山區公路高填方涵洞的設計問題研究

摘 要：在山區公路工程建設中經常用到填方涵洞設計，而由于山區高等級公路對線型要求高，所以會用到高填方涵洞的設計。本文主要分析了高填方涵洞的特點，并探討了高填方涵洞的設計方法及要點控制。

關鍵詞：山區公路高填方涵洞 設計

我國山區由于地勢和環境比較特殊，山區公路常常會穿山越嶺，公路要考慮跨越和排水等問題對線路造成的影響工程量比平原地區多，施工也要復雜很多，所以高填方涵洞在山區公路設計中被廣泛應用。因為山區公路受力復雜、工程量大、所以對地基承載力要求高，必須采取降低涵頂填土高度、減少涵洞長度和涵底坡度、降低基底承載力以及簡化結構計算等方式來達到減少工程造價、減小公路涵底損壞、增加涵洞安全性的目的。

一、高填方涵洞的特點

高填方涵洞比起低填方涵洞和其它填埋式涵管來有其獨特性，主要表現為：

（一）高填方涵洞對地基沉降要求高

一般情況下，高填方涵洞要么是鋼筋混凝土拱涵，或者就是蓋板涵，地基的不均勻沉降會使得涵臺發生開裂，或者導致拱圈開裂與塌陷，而涵洞坍塌后會破壞路面造成沉降。所以，高填方涵洞要求地基土必須有高承載力，并且均勻性好，所用區域的地基應該為基巖。

（二）施工量大，成本造價多

因為填土高度大，高填方涵洞洞身較長，工程造價高，若是結構設計不科學，結構尺寸偏大，就會導致高填方涵洞造價陡增，造成成本浪費，比如：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；否則，結構尺寸偏小，可能會讓結構承載力因為無法滿足荷載要求而導致涵洞的開裂坍塌，導致出現質量事故，到時工程維修加固就會使費用增加。

（三）填土承受的壓力大

因為填土高度大，橋梁所承受的土壓力會隨著填土的增高而增加，結構尺寸也會因填土高度增加而增大。

（四）維修加固比較困難

高填方涵洞填土高度大，長度大，通風性不好，采光也不易，工作面不廣，一旦受到破壞，要加固維修就會比較困難，導致造價費用增高。

二、高填方涵洞的設計方法及要點控制

（一）降低填土高度

高填方涵洞會受到來自四面八方的力，又因各構造尺寸對于技術指標要求的比較高，并且工程量大，設計時要考慮是否可以降低填土高度。山區沖溝一般頂寬較大而底寬較小，設置時不需拘泥于原位設涵，可以考慮適當移動涵洞設置，將涵洞設在溝坡上，如圖1。

圖 1

涵1設置在原溝位置，涵2設置在溝坡上，按兩種方案分別設計，主要參數見表l。

表1 涵1與涵2主要指標表

涵名涵長

（m）填土高

（m）涵底坡

（%）進出口

處理構造

尺寸造價

涵192.812.315.1不需要較大較高

涵231.01.21.0需要較小較低

涵2的涵長僅為涵l的1／3，大大降低了造價；填土高降低5倍以上，可減小各構造尺寸，降低基底承載力要求，避免復雜的地基處理；涵2進出口需要處理，進口應將原溝底填起至洞口設計標高，出口應砌槽將水引至原溝，因此需增加征地，但山區溝中多為雜木，填起后亦可恢復植被，對周圍環境影響較小。因此涵2具有明顯的優勢。

此外，還可考慮將原溝填起至理想標高，然后在填土上設置涵洞，出口設置急流坡，也可減小涵長，降低填土高度，但填土需要特殊壓實處理，避免地基不均勻沉降導致涵洞開裂。

（二）減小涵頂土壓力

涵洞建成后，與周圍路基均會有沉降。當周圍土體相對于涵洞無位移時，涵頂上的土壓力σ=γh；土體相對于涵洞下沉時，σ≥γh；涵洞相對于土體下沉時，σ＜γh。因此，設計中可利用此變化規律減小涵頂土壓力，如：適當降低涵底地基剛度，使涵洞相對于周圍土體下沉；或利用兩岸邊坡，阻止土體下沉等。

利用涵洞基礎兩側地基共同分擔土壓力，如圖2。

圖 2

涵洞上方一定高度和寬度范圍內用比周圍填土壓實度低的土填筑，形成一個內松外實的軟弱土區域。然后在此區域的上方設置鋼筋，鋼筋上鋪設土工布等，鋼筋兩端錨固在周圍高壓實度的密實土體內。通過軟弱土區域內較軟弱土體與其周圍密實土體的沉降差，使區域上方鋼筋在涵頂填土壓力作用下產生下撓，通過鋼筋的錨固作用與被動受力，把涵頂垂直土壓力荷載傳遞到涵臺外側的密實土體上，達到減小涵頂土壓力的減載目的。此種減載結構由軟土區域、鋼筋和周圍密實填土構成，利用鋼筋在涵洞上方形成一個穩定的承力減載結構，可以避免軟弱土區域內軟質填料沉降對路面結構的影響，其鋼筋、土工布等均為工業產品，質量穩定可靠，施工工藝簡單、操作簡便，且計算模型簡單明確，方便計算。

