仁赤高速高填方涵洞設計與常見問題處治

郭天惠

(貴州交通職業技術學院，貴州貴陽 550000)

1 項目概況

仁赤高速第3合同段(RCTJ 18-25施工合同段)，全長61.732 km，共設置排水涵洞118道，通道兼排水涵85道，高填方涵洞28道。本合同段處于赤水河河谷地區，以谷坡、沖溝、支流溝谷組合為主。本合同段約31 km屬沿河線，區內發育較多沖溝，屬發源性季節性沖溝，洪枯期水位流量變化大，沿線水系豐富、高填方路段較多，為涵洞設計提供了難度。

2 高填方涵洞及其特點

2.1 高填方涵洞的劃分

翻閱我國的公路橋涵設計規范，對高填方涵洞并沒有明確定義。而根據我國路基設計規范，把填方總高度超過18 m的填方路基定為高路堤，結合本合同段填土性質和壓實度變化對土壓力的影響及部頒標準圖，本文建議涵洞填土高度H≥16 m的涵洞為高填方涵洞，設計時要特殊設計，特別說明本合同段在半填半挖路基和高填方路基上，有一些涵洞由于受到地形限制，為控制涵長，降低工程造價，把設于原地面上涵洞置于回填土上，這種涵洞填土并不高，但由于其位于高填方上，地基比較軟弱，容易產生沉降，稱軟基上的涵洞，在進行基礎處理時，采用漿砌片石或碎石換填，特殊地段可采用樁基。

2.2 高填方涵洞特點

結合本合同段高填方涵洞的設計及施工，總結出其特點:

1)高填方涵洞承受的土壓力較大。

2)高填方涵洞孔徑偏大，基地換填多，造成工程量大、造價高。

3)高填方涵洞對地基沉降要求高。

4)出現問題后，加固維修難度大。

3 高填方涵洞的設計

3.1 高填方涵洞孔跨的確定

大部分高填方涵洞，均通過確定匯水面積來進行水文計算，最后決定涵洞排水孔跨。

水文計算時，計算流量采用經驗公式:Q=CFnSpλ;以仁赤高速填土高18 m的K110+100涵洞為例，計算流量:

根據《貴州省公路小橋涵設計暴雨洪峰流量研究報告》查數據:

其中，C為地貌系數，其值為:4.2;Sp為50年一遇的雨力，mm/h，仁懷赤水地區雨力值為105 mm/h;λ為指數，查值為0.245;n 為指數，查值為 0.656;F 為匯水面積，F=1.38 km2。

設計流量:1-2.0 ×2.0 蓋板涵，Q設=7.15 m/s，1-3.0 ×3.0 蓋板涵，Q設=18.50 m/s;根據計算流量小于設計流量，16.23 m/s＜18.50 m/s;滿足泄水排洪要求，故該涵洞孔徑定為1-3.0 m×3.0 m。

3.2 以3 m凈跨徑18 m填土為例，計算涵洞蓋板

1)設計資料。

汽車荷載等級:公路—Ⅰ級;環境類別:Ⅰ類環境;

凈跨徑:L0=3 m;單側擱置長度:0.25 m;計算跨徑:L=3.25 m;填土高:H=18 m;蓋板板端厚d1=45 cm;蓋板板中厚d2=50 cm;蓋板寬b=0.99 m;保護層厚度c=3 cm;混凝土強度等級為C30;主拉鋼筋等級為HRB335;主筋直徑為25 mm，外徑為27 mm，共18根，選用鋼筋總面積 As=0.008 836 m2。

