趙麗穎

摘要：高填方涵洞是山區(qū)公路建設(shè)中經(jīng)常遇到的工程,特別是在高等級公路建設(shè)中,由于線型要求高,深挖高填更是不可避免。由于其受力復(fù)雜、工程量大、對地基承載力要求高,因此,降低涵頂填土高度,減少涵洞長度,減小涵底坡度,降低基底承載力要求以簡化結(jié)構(gòu)計算,減少工程造價,減小涵底沖刷,增加涵洞安全性,成為設(shè)計中著重考慮的問題。本文結(jié)合近幾年對山區(qū)公路涵洞設(shè)計以及施工反饋的意見,就高填方涵洞的設(shè)計進行分析與探討。

關(guān)鍵詞：涵洞；高填方；設(shè)計

根據(jù)高填方涵洞所處的地形地質(zhì)條件、受力特點和排水要求,山區(qū)公路高填方涵洞多采用蓋板涵和拱涵兩種結(jié)構(gòu)型式。與涵頂填土高度較低的涵洞相比,高填土條件下的涵洞具有填土高度大、土壓力大但不隨填土高度線性增加的特點,很明顯,現(xiàn)有的涵洞設(shè)計標準圖已不能滿足這種高填土條件下的涵洞設(shè)計需要,而要使其結(jié)構(gòu)設(shè)計安全可靠、經(jīng)濟合理,首先必須正確評價和計算高填土條件下的涵頂拱效應(yīng)及拱效應(yīng)對土壓力的影響,過高或過低地估計拱效應(yīng)對土壓力的影響將會使涵洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計不安全或不經(jīng)濟。

1 高填方涵洞的特點

與低填方涵洞和其它填埋式涵管相比,公路高填方涵洞具有以下特點:

高填方涵洞對地基沉降要求高。高填方涵洞一般為鋼筋混凝土拱涵或蓋板涵,基礎(chǔ)的不均勻沉降會導致涵臺的開裂或拱圈的開裂與塌陷,同時涵洞的坍塌會引起路面的沉降破壞。因此,高填方涵洞對地基土容許承載力及均勻性要求較高,一般要求地基為基巖。

工程量大,造價高。由于填土高度大,高填方涵洞洞身較長,造價較高,如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理結(jié)構(gòu)尺寸偏大,則使高填方涵洞的造價劇增,造成浪費,例如阜朝高速一拱涵前墻頂寬達到4.8m,底寬達到6.67m,全涵工程造價達到270多萬;反之,結(jié)構(gòu)尺寸偏小,可能會使結(jié)構(gòu)承載力不能滿足荷載要求而導致涵洞的開裂坍塌,釀成質(zhì)量事故,并增加加固維修工程費用。

承受的土壓力大。由于填土高度大,使其承受的土壓力隨填土高度的增加而增加,結(jié)構(gòu)尺寸也隨填土高度而增大。

加固維修難度大。高填方涵洞填土高度大,長度大,通風采光條件差,工作面狹窄,一旦產(chǎn)生破壞,加固維修較為困難,費用也較高。

2土壓力計算

為使高填方涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計安全可靠、經(jīng)濟合理,首先必須解決土壓力的計算理論和方法。

對壓實填土重力的豎向和水平壓力強度標準值按土柱法計算,公式如下:

qv=γh

qH=λγh

式中:γ--土的重力密度(kN/m3);

h--計算截面至路面頂?shù)母叨?m);

λ---側(cè)壓系數(shù), λ=tan2(45°-Φ/2)。

但高填方涵洞土壓力計算理論屬于深埋地下洞室的土壓力計算問題,對于通常的填土較低的涵洞土壓力計算公式按上式計算是合理的,但填土高度達到一定高度后,涵洞頂上的土壓力并不隨高度h呈線性變化,涵頂和涵臺外土壓力都明顯低于用上式計算的理論土壓力。

當填土達到一定高度后,在高填方涵洞上方將產(chǎn)生拱效應(yīng),使涵洞上的土壓力小于理論土壓力。此時若根據(jù)上式進行高填方涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計過于保守,其結(jié)構(gòu)尺寸較大,且高填方涵洞涵長較長,從而引起工程造價較高。

考慮土拱效應(yīng)的計算理論主要有太沙基(K.Terzaqhi)地壓理論和普氏地壓理論。其中太沙基認為地下洞室的壓力由地層的應(yīng)力傳遞所引起,填土達到一定高度時,壓力將不再往下傳遞;而普氏認為地下洞室的壓力由自然平衡拱內(nèi)松動巖塊的重量引起,假設(shè)洞室上方有一個穩(wěn)定的土拱,結(jié)構(gòu)承擔的荷載為土拱下不穩(wěn)定的土體重量。但由于高填方涵洞的特點,利用以上兩種理論計算的土壓力與實際的土壓力均偏小,故利用其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計是不安全的。

