陳 鋒，蔡德鉤，韓自力，張千里

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬化學(xué)研究所，北京 100081)

線路路堤與橫向結(jié)構(gòu)物的交叉處，因剛度的不同，在荷載作用下，壓力呈不均勻性分布，壓力分布不均對(duì)結(jié)構(gòu)物變形和結(jié)構(gòu)物間的不均勻沉降都有直接影響。在上埋式剛性涵洞過(guò)渡段填筑過(guò)程中，涵洞豎向壓力一般要大于填土本身的荷載。新建上埋式剛性涵洞的豎向土壓力計(jì)算中，目前存在多種方法［1-2］?！豆窐蚝O(shè)計(jì)規(guī)范》中使用土柱法計(jì)算該荷載，一般認(rèn)為是偏小的。馬斯頓的“等沉陷”理論是比較常用的計(jì)算方法，假設(shè)在荷載作用下的涵洞和過(guò)渡段產(chǎn)生沉降差，在達(dá)到極限平衡時(shí)，散體材料在涵洞頂形成應(yīng)力集中，并在涵洞上方一定高度形成等沉面，等沉面以上填土產(chǎn)生的涵頂壓力等于此部分土柱重量?！惰F路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》［3］采用馬斯頓理論結(jié)合經(jīng)驗(yàn)的方法，給出了不同情況下涵洞頂豎向土壓力系數(shù)。本文主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)針對(duì)涵頂壓力進(jìn)行分析。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)點(diǎn)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。涵洞兩側(cè)設(shè)置倒梯形路涵過(guò)渡段，過(guò)渡段填筑加5%水泥的級(jí)配碎石，地基采用CFG樁處理，樁頂鋪設(shè)0.6 m厚墊層。

1.2 傳感器布置

在線路左側(cè)中心線，涵洞頂面及其相對(duì)應(yīng)高程的過(guò)渡段路基內(nèi)布置靜態(tài)土壓力盒，如圖1所示，測(cè)量不同測(cè)點(diǎn)靜態(tài)土壓力的變化情況。

表1 試驗(yàn)工點(diǎn)主要結(jié)構(gòu)參數(shù) m

圖1 路涵過(guò)渡段靜態(tài)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置示意

2 路基填筑試驗(yàn)及結(jié)果分析

1#和2#涵洞的填土壓力(γH)與各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)涵洞豎向壓力關(guān)系如圖2、圖3所示。1#涵頂壓力實(shí)測(cè)的最大值為130 kPa，2#涵頂?shù)淖畲髴?yīng)力為95 kPa，設(shè)計(jì)時(shí)按照規(guī)范計(jì)算的路堤填方涵頂?shù)呢Q向壓力應(yīng)取163 kPa和138 kPa。按照規(guī)范根據(jù)填土高度、重度及規(guī)范的K值，進(jìn)行填方作用下涵洞豎向壓力的設(shè)計(jì)是偏于安全的。

圖2 1#涵洞處 1、2、3、4 測(cè)點(diǎn)壓力

圖3 2#涵洞處 1、2、3、4 測(cè)點(diǎn)壓力

從上述兩個(gè)涵洞豎向壓力測(cè)試結(jié)果看，涵洞頂部的3、4號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力大于過(guò)渡段內(nèi)1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力，涵洞頂部實(shí)測(cè)的壓力大于填土荷載，過(guò)渡段路基豎向壓力小于填土荷載?！惰F路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》規(guī)定填土作用于涵洞頂?shù)呢Q向壓力與填土高度(H)和涵洞寬度(D)確定一個(gè)無(wú)量綱值(K)、然后根據(jù)填土高度(H)及其重度(γ)確定，等于 K與土柱壓力(γH)的乘積。

從實(shí)測(cè)的涵洞豎向壓力和填土壓力之比計(jì)算得到的K值和H/D的關(guān)系圖見(jiàn)圖4、圖5。在填筑過(guò)程中，隨著填土高度的變化，即H/D的變化，K值有一個(gè)增大到減小的過(guò)程。規(guī)范中K的取值是根據(jù)涵洞的最終填土高度來(lái)確定，不考慮施工過(guò)程中填土高度的變化，即每個(gè)涵洞，填土作用產(chǎn)生的豎向壓力只考慮填土高度和涵洞寬度，來(lái)確定K值，從而確定設(shè)計(jì)的荷載。

