高填方涵洞地基承載力分析

梁　鵬

(重慶市交通規劃勘察設計院, 重慶 401121)

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高填方涵洞地基承載力分析

梁鵬

(重慶市交通規劃勘察設計院, 重慶 401121)

【摘要】在工程實踐中，特別是在高填方情況下，為了使地基承載力滿足設計要求，往往需要投入大量的人力和物力進行涵洞基底的地基處理，這種做法是不經濟的。高路堤下的涵洞，填土相當于使涵洞基礎具有埋深效應，可以顯著提高地基承載力，深刻認識埋深效應有助于指導高填方涵洞的地基承載力的確定。如果對地基承載力修正認識不足，過分強調修正效果，會導致結構物因地基承載力不足，基底沉降和不均勻沉降過大，甚至引起結構物或路面開裂，影響道路的正常使用。因此，合理確定高填方路堤土壓力分布狀態、準確對地基承載力進行修正，成為高填路堤下構筑物設計和施工中的突出問題。

【關鍵詞】涵洞;地基;承載力

我國軟土地基承載力的理論研究具有數十年的歷史，對軟土的基本工程性質進行了大量的試驗，對我國分布的軟土的物理力學性質有了基本了解。為了系統闡述軟土的特性及微觀機理，我國著名學者高國瑞教授以電化學、膠體化學理論為基礎，系統研究了軟土的物質成分及微觀結構，并分析了它們對軟土工程的影響程度。沈珠江院士從宏觀角度對軟土特性尤其是強度特性進行了系統研究，以大量的試驗資料為依據，全面探討了軟土在不同應力條件下的應力應變關系及其表現出的強度特性，這些研究成果開創了軟土工程的新局面[2-3]。 1992 年，趙燕明結合土層經建筑荷載壓密后其強度參數有所提高的實際，假定飽和土地基由于其土中孔隙完全被水充滿，當其滲透系數和排水條件給定以后，通過固結理論計算地基在某一階段后的沉降量，進一步計算出基礎以下一定深度內土的密度的改變量。通過建立地基土的密度改變量與它的強度參數改變量之間的關系，在固結理論的基礎上，建立起地基在發生了一定的均勻沉降后的承載力修正值的計算公式。

在國外，對此類問題的研究已有幾十年的歷史，前蘇聯、美國、日本等國家在這一方面做了大量的工作，主要研究成果體現在地基承載力的回歸計算、現場觀測沉降的曲線擬合等方面。其中，較早給出類似關系的是Skempton，他于 1944 年建立了壓縮指數與液限之間的關系式。Sridharan等于 2000 年研究了壓縮指數與一些物理參數的關系，指出壓縮指數與土的塑性指數、液限以及液性指數均有密切的相關關系。其后很多國家都進行過這些內容的研究，如日本，針對大阪沖積黏土、石狩黏土、名古屋黏土提出了各自類似于Skempton公式的表達式。Hanna 等根據室內模型試驗結果，在太沙基極限承載力公式的基礎上，推導出了砂土地基上不同頂角殼型基礎極限承載力理論公式，并與模型試驗結果進行對比，說明了計算公式的適用性。Merifield等基于太沙基極限承載力公式，根據上下限定理和能量原理，推導出分層地基條件下的極限承載力公式[1-5]。

1地基承載力理論研究

高速公路軟基路段絕大部分屬于侵蝕堆積河谷工程地質區，為第四系沉積土。軟基路段覆蓋厚度不等的第四系黏性土、砂性土，厚度多在 3～8 m，局部厚度達10 m以上，呈飽和狀態，局部地段存在淤泥質軟土，下伏基巖多為武當群片巖，部分地段下伏基巖為晉寧期基性火山巖侵入巖體。軟基路段所在工程地質區除漢江水流流量較大外，其余均為季節性河流，對路基沖刷影響不大。此種路段工程地質性質較差，承載力相對較低，路基加載后的不均勻沉降較大，邊坡穩定性也相對較差。合理地評價地基承載力，關系到工程項目的建設質量、速度和經濟效益等重大問題。