根據JTG D61-2005公路圬工橋涵設計規范中7.0.6關于涵洞結構的計算假定:蓋板按兩端簡支的板計算，可不考慮涵臺傳來的水平力。

2)外力計算。

a.永久作用。

豎向土壓力:q=γ2·H·b=320.76 kN/m。

蓋板自重:g=γ1·(d1+d2)·b/2/100=11.76 kN/m。

b.由車輛荷載引起的垂直壓力(可變作用)。

車輪重P=1 100 kN，車輪重壓強p=1.24 kN/m2。

3)內力計算及荷載組合。

a.由永久作用引起的內力。

跨中彎矩:M1=(q+g)·L2/8=439.03 kN·m。

邊墻內側邊緣處剪力:V1=(q+g)·L0/2=498.77 kN。

b.由車輛荷載引起的內力。

跨中彎矩:M2=p·L2·b/8=1.62 kN·m。

邊墻內側邊緣處剪力:V2=p·L0·b/2=1.84 kN。

c.作用效應組合。

跨中彎矩:γ0Md=0.9(1.2M1+1.4M2)=476.19 kN·m。

邊墻內側邊緣處剪力:γ0Vd=0.9(1.2V1+1.4V2)=540.99 kN。

4)持久狀況承載能力極限狀態計算。

a.混凝土受壓區高度。

x=fsd·As/fcd·b=0.181 m≤ξb·h0=0.56 × 0.407=0.228 m(ξb為界限系數，取0.56)，混凝土受壓區高度滿足規范要求。

b.ρmin≤ρ≤ρmax(ρ為配筋率)。

ρ =100·As/b·h0=2.20≥ρmin=45ftd/fsd=0.22，根據規范，主筋配筋率滿足要求。

c.γ0Md≤Mu(Mu為設計荷載)。fcd·b·x(h0－ x/2)=781.71 kN·m≥γ0Md=476.19 kN·m。

按照規范，正截面抗彎承載力滿足要求。

d.斜截面抗剪承載力驗算。

本涵洞蓋板設置箍筋，抵抗斜截面產生的剪應力。

擬用箍筋為R235級鋼筋，直徑為12 mm，箍筋間距為10 cm，縱向受拉鋼筋的配筋百分率P=100·As/b/h0=2.20，箍筋配筋率ρsv=Asv/sv×b=0.002 285，混凝土和箍筋共同承擔的斜截面抗剪承載力 Vcs=α1·α2·α3·0.45 ×10－3·b·h0［(2+0.6·P)·(fcu，k)1/2·ρsv·fsv)］1/2=566.80 kN≥γ0Vd=540.99 kN。

根據規范，斜截面抗剪承載力滿足要求。

5)裂縫寬度計算。

裂縫寬度 Wfk=C1·C2·C3·σss·(30+d)/Es/(0.28+10·ρ)=0.14 mm≤Wfkmax=0.20 mm。

根據規范，裂縫寬度不大于規定的最大裂縫寬度0.20 mm，設計滿足要求。

3.3 基底處理

本合同段高填方涵洞對地基承載力均有要求，為達到要求的地基承載力，一般要作換填處理，換填高度根據實際情況定，30 m以上的高填，且地質情況不好，處于軟土地基的位置，基地可作樁基處理，見圖1～圖3。

圖1 基礎換填大樣

圖2 軟土地基基礎換填大樣

圖3 30 m以上高填軟土地基樁基示意圖

4 高填方涵洞出現的問題及處治方法

4.1 山區高填方涵洞出現的問題

1)土壓力大，涵洞蓋板無標準，需單獨設計。

2)涵洞上土柱和兩側土體的不均勻沉降，產生很大的附加壓力，引起涵洞洞身的開裂、破壞。

3)地基不均為沉降，易造成蓋板錯縫。

4)基地換填多，用碎石墊層或漿砌片石墊層換填，不容易壓密實。

4.2 處治方法

1)本合同段對高填方涵洞的土壓力計算仍采用我國橋涵設計規范，用垂直土壓力計算公式q=γ·H計算，填土越高，壓力越大。由此算出的蓋板厚和鋼筋用量均滿足規范要求，使用正常。

2)因填土高，涵洞孔跨大，臺背回填土較多，產生很大的附加壓力，擠壓涵臺，造成涵臺臺身錯縫、滲水。

處治方法:

a.臺身采用鋼筋混凝土結構，通過計算確定臺身鋼筋用量;

b.臺背回填，采用填石，填一層，壓實一層，有條件的情況下盡量不用土，減小兩側土的壓力;

c.加大臺身尺寸。

3)地基不均勻沉降，蓋板錯縫嚴重。涵洞修好后，出現這種問題處理起來很難，但也必須處理，不能影響公路的正常通車。

處治的方法:

a.等地基不均勻沉降到一定時候，在涵底鉆孔，灌漿，對基地加強處理;

b.兩側墻身打入鋼筋，拉緊墻身，防止墻身繼續沉降;

c.仔細檢測，觀測涵洞沒有繼續沉降后，錯縫蓋板處，朝兩側臺身嵌入鋼管，采用涵套涵的原則，讓涵洞恢復整體。

4)基地換填，壓實度不夠，不均勻，涵底與臺身錯縫。當地基承載力不夠，用碎石墊層換填基地時，因山區公路地勢起伏大，機械壓實不容易，人工壓實質量又不好控制，在承受土壓力和涵洞自身重量下，地基沉降不均勻，就發生了臺身和涵底錯縫。處治的方法:分層換填，分層碾壓，一層控制在50 cm，盡量壓實，控制壓實度，減少地基不均勻沉降。

5 結語

貴州是一個多山的地區，地勢起伏大，利用路塹開挖的廢方填筑高路堤，對沿線水土保持，避免水土流失、節省工程造價，仍然是山區公路設計施工的一項重要技術經濟原則，山區高填方涵洞作為一種特殊排水結構物，仍將廣泛存在。本文就仁赤線中高填方涵洞的特點、出現的問題、處治的方法提出了筆者自己的看法，目的就是為了確保高填方涵洞的安全與穩定。由于筆者水平有限，其中不當之處望各位批評指正。

［1］JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

［2］楊錫武.山區公路高填方涵洞土壓力計算方法與結構設計［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］楊錫武.山區公路高填方涵洞土壓力計算理論研究綜述［J］.重慶交通學院院報，2005(4):8.

［4］王瑞甫，陳華興，劉宏力.高填方路基沉降計算方法研究［J］.中外公路，2007(6):17.