1#涵洞填土高度、涵洞寬度、涵洞豎向壓力與填土壓力之比的關(guān)系如圖4所示。因傳感器是在涵洞頂路基碾壓完一層后，再挖至涵洞頂埋設(shè)，這種邊界的影響可能導(dǎo)致3號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)K的初始值并不為1。對(duì)實(shí)測(cè)的K—H/D曲線用二次多項(xiàng)式擬合，H/D在0～1.5的范圍內(nèi)，H/D在1左右時(shí)，4號(hào)測(cè)點(diǎn)的 K值達(dá)到最大，為1.4左右，此后K值隨填土高度的增加而減小，填土完成后的K值為1.25左右，此時(shí)的設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)的豎向土壓力系數(shù)之比為1.16。3號(hào)測(cè)點(diǎn)的K值雖然在數(shù)值上要小于4號(hào)測(cè)點(diǎn)，但變化趨勢(shì)相同，也是H/D在1左右時(shí)達(dá)到最大。

圖4 1#涵洞K—H/D的關(guān)系

圖5 2#涵洞K—H/D的關(guān)系

2#涵洞填土高度、涵洞寬度、涵洞豎向壓力與填土壓力之比的關(guān)系如圖5所示。其變化規(guī)律基本與1#涵洞基本相同，不同之處在于此斷面的K在H/D處于0.8～1.5范圍內(nèi)取得最大值。填土完成后的設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)的豎向土壓力系數(shù)之比為1.18。

從本次試驗(yàn)兩個(gè)工點(diǎn)的實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)H/D處于0.8～1.5的范圍內(nèi)K取最大值，與規(guī)范是不同的，但其值與規(guī)范的1.5取值相近。

在填土初期，涵洞剛度較過(guò)渡段填土剛度大，在路基填土過(guò)程中，過(guò)渡段填土沉降和壓縮變形相對(duì)涵洞較大，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)使過(guò)渡段土體的荷載通過(guò)土體的抗剪強(qiáng)度將一部分土壓力傳遞到涵洞頂土體，導(dǎo)致涵洞豎向壓力顯著增大，形成土拱效應(yīng)。在涵洞與過(guò)渡段路基存在一定差異沉降時(shí)，土拱效應(yīng)隨著涵頂填土高度的增加逐漸增強(qiáng)，當(dāng)涵洞填土高度超過(guò)一定值后，土拱效應(yīng)趨于穩(wěn)定。

從涵洞底部和過(guò)渡段地基面處的壓力看，根據(jù)在涵洞頂實(shí)測(cè)的壓力、涵洞的自重、過(guò)渡段填土高度和重度，計(jì)算出涵洞底部的應(yīng)力和過(guò)渡段底部的應(yīng)力，兩者基本相當(dāng)，因此在控制過(guò)渡段工后沉降、沉降差及結(jié)構(gòu)物交界處折角不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，必須保證結(jié)構(gòu)物交界處的碾壓質(zhì)量，減小差異沉降，避免產(chǎn)生過(guò)大的涵洞豎向壓力。一般涵洞和過(guò)渡段的地基處理方式基本相同，但寬大涵洞的底板會(huì)使地基處理的作用方式發(fā)生改變，使涵洞底與過(guò)渡段底部地基的受力與變形發(fā)生變化，這也是在設(shè)計(jì)中應(yīng)該綜合考慮的因素。

3 小結(jié)

1)由于涵洞與過(guò)渡段路基存在剛度和沉降差異，導(dǎo)致涵頂出現(xiàn)土壓力集中，形成土拱效應(yīng)。在涵洞頂路基加載過(guò)程中，涵洞豎向壓力大于填土荷載和過(guò)渡段路基范圍內(nèi)壓力，距離涵洞較近處過(guò)渡段內(nèi)的壓力小于填土荷載。

2)按照規(guī)范的K值進(jìn)行路堤填土荷載設(shè)計(jì)，是偏于安全的，填土完成后的設(shè)計(jì)K值與實(shí)測(cè)K值之比分別為1.16和1.18。

3)實(shí)測(cè)結(jié)果表明涵洞填土施工中K值隨著填土高度的增加，存在先增大后減小的過(guò)程。當(dāng) H/D在0.8～1.5附近時(shí)，填土加載過(guò)程中的K值達(dá)到最大，約為1.5，此后 K值逐漸減小至 1.2左右，并趨于穩(wěn)定。

［1］劉靜.高填路堤涵洞土壓力理論及減荷技術(shù)研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

［2］陳保國(guó).山區(qū)高速公路路涵—土作用機(jī)理及路基處理研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2008.

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10002.1-2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.

［4］劉曉曦.沖擊壓實(shí)對(duì)路堤下涵洞受力影響的試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2006(12):21-23.