土拱效應共同作用下的高填土涵洞土壓力分布規律，并分別建立剛性和柔性兩種地基形式，進而得出對應的高填土涵洞土壓力計算公式。公式以填土高度h₀為分界，建立剛度差異引起的附加應力作用和土拱效應作用的兩個階段土壓力公式。與模型試驗實測的數據、其他九種規范公式對比驗證，發現本書的計算公式符合土壓力分布。

（6）自適應遺傳算法神經網絡（AGA-BP）智能系統對涵洞變形（應力）的預測研究。將實測數據和考慮地基處理方式，填土材料及涵洞結構形式的定性數據組成樣本，利用神經網絡強大的非線性映射能力，對涵洞自身結構應力進行預測。提出自適應的交叉、變異概率公式，適應度函數確定為BP累計預測誤差標準差并作為網絡訓練的判定標準，可以有效地防止神經網絡的“過訓練”問題。基于matlab工程軟件為平臺，自行編制自適應遺傳算法神經網絡智能系統，并對網絡結構進行不斷地優化，得到全局意義的最優神經網絡結構。該結構的預測結果與實測結果對比表明該系統是可行的。