1.1確定地基承載力的基本原則

(1)保證地基不發生強度破壞而喪失穩定性。

(2)保證構造物不發生影響其安全與正常使用的過大位移或不均勻沉降。

1.2確定地基承載力的方法

(1)現場試驗法，包括靜載荷試驗法、靜力觸探法與動力觸探法等，但是這些方法不能得到考慮埋深效應的地基承載力設計值。

(2)規范法，通過理論研究、試驗以及大量的工程實踐，提出的計算公式能直接得出考慮埋深效應的地基承載力設計值。

(3)理論計算法，包括理論公式計算和數值計算兩類，通過計算地基的臨塑荷載、臨界荷載或者極限荷載再除以安全系數，可以得到考慮埋深效應的地基承載力設計值。

三種方法中，理論方法能通過參數研究，較深入地認識影響地基承載力的多種因素，特別是數值分析方法，不但可以考慮地基土的性質和埋深效應等對地基承載力的影響，還能得到基底壓力的大小和分布以及土體的位移趨向和塑性區的分布狀況。

1.3承載力理論的假設條件

(1)假定土體不可壓縮，地基在發生整體剪切破壞的條件下得出的，實際上土體在發生破壞前及在剪切破壞過程中，都將產生壓縮現象或由于土質松軟而出現局部破壞或沖剪破壞；

(2)假定滑動面的方法，并根據土的靜力平衡條件分別求出由于黏聚力c、超載q和土自重γ所引起的承載力，然后進行疊加而得到總的承載力。由于承載力公式中c、q、γ所組成的每一項并不是在同一滑動面的情況下得出的，且在求解過程中均將滑動土體當作不變形的剛塑體來考慮。這是目前承載力公式中共同存在的主要問題，也是不能真實反映實際的主要原因。

2地基承載力修正探討

山區深溝較多，涵洞上部填土較高，基底壓力相當大。而溝谷中一般為沖填土或軟土，地下水較發育，地基承載力低，通常在 100～200 kPa之間，地面以下 4～5 m 處也不足 300 kPa。

對于高填方涵洞，設計中要求的承載力大多在 600 kPa以上。如果按照通常的設計標準，地基承載力大于基底壓力，一方面地基承載力很難達到要求，另一方面會造成涵頂的應力集中加劇，使涵洞構造物受力不合理。

地基土的特性不是固定不變的，它隨著施工工藝、路堤的加載速度、加載的方式等而不斷變化，把地基土的承載力看作是一成不變的觀點是不恰當的。對于軟黏土，加載速率適當控制，使軟黏土在加載過程中排水固結，軟土的強度指標將會逐漸提高，從而使地基極限承載力也得到一定程度的提高。

例如：設飽和土地基在發生了一定量的均勻沉降后，基礎以下一定深度范圍內地基土的強度參數由c,φ提高。采用普朗特爾(Prantl)假定。考慮一個寬度為B的條形基礎，基底無摩擦，忽略基礎下土體的重量，解得考慮地基壓密、強度參數提高后的Prantl極限承載力修正值，即可計算地基在被建筑荷載壓密以后的極限承載力修正值。

3小結

介紹了確定地基承載力的基本原則和常用方法，分析了影響地基承載力的因素，通過理論分析討論了地基承載力深寬修正的合理性，得到了以下幾點結論：

(1)高路堤填筑過程中天然地基被壓密并且逐漸固結，填筑過程相當于一個堆載預壓的過程，地基土的有效內摩擦角與黏聚力都會有一定程度的提高，地基的基本承載力也將得到相當程度的提高。

(2)涵洞構造物中部節段的基礎屬于深埋基礎，路堤填土使涵體構造物具有埋深效應，涵洞地基設計應考慮基礎的深度修正，對于涵洞的整體式和分離式基礎，其基礎埋深的取值方法是不同的。

參考文獻

[1]3TJ 024-85 公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[2]張留俊, 王福勝, 劉建都. 高速公路軟土地基處理技術[M]. 北京：人民交通出版社, 2002.

[3]白冰, 肖宏彬. 軟土工程若干理論與應用[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2002.

[4]袁聚云. 土工試驗與原位測試[M]. 上海：同濟大學出版社, 2004.

[5]鄭俊杰. 地基處理技術[M]. 武漢：華中科技大學出版社, 2004.

【文獻標志碼】A

【中圖分類號】U449.1

[作者簡介]梁鵬(1982～)，男，本科，工程師，從事路基工程設計工作。

[定稿日期]2015-06-17