高填土蓋板涵壓裂加固設計

王恭興

中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014

0 引 言

蓋板涵因施工工藝簡單，維修容易，相對于箱涵造價較低等諸多優點，在全國范圍內得到了普遍應用.隨著山區等級公路和鄉鄉通公路的大量修建，因填土過高導致蓋板涵出現壓裂破壞的情況時有發生，根據調查資料表明，運營中的蓋板涵約63%出現裂縫，蓋板涵填土愈高，涵洞凸出地面的高度愈大，跨度愈大，則開裂的比例越大.針對蓋板涵開裂問題，國內外主要從涵洞土壓力計算理論、防止涵洞開裂措施、涵洞減載措施和加固措施4個方面進行研究[1-8].通過選取適當的土壓力計算方法，提高涵洞施工質量和結構強度，改善涵洞與兩側填土剛度之間對比和開裂破壞后的加固措施來解決涵洞開裂問題.由于山區特殊的地形及地質環境，高填土涵洞開裂后及時采取安全、經濟、有效的加固措施能直接影響山區公路建設的經濟效益和社會效益.因此，涵洞壓裂加固設計具有一定的經濟價值與實際意義.通過對水電站庫區某汽車便道三道蓋板涵因涵頂實際覆土較高而出現不同程度的涵臺變形、開裂問題，就加固設計方案和施工注意事項等作簡要介紹.

1 加固設計方案

水電站庫區某汽車便道在路基施工作業已完成，進入路面施工階段時，在汛期前例行檢查發現有三道高填土路堤蓋板涵出現墻體開裂和變形，漿砌石墻身鑲面石嚴重剝落等問題.經現場勘察和設計復核，造成蓋板涵發生質量問題的根本原因為施工方實際施工時套用涵洞標準圖紙不正確.三道蓋板涵均為填方路堤涵洞，施工完成后三道蓋板涵實際填土高度分別為13.5 m、12.9 m和11.5 m.施工方在施工時錯誤套用填土高度為10 m的蓋板涵標準圖，實際填土高度遠遠大于設計填土高度，填土荷載過大，是導致蓋板涵涵臺開裂和變形的最根本原因.蓋板涵存在漿砌塊石石材質量不滿足規范要求，部分蓋板澆筑質量較差，存在蜂窩麻面和鋼筋露筋等施工質量問題是導致涵臺開裂和變形的直接原因.為此對三道蓋板涵進行專項處理設計.

1.1 設計方案比選

比選方案1:重新挖除路基，修復破壞墻體，根據實際填土高度加大涵洞結構尺寸.道路路面目前還未鋪筑，采取重新開挖路基至涵頂，吊開涵洞蓋板，根據實際填土高度加大涵洞結構尺寸，對鋼筋混凝土蓋板重新配筋后現澆或預制吊裝，最后填土.優點：a.結構簡單，思路明確；b.施工難度低.缺點：a.重新開挖影響整體形象和施工進度；b.造價成本較高；c.超過10 m高填土蓋板涵對結構施工質量要求較高，易存在施工質量隱患，影響結構安全可靠性.

比選方案2:重新挖除路基，拆除原有蓋板涵，根據實際填土高度采用鋼筋混凝土箱涵代替原有蓋板涵.優點：a.結構簡單，思路明確；b.施工難度較低；c.針對高填土涵洞，鋼筋混凝土箱涵結構安全可靠.缺點：a.重新開挖影響整體形象和施工進度；b.造價成本高，拆除原有蓋板涵造成浪費.

比選方案3:錨桿加鋼筋混凝土面板加固[2].采用該方法可較大幅度的提高構件的承載能力和抗彎性能，增強其延性，既阻止了原結構繼續變形和破壞，又充分發揮原結構的作用，達到共同承受外荷載.具體方案為：混凝土面板強度等級C30，錨桿20@50 cm@50 cm梅花形布置，面板厚度30 cm，按最小配筋率配筋，底部鋪筑厚10 cm的C15片石混凝土增強邊墻間的支持.優點：a.思路明確；b.造價成本較低；c.對施工整體形象和施工進度影響不大.缺點：a.影響涵洞過水面積，受涵洞過水面積限制；b.加固后結構安全可靠性有待考驗；c.施工復雜.