非線性土壓力計算公式與不考慮拱效應(yīng)的土柱法相比,由于適當考慮了拱效應(yīng)對土壓力的影響,在同等填土高度條件下,計算的土壓力較小,其設(shè)計的涵洞結(jié)構(gòu)尺寸也相對較經(jīng)濟;與考慮具有穩(wěn)定拱效應(yīng)的普氏理論和太沙基理論計算的土壓力相比,由于它反映了高填方涵洞上方土拱效應(yīng)對土壓力的影響以及土拱效應(yīng)的不穩(wěn)定性,在填土加載過程中仍有部分土壓力傳遞到涵洞上,但土壓力并不成線性增加,用其計算的土壓力大于具有穩(wěn)定土拱的土壓力,但很明顯小于不考慮土拱效應(yīng)計算的土壓力,反映了高填方涵洞的實際受力情況,用其進行高填方涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計可以使結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟合理,因此非線性土壓力理論是高填方涵洞合理的土壓力計算方法。

但應(yīng)用上述公式時應(yīng)保證涵頂填土達到路基施工要求的壓實度,且涵洞周圍應(yīng)為非軟土的穩(wěn)定地基。

3減荷措施

土力學理論本身的許多假定和參數(shù)選擇都帶有半經(jīng)驗性質(zhì),隨機性很大。不論如何精確的計算公式,都很難將所有實際因素考慮周全和準確。所以,在工程設(shè)計中,一方面要根據(jù)涵洞受力和變形特點,結(jié)合具體工況確定合理的土壓力計算公式,更為重要的是采取合理正確的工程措施,使結(jié)構(gòu)物處于有利的工作狀況。根據(jù)模型試驗、現(xiàn)場測試和理論分析可以發(fā)現(xiàn),利用填土既是荷載又是介質(zhì)的特性,通過工程措施和方法,可以達到減小結(jié)構(gòu)物上土壓力的目的。其核心是使+δ減小,直至形成-δ,充分利用"土拱效應(yīng)",使管道外側(cè)土柱與管道共同承擔管頂土柱重量。歸納起來主要有以下幾種方法:①充分利用溝谷地形。②在涵洞頂一定厚度范圍采用高壓縮性填充材料或"中松側(cè)實"填土法。③提高涵臺背后填土壓實度或采用低壓縮性材料。④采取合理的地基處理方法,如加固管道兩側(cè)地基或采用相對松軟的涵洞地基,使地基產(chǎn)生-δ差。值得注意的是,在涵洞地基設(shè)計時,沿涵洞軸向地基的均勻性對結(jié)構(gòu)安全是十分重要的。

4施工中的特別要求

高填方涵洞施工除按一般施工技術(shù)規(guī)范的要求外，對于高填土下整體式基礎(chǔ)的涵洞，回填土時，要求在側(cè)墻外2倍基礎(chǔ)(整體式)寬的范圍內(nèi)，先清除基底表層草皮、浮土，然后再對稱、分層回填土并壓實:在同一層回填時，先填涵臺兩邊，再回填涵頂以確?；A(chǔ)的整體穩(wěn)定性，涵臺旁邊2m范圍內(nèi)的填土宜選用透水性好的砂性土回填。

5結(jié)語

山區(qū)公路高填方涵洞由于數(shù)量較多,工程量較大,施工時有一定的難度。設(shè)計中應(yīng)首先考慮變高填土涵洞為低填土涵洞,改成常規(guī)涵洞設(shè)計,既能簡化設(shè)計、方便施工,也可以大大降低工程造價。高填土涵洞荷載很大,對基礎(chǔ)要求較高,因此應(yīng)設(shè)法減小涵頂荷載,并加強地基處理,保證涵洞的穩(wěn)定性,使構(gòu)造物耐久、安全。

在交通工程設(shè)計中,涵洞的設(shè)計和橋梁及其它建筑物的設(shè)計比較相對簡單一些,在很多時候一些設(shè)計人員就會因為涵洞結(jié)構(gòu)尺寸小而忽略了附近路線工程對它的影響。在實際施工中,涵洞施工一般在路基施工以前進行,如果涵洞長度設(shè)計不夠,路基填方施工后將填埋涵洞出入口,造成廢棄工程、增加變更及延誤工期等不良后果,在設(shè)計時可根據(jù)實際情況考慮增加一些防護工程來避免附近路線工程對涵洞的影響。

參考文獻

[1]顧克明,等.公路橋涵設(shè)計手冊(涵洞)[M].人民交通出版社,1993.

[2]楊錫武.山區(qū)公路高填方涵洞土壓力計算方法與結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].人民交通出版社, 2006.

[3]王秉勇.涵洞頂填土壓力的討論及計算[J].鐵道工程學報, 2002

[4]Vaslestad, Jan Johansen, Tor Helge Holm, Willy. Load re-duction on rigid culverts beneath high fills; long-term behavior[J]. Transportation Research Record. Nov. 1993: 58-68

[5]Okabayashi K, Ohtani W. Centrifugal model test for reducingearth pressure on the culvert by using the flexible material[A]. Proceeding of the International Offshore and Polar Engineering Conference Vl [C]. 1994