公路高填方涵洞設(shè)計(jì)中的應(yīng)力分析

亓麗媛，楊佳新，王秀麗

（1.肇東市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)隊(duì)，黑龍江肇東 151100;2.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院，哈爾濱 150080;3.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080）

1 概述

近年來(lái)隨著我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，高填方路堤下設(shè)置的涵洞工程越來(lái)越多，同時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題也相應(yīng)的越來(lái)越多。這就應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計(jì)與施工人員的高度重視，從而避免在今后的設(shè)計(jì)與施工中出現(xiàn)類似的問(wèn)題，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

產(chǎn)生高填方涵洞的主要原因是：山區(qū)公路當(dāng)上游匯水區(qū)面積不大時(shí)，為了滿足縱斷面線形標(biāo)準(zhǔn)要求和利用附近路塹開(kāi)挖的棄方，在某些地形高差大的地段不得不采用高路堤或把橋梁方案改為高路堤通過(guò)，而采用涵洞排水。

2 高填方涵洞存在的問(wèn)題

目前橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)、路基設(shè)計(jì)規(guī)范等均對(duì)暗涵最大填土高度以及路基填方高度超過(guò)20 m的路基定義為高邊坡路堤。

在確定高填方涵洞與低填方涵洞的填土高度界限時(shí)，根據(jù)高填方涵洞產(chǎn)生拱效應(yīng)的填土高度，同時(shí)考慮到施工中填土性質(zhì)和填土壓實(shí)度變化對(duì)土壓力的影響及涵洞結(jié)構(gòu)的安全性，建議將涵頂填土高度H≥18 m的涵洞定義為高填方涵洞。

高填方涵洞屬暗涵，其涵洞上的填土壓力并非隨填土高度的增加而線性增加，當(dāng)填土達(dá)到一定高度后將在涵洞上方產(chǎn)生拱效應(yīng)，使得土壓力小于土柱的重量。若此時(shí)進(jìn)行涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不考慮拱效應(yīng)作用而減少的土壓力，所得出的涵洞結(jié)構(gòu)尺寸將會(huì)很大，而使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不經(jīng)濟(jì)甚至浪費(fèi);反之，若過(guò)分強(qiáng)調(diào)拱效應(yīng)作用，低估高填土下作用于涵洞上的土壓力，則可能會(huì)使設(shè)計(jì)的涵洞尺寸太小而不安全。由此可知，當(dāng)填土達(dá)到多大高度才考慮拱效應(yīng)和如何考慮拱效應(yīng)是高填土條件下涵洞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是高填方涵洞與低填方涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要區(qū)別。

導(dǎo)致高填方涵洞問(wèn)題的原因是多方面的，最主要的不外乎以下5個(gè)方面：

1）涵洞的設(shè)計(jì)與計(jì)算理論至今仍不完善，導(dǎo)致設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際結(jié)果相差很大。

2）施工過(guò)程中，由于施工工藝不當(dāng)，導(dǎo)致涵洞結(jié)構(gòu)體尚未運(yùn)營(yíng)就遭到人為破壞。

3）公路行業(yè)一般將涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全等級(jí)定為三級(jí)，按用途或習(xí)慣將其歸在與小橋同類按規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。這就忽視了涵洞與土共同工作的特點(diǎn)。

4）公路規(guī)范對(duì)涵洞地基和基礎(chǔ)的確定，基本套用工民建的地基與基礎(chǔ)理論或橋臺(tái)地基與基礎(chǔ)的理論，忽視了涵洞與土體共同工作的特點(diǎn)。

5）施工方法上的差異對(duì)涵洞的受力影響較大，因問(wèn)題復(fù)雜，規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)并未提出一套相應(yīng)的受力分析方法。

3 高填方涵洞的特點(diǎn)

包括：

1）高填方涵洞對(duì)地基沉降要求高。

2）高填方涵洞工程量大、造價(jià)高。

3）涵洞所處地形條件變化較大，受力復(fù)雜。

4）承受的土壓力大。

5）加固維修難度大。

4 高填方涵洞的受力分析方法

1）傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)出的涵洞多數(shù)開(kāi)裂，說(shuō)明現(xiàn)行公路設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算方法是偏于不安全的。影響涵洞內(nèi)力計(jì)算的主要因素是：垂直土壓力的計(jì)算和內(nèi)力計(jì)算模型的選取這兩大因素。

2）《公路規(guī)范》對(duì)涵洞承受不同類型的土壓力沒(méi)有提出相應(yīng)不同的確定方法。《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）規(guī)定，作用在涵頂上的豎向土壓力值為P=γH，即等于上覆土柱的重力，這個(gè)公式僅適用于較低填土條件下的涵洞土壓力計(jì)算。涵洞的地基承載力的大小與基礎(chǔ)寬度、基礎(chǔ)埋深或均布超載q=γ0d、土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ成正比。事實(shí)上，目前就是按地基的沉降量來(lái)確定地基承載力。

套用橋梁地基承載力的方法除了在引用上不合適外，還可能對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生負(fù)面影響，很多情況下為了滿足地基承載力的要求，設(shè)計(jì)上就加大基礎(chǔ)的剛度和寬度。認(rèn)為基礎(chǔ)的剛度越大、越寬（基底壓力越小，地基沉降越小，或相當(dāng)于地基剛度越大），則作用在涵頂?shù)耐翂毫蜁?huì)越大，這是設(shè)計(jì)概念上的錯(cuò)誤。

3）根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)成果表明，當(dāng)填土高度H＜16 m時(shí)，實(shí)測(cè)土壓力與理論計(jì)算土壓力較接近，在此高度范圍內(nèi)，可近似用P=γH計(jì)算（略小于理論值）涵頂土壓力;隨著填土高度的增加H＞16 m，實(shí)際傳遞到涵頂上的土壓力減小，理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較大，此時(shí)應(yīng)考慮采用拱效應(yīng)的土壓力理論進(jìn)行土壓力計(jì)算，以使高填方涵洞結(jié)構(gòu)安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

4）高填方涵洞結(jié)構(gòu)驗(yàn)算方法主要有兩種：有限元法和結(jié)構(gòu)荷載法（傳統(tǒng)方法）。基于實(shí)踐，對(duì)高填方涵洞不宜單純按公式計(jì)算，而采用數(shù)值分析方法是比較好的解決途徑之一。目前，比較常用的方法有有限元法，大型有限元軟件如：MARC、ANSYS等。也可使用平面桿系及空間梁格有限元的橋梁博士進(jìn)行分析計(jì)算。

5）采用有限元方法進(jìn)行分析可以得出3個(gè)結(jié)論：①圓管涵不適合高填土工況設(shè)計(jì);②蓋板涵不適宜于填土＞20 m的工況設(shè)計(jì);③箱涵和拱涵，當(dāng)填土高度高于30 m時(shí)，拱涵的受力優(yōu)越性更明顯。

綜上，設(shè)計(jì)高填方涵洞時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)其受力特點(diǎn)采用正確的設(shè)計(jì)方法，得出正確的結(jié)果。其次針對(duì)結(jié)果決定是否采用在涵頂鋪設(shè)EPS板或做加筋橋等減載措施，這樣設(shè)計(jì)出的高填方涵洞在實(shí)際使用中才能經(jīng)得起檢驗(yàn)。

[1]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

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

[3]謝永利.公路涵洞工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

[4]毛瑞祥，程翔云.公路設(shè)計(jì)手冊(cè)——涵洞[K].北京：人民交通出版社，1998.