比選方案4:內嵌整體式箱涵加固.在蓋板涵內嵌整體式箱涵，增加蓋板涵的整體剛度，減小結構的內力和變形，阻止裂縫的繼續擴展，充分利用原有結構，保證新老結構共同受力.優點：a.思路明確；b.造價成本較低；c.加固效果好，結構安全可靠；d.對施工整體形象和施工進度影響不大.缺點：a.影響涵洞過水面積，受涵洞過水面積限制；b.施工稍復雜.

方案1和方案2需重新挖除路基，影響整體形象和施工進度，同時造價較高；方案3雖然對施工整體形象和施工進度影響不大，但加固后結構安全可靠性有待考驗；方案4改變了涵洞的結構體系，充分利用了原有結構，較為經濟合理.經過經濟核算及結構計算分析，綜合考慮現場實際情況，決定采用方案4整體式箱涵加固方式.

1.2 加固設計方案

對于2道凈寬×凈高為2.1 m×2.0 m的蓋板涵內嵌箱涵為1.5 m(凈跨)×1.4 m(凈高)，對于1道凈寬×凈高為2.1 m×2.5 m的蓋板涵內嵌箱涵為1.5 m(凈跨)×1.9 m(凈高)，兩種箱涵的材料、配筋及其他尺寸相同.截面尺寸：側墻、底板與頂板厚30 cm，頂倒角與底倒角20 cm×20 cm(圖1).主要材料：箱涵采用C30混凝土，箱涵涵身配筋為HRB400鋼筋，主筋采用20@150.為了加強與原結構的結合，對原涵蓋板做梅花型植筋.同時對于蓋板部分外露鋼筋進行除銹處理，對側墻及蓋板裂縫采用C40號混凝土、環氧樹脂砂漿填補[3].

1.3 設計計算要點和參數

箱涵結構計算針對1.5 m(凈跨)×1.9 m(凈高)箱涵進行驗算，箱涵填土高度選用三處涵洞涵頂最大覆土高度13.5 m.

a.箱涵按鋼筋混凝土框架梁構件設計，并對側板按偏心柱構件進行核算.

b.根據本箱涵特點，利用有限元軟件，建立平面桿系模型，對箱涵進行整體計算.

c.沖擊系數：不計沖擊效應.

根據箱涵受力的特點，結合實際的邊界條件，利用Midas軟件，建立平面桿系模型，對單位長度箱涵進行整體受力分析，并對箱涵截面抗彎、抗剪、裂縫寬度進行驗算.箱涵采用梁單元模擬，具體模型如圖2.考慮土的彈性支撐作用，對箱涵底板采用彈性支撐模擬，并限制箱涵水平位移.根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG D63-2007)第P.0.2條，地基豎向抗力系數為C0=m0×h(當h<10 m時，取C0=10×m0)，其中m0為地基豎向抗力系數的比例系數，根據地基土分類、狀態查表P.0.2-1，取m0=50 000 kN/m4，圖2中底板節點豎向彈性系數按照單元長度依次輸入數據如表1(按從左至右的順序).

圖2 箱涵有限元計算模型

表1 節點地基豎向抗力系數

荷載施加[4-5]：

箱涵覆土厚度：13.5 m；土的內摩擦角：30°；粘聚力C：0；填土容重：18 kN/m3

a.自重：考慮1.05的增大系數

b.豎向土壓力：qv=KγH=243 kN/m2

c.水平靜土側壓力：

頂板處：qH1=(1-sinΦ)γH=121.5 kN/m2

底板處：qH2=(1-sinΦ)γ(H+h)=144 kN/m2

d.汽車荷載：

根據公路涵洞設計細則(JTG/T D65-04-2007)第9.2.3條規定，計算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時，車輪按其著地面積的邊緣向下作30°角分布.當幾個車輪的壓力擴散線相重疊時，擴散面積以最外邊的擴散線為準.

汽車后輪著地寬度0.6 m，一個汽車后輪橫向擴散寬度為：

0.6/2+Htan30°=8.09 m>1.8/2

故橫向分布寬度為(兩車道)：b=(8.09×2+1.3+1.8×2)/4=5.27 m

汽車后輪著地長度0.2 m，一個汽車后輪縱向擴散寬度為：

0.2/2+Htan30°=7.89 m>7.0/2>1.4/2

故縱向分布:a=(1.4+7.0×2)/2=7.7 m

車輛荷載等效垂直壓力：q車=∑G/(a×b)=70/(5.27×7.7)=1.73 kN/m2；

車輛荷載等效水平壓力：e車=q車tan2(45°-φ/2)=0.58 kN/m2.

