軟土地基涵洞兩側填土對洞身基底應力影響分析

顧 海 榮

(江蘇省送變電公司，江蘇 南京 211102)

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軟土地基涵洞兩側填土對洞身基底應力影響分析

顧 海 榮

(江蘇省送變電公司，江蘇 南京 211102)

介紹了現有溝埋式涵洞頂部土壓力理論計算方法，并探討了軟土地基中考慮涵洞洞身兩側回填土體影響后的基底應力計算方法，指出溝埋式涵洞設計過程中應充分考慮涵洞兩側回填土體附加應力對基底應力的影響。

軟土地基，溝埋式涵洞，回填土，基底應力

0 引言

涵洞是電力、水利、鐵路、公路工程項目中一種常用的構筑物，按埋置方式有溝埋式、填埋式和隧洞式，在電力工程中又常根據埋置深度分高涵、低涵。涵洞的施工方案均采用明挖形式。通常認為涵洞頂部的垂直土壓力是涵洞地基處理、結構計算中的主要荷載。確定洞頂的垂直荷載公式較多，但均沒有成熟的理論。在一些軟土基礎上，由于承載力要求，通常對洞身基礎范圍內地基進行處理，處理方式通常采用剛性樁基礎或復合地基，而又由于基礎處理過程中施工機械要求，涵洞基底開挖寬度要遠大于洞身斷面尺寸，而為滿足新填土與原堤(壩)身相接要求，兩側邊坡開挖坡比通常不能陡于1∶3，這樣，整個開挖就是一個大的倒梯形斷面，開挖斷面相比洞身斷面而言，往往是幾倍甚至幾十倍的關系。在軟土地基上，涵洞兩側填土的沉降會對涵洞的基底應力及沉降產生不利影響。

1 現有溝埋式涵洞頂部土壓力理論計算

根據文獻[1],對于夯實良好的土，當溝槽為梯形斷面時，作用于溝埋式涵洞單位長度洞頂的垂直土壓力采用式(1)計算：

(1)

其中，B1為涵洞寬度；B0為洞頂處槽寬；Hd為洞頂距地面深度或填土高度；Kg為垂直土壓力系數，依據填土類型和參數Hd/B1查表求得，對于松散砂類土或軟土，取值為0.5～1.0，對于基巖，取值為0.4～1.0。

對于溝槽過寬時，若按式(1)計算的垂直土壓力大于上埋式的計算值時，則應按上埋式式(2)計算：

q=KgγHd

(2)

其中，Kg為垂直土壓力系數，對于松散砂類土或軟土，取值為1.0，對于基巖，取值為1.42～1.0。

現行《水工建筑物荷載設計規范》對上埋式埋管的土壓力計算

做了如下規定:作用在單位長度埋管上的垂直土壓力標準值可按式(3)計算：

Fsk=KγHD

(3)

其中，Fsk為埋管垂直土壓力標準值，kN/m;K為埋管垂直土壓力系數，與地基剛度有關，可根據地基類別查?。沪脼樘钔恋闹囟龋琸N/m3；H為埋管以上填土高度，m；D為埋管外直徑，m。

2 軟土地基中考慮涵洞洞身兩側回填土體影響后的基底應力計算

對于軟土地基，為滿足承載力的需求，需對地基進行加固處理，加固區剛度比較大，洞身范圍以外為天然地基，在土體回填過程中，在涵洞兩側回填土以及上部回填土自重等荷載的作用下，發生沉降變形，涵洞基礎范圍內沉降量小于涵管兩側地基的沉陷量，導致頂部填土與側填土的沉降不同，箱涵基礎與兩側地基之間的沉降差，使得箱涵除了承受頂部填土的自重外，還承受由于側填土沉降大于頂部填土沉降而產生的向下的摩擦力，該摩阻力使涵洞頂部產生土壓力集中現象，因而涵洞頂垂直土壓力大于同高度土柱自重。

文獻[3]依據Marston-Spangler理論的基本原理，將涵洞頂土壓力分為洞頂土體自重應力和兩側填土對洞頂產生的附加應力進行計算。假設涵洞為完全剛性，建立簡化計算模型，取單位長度進行討論，涵洞高寬比h/D=1。計算簡圖見圖1，根據微元沿垂直方向的力的平衡，列平衡方程。

(4)

將式(4)化簡得：

(5)

解此微分方程得：

(6)