（三）減少荷載力

土力學理論本身的許多假定和參數選擇都帶有半經驗性質，隨機性很大，不論計算公式有多么精確，都很難對實際工程中可能出現的問題全部考慮在內，也很難保證準確無誤。所以，在工程設計中一定要根據涵洞受力和變形特點，結合具體工況確定合理的土壓力計算公式，更要采取合理正確的工程措施，讓結構物以最優的狀態進行工作。根據模型試驗、現場測試和理論分析可以發現，利用填土既是荷載又是介質的特性，通過工程措施和方法，可以有效減小結構物上土的壓力。最重要的是減少+σ，直至形成一σ，充分利用“土拱效應”，使管道外側土柱與管道共同承擔管頂土柱重量。總結起來主要有以下幾種方法：

充分利用溝谷地形；

在涵洞頂一定厚度范圍采用高壓縮性填充材料或”中松側實”填土法；

提高涵臺背后填土壓實度或采用低壓縮性材料；

采取合理的地基處理方法，如加固管道兩側地基或采用相對松軟的涵洞地基，使地基產生一σ差。值得注意的是，在涵洞地基設計時，沿涵洞軸向地基的均勻性對結構安全是十分重要的；

加固涵洞兩側地基或采用相對均勻松軟的涵洞地基形成“中松側實”地基使地基產生一σ差，從而達到涵洞卸荷目的；

局部改善填土。比如將涵頂縱向中間一段填土在一定高度內適當降低壓實度標準，或局部換填高壓縮性土和輕質填料，或在涵頂設置一定厚度的彈性材料使填土產生一σ差。換填厚度沿涵洞縱向之變化，應與填土高度變化相對應，這樣既減小了土壓力，又可使涵頂壓力之縱向分布趨于均勻，以減小不均勻沉降。

（四）提高地基承栽力

1.強夯置換

強夯處理技術的發明，使其廣泛應用于素填土、雜填土、低飽和度粘粉、濕陷性黃土、沙土，以及碎石等地基。對于置換材料有如下要求：良好的碎石或者堅硬的石塊；顆粒直徑要合適，劣點之間的距離要保持在合適的范圍，一般情況下，單擊列擊不能小于標準值，應在現場對劣點進行劣擊次數進行現場確定，且在最后的兩次劣擊中要適當控制劣擊沉量。實踐告訴我們，為了使投入更少，縮短施工周期，同時又具有高質量，且具有良好的經濟社會效益，就得采用這種特殊的高效粘土涵洞地基。

2.水泥旋噴樁

水泥旋噴樁在加固涵洞的地基的各種方法中，收效比較好的是水泥旋噴樁加固法。利用單層的高級注漿管噴射出攪拌好的水泥漿，并使水泥漿液射中土方，使得；中刷下來的泥土和水泥漿混合并攪拌均勻一起，最后形成了旋轉的樁。在施工的時候，機器從下往上，利用高壓力不斷旋轉著噴射出水泥漿，利用流體力學的知識，需要調整好各個方面的速度，以及壓力值，這樣才能使水泥漿和泥土很好的攪拌均勻，這樣才能形成比較令人滿意的樁。也可以提高噴射出來的壓力，提高噴射速度等方法來提高噴射質量。

3.壓力注漿

壓力注漿法加固地基是通過一定的壓力將可固化的化學漿液或水泥漿液注入地基上的裂隙或孔隙，以改善地基的物理力學性能。壓力注漿一般是對地基垂直鉆孔，在孔內注入漿液。在注漿孔附近一定影響半徑范圍內，固化的漿液和土顆粒凝聚成圓柱狀的固結體，該固結圓柱體的抗壓強度和抗壓縮變形能力高于未注漿的土體，密布排列的固結圓柱體形成了群樁效果，提高了地基的物理力學性質。漿液的擴散半徑受加固范圍地層的孔隙率、土層的滲透系數、灌漿壓力、漿液的粘度比等因素有關，應選擇合理的注漿孔距保證工程質量。注漿采用跳孔注漿的方法，先灌外圍注漿孔，然后灌注內部注漿孔。注漿速率與被注土體的性質有關，一般起始注漿速率為60L／min，最終注槳速率為35L／min。

總之，山區公路高填方涵洞因為數量和工程量較多，在實際施工的過程中會比較困難，所以，在設計時首先要考慮是否能將高填土涵洞改為低填土涵洞，改成常規涵洞設計，既能簡化設計、方便施工，也可以大大降低工程造價。高填土涵洞荷載很大，對基礎要求較高，因此應設法減小涵頂荷載，并加強地基處理，保證涵洞的穩定性，使構造物耐久、安全。

參考文獻：

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