1.4 結構計算

a.荷載組合.

荷載組合見表2.

表2 荷載組合表

b.箱涵受力分析.

在最不利基本組合、短期效應組合和長期效應組合作用下，箱涵彎矩如圖3、圖4、圖5所示.

圖3箱涵彎矩圖(基本組合)

Fig.3 Culvert bending moment diagram(fundamental combination)

圖4箱涵彎矩圖(短期效應組合)

Fig.4 Culvert bending moment diagram(combination for short-term action effects )

圖5箱涵彎矩圖(長期效應組合)

Fig.5 Culvert bending moment diagram(combination for long-term action effects )

在最不利基本組合、短期效應組合和長期效應組合作用下，箱涵剪力如圖6、圖7、圖8所示.

圖6箱涵剪力圖(基本組合)

Fig.6 Culvert shear force diagram (fundamental combination)

圖7箱涵剪力圖(短期效應組合)

Fig.7 Culvert shear force diagram (combination for short-term action effects)

圖8箱涵剪力圖(長期效應組合)

Fig.8 Culvert shear force diagram (combination for long-term action effects)

在最不利基本組合、短期效應組合和長期效應組合作用下，箱涵軸力如圖9、圖10、圖11所示.

圖9箱涵軸力圖(基本組合)

Fig.9 Culvert axial force diagram (fundamental combination)

圖10箱涵軸力圖(短期效應組合)

Fig.10 Culvert axial force diagram (combination for short-term action effects)

圖11箱涵軸力圖(長期效應組合)

Fig.11 Culvert axial force diagram (combination for long-term action effects)

在基本組合、短期效應組合、長期效應組合作用下，箱涵彎矩、剪力、軸力匯總如表3.

表3 箱涵內力表

c.結果分析.

在基本組合作用下：頂板跨中20號單元出現最大正彎矩值，經驗算

γMu=0.9×46.3=41.7 kN·m≤Mn=

fsdAs(h0-as′)=330.00×2 199.40×(250.00-50.00)×10-6=145.16 kN·m

正截面抗彎驗算滿足要求[6].

兩側側板頂部20、29號節點處最大負彎矩值，經驗算

γMu=0.9×111.3=100.2 kN·m≤Mn=

fcdbx(h0-x/2)+fsdAs(h0-as′)=

13.80×1 000.00×105.19×(350.00-105.19/2)+330.00×0.00×(350.00-0.00)=431.72 kN·m

正截面抗彎驗算滿足要求.

箱涵正截面抗彎承載力所需主筋量估算如表4，主筋采用20@150，按雙筋矩形截面進行配筋.

表4 正截面抗彎主筋用量估算

2 加固施工要點

a.施工前對原涵外觀和破損部位做全面檢查，并做好標記.

b.分段加固施工，第一段選取道路中心線對應的涵節，分段長度根據原涵長度和沉降縫進行分段，不宜過長.

c.為確保施工安全，施工前做好臨近段墻身的支撐，施工中采用枕木加鋼管支撐.

d.施工工序：墻身鑿毛、清洗→綁扎箱涵底板及側墻鋼筋→澆注底板混凝土→立側模→澆注側墻混凝土→拆模(混凝土80%強度).

e.澆注靠近蓋板側墻時，應預留50 cm與頂板同期澆注.

f.對原頂面蓋板植筋時，鉆孔應避開原板受力鋼筋及蓋板絞縫，植筋與受力主筋點焊形成整體.

g.兩端對稱施工，直至完成整個涵洞加固.

3 結 語

高填土蓋板涵因上覆填土荷載較大，應重視蓋板涵施工質量，特別是因地基承載力不足導致沉降不均勻引起的壓裂及由于墻臺強度不滿足規范要求等施工質量問題引起的蓋板涵壓裂變形.在不影響涵洞過水斷面的情況下，采用內嵌整體式箱涵的加固方法，加固效果好，結構安全可靠性高，對正常運營的各等級公路舊涵加固不中斷交通具有明顯意義.

致 謝

感謝中南勘測設計研究院移民工程處黃列夫、昌盛、劉小明在論文撰寫過程中給予的支持與幫助.

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