由h1=0，q1=0的邊界條件確定常數C，得：

(7)

作用于土體上的附加土壓力為：

(8)

涵洞頂部總土壓力為P1=DHγ+F1。

根據前述計算公式，涵洞洞頂的垂直土壓力不僅與填土高度、基底寬度、地基剛度及填土性質有關，而且與洞身兩側填土產生的附加應力有關，根據筆者多年設計經驗，對于地基均勻，剛度較大的地基，天然地基承載力能夠滿足設計要求的情況，采用荷載規范推薦的公式進行計算，得出的結論與實際情況基本相符。但對于部分軟土地基，如果在涵洞基礎處理、結構計算時，忽略洞身兩則回填土所產生的附加應力對洞身的影響，往往會導致工程的失敗。

3 某軟土地基上涵洞兩側回填土體附加應力對基底應力影響分析

導致以上地下連續墻墻面露筋事故的原因較為復雜，總體可以分為地質條件原因、場地環境原因、施工技術原因等。收集所研究車站現場的各項施工相關數據，包括：泥漿參數(配合比、物理性質)、混凝土參數(配合比、充盈系數)、成槽機械設備、成槽施工速度、導墻參數、監測數據對比等，研究各種因素對地下連續墻露筋事故產生的影響。

3.1 工程概況

該工程位于長江江堤上，為一自排低涵，洞身采用鋼筋混凝土結構，孔口尺寸2m×2m，洞身縱剖面圖如圖2所示。

根據原地質勘察結果，涵洞基礎持力層為②層淤泥質軟土層，承載力特征值為60kPa～80kPa，基礎以下層厚12.80m～13.80m，Es=3.3MPa。

根據原施工圖設計成果，在未考慮原涵洞兩側回填土體附加應力影響下，涵洞基底最大應力為144.7kPa，基礎處理采用水泥土攪拌樁處理，樁距為1.0m，方形布置，樁徑0.5m，樁底高程-15m，樁身水泥摻量為15%。加固后地基承載力及最大沉降量和沉降差能夠滿足設計要求。

工程于2002年11月開工建設，2003年8月完工，工程投入運行后，洞身沉降一直增加，到2012年由于沉降量過大，涵洞出口閘門已無法啟閉，根據現場測量結果，涵洞最大沉降量為908mm，最大沉降差375mm，2012年，工程徹底報廢。

3.2 附加應力計算

涵洞基底應力分析，根據原設計成果，涵洞洞身加固區范圍內地基承載由80kPa提高到140kPa，加固區土體壓縮模量由3.3MPa提高到28MPa，但洞身兩側土體回填在天然地基上，根據計算，涵洞底寬2.8m，基底開挖寬度6m，取回填土自重γ=18kN/m3，c=5kPa,φ=25°,泊松比μ=0.30，對應于不同高度的填土，附加應力及自重應力計算結果如表1所示。

表1 涵洞基底應力計算

根據計算結果，兩側填土沉降對涵洞頂部產生的附加應力大于洞頂土柱產生的自重應力，總應力增加1倍多，原水泥樁地基處理方案不能滿足承載力要求。

4 結語

在軟土基礎上，涵洞兩側填土較高對涵洞基底應力影響較大，在通常設計中，如果單純考慮涵洞頂部回填土的影響，而忽略兩側填土對洞頂土體產生的附加應力，往往會導致工程的失敗。

[1] 管楓年,洪仁濟.涵洞[M].第2版.北京:水利電力出版社,1989:35-47.

[2]DL5077—1997，水工建筑物荷載設計規范[S].

[3] 李永剛,李 珠,張善元.矩形溝埋涵洞頂部垂直土壓力[J].工程力學,2008(1):155-160.

[4]GB50217—2007，電力工程電纜設計規范[S].

On influence of soft soil foundation culvert’s two-side filler on tunnel base stress

Gu Hairong

(JiangsuPowerTransmissionandDistributionCompany,Nanjing211102,China)

The paper introduces the calculation method of the buried culvert top soil pressure, explores the base stress calculation methods by considering the culvert two-side refilling of the soft soil foundation, and points out the influence of the added stress of the culvert two-side refilling on the base stress should be considered in the buried convert design process.

soft soil foundation, buried culvert, refilling, base stress

1009-6825(2016)31-0076-02

2016-08-27

顧海榮(1975- )，男，碩士，高級工程師，注冊一級建造師

TU447

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