拱涵計(jì)算過程及設(shè)計(jì)方法淺析

張素喜

【摘 要】本涵洞為鄂爾多斯東勝區(qū)公園大道道路工程的一道拱涵，涵洞凈跨徑為4m，涵洞軸線與道路前進(jìn)方向右側(cè)夾角為90°。論文主要介紹了涵洞的計(jì)算過程及設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)單介紹了拱涵施工過程中的一些注意事項(xiàng)。

【Abstract】This culvert is an arch culvert of the Gongyuan Dadao road in Dongsherg district of Erdos， the net span of the culvert is 4m， and the angle between the axis of the culvert and the forward direction of the right road is 90°. This paper mainly introduces the calculation process and design method of culvert， and briefly introduces some matters needing attention during the construction of arch culvert.

【關(guān)鍵詞】高填土拱涵；拱涵設(shè)計(jì)計(jì)算；減荷措施

【Keywords】high fill arch culvert； design and calculation of arch culvert； load reduction measures

【中圖分類號(hào)】U449.1 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）08-0193-02

1 引言

近幾年山區(qū)公路建設(shè)的飛速發(fā)展，對(duì)道路線行的要求，深挖高填的現(xiàn)象不可避免地出現(xiàn)，高填路堤也逐漸增多。拱涵便適應(yīng)于這種高填土路基，可以跨越深溝，還具有大量利用挖方減少棄方等優(yōu)勢(shì)。公園大道在K0+400處的填土高度高達(dá)11.9m，綜合考慮在此處設(shè)置一道鋼筋混凝土拱涵，其凈跨徑為4m，涵高1.83m，涵長90.23m。

2 拱涵平面、立面設(shè)計(jì)

考慮到路線在跨越主要排、灌溝渠時(shí)，根據(jù)實(shí)地調(diào)查的有關(guān)資料及地方要求，結(jié)合道路邊坡排水及道路下雨水管道的設(shè)置情況，綜合考慮布設(shè)涵洞。根據(jù)地基承載力、填土高度及流量大小選用鋼筋混凝土拱涵，其樁號(hào)為K0+400。為了更直觀地了解本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案，拱涵的平面、立面圖如圖1。

2.1 拱圈的計(jì)算

拱涵的拱圈應(yīng)按《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D61）的規(guī)定進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)的承載能力（正截面強(qiáng)度）、穩(wěn)定性驗(yàn)算。拱涵的拱圈宜按無鉸拱計(jì)算，其矢跨比不宜小于1/4，拱涵可不考慮曲率、剪切變形、彈性壓縮、溫度作用效應(yīng)和混凝土收縮效應(yīng)。拱圈采用C30混凝土，厚度為50cm，拱圈所承受的恒載主要有：拱頂填土的豎向壓力、拱圈自重以及填土所產(chǎn)生的水平方向的壓力、拱腳與拱頂間倒圓弧豎向填土壓力。活載主要包括各活載所產(chǎn)生的水平壓力和豎向壓力。拱圈的計(jì)算過程簡(jiǎn)化如下：

①計(jì)算恒載引起的內(nèi)力，全跨按均布荷載計(jì)算

拱頂填土壓力=土容重×填土高度=214.2kN

②倒圓弧荷載

拱腳與拱頂填土壓力差=拱背填料容重×（計(jì)算矢高+拱圈厚度 / 2 - 拱圈厚度 / 2×Cos（ψ0））=31.18kN

③拱圈自重

拱圈自重=拱圈容重×拱圈厚度=12.5kN

④雙側(cè)水平力

拱頂恒載水平推力=土容重 × 填土高度×Tan（45 / 180 ×PI - Parm.土內(nèi)摩擦角 / 180 × PI / 2） ^ 2=72.14kN

經(jīng)過汽車荷載組合、掛車荷載組合驗(yàn)算后，在拱頂產(chǎn)生的水平力、左拱腳產(chǎn)生的水平力及豎向力、右拱腳產(chǎn)生的水平力及豎向力均滿足強(qiáng)度及縱向穩(wěn)定性的要求。

2.2 涵臺(tái)強(qiáng)度及穩(wěn)定性的驗(yàn)算

涵臺(tái)的具體參數(shù)如下：凈跨徑4m，涵臺(tái)高度2.5m，填土高度11.9m，涵臺(tái)采用M7.5漿砌MU40塊石，臺(tái)頂寬度1.2m，臺(tái)背坡度4：1，采用整體式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)厚度為1.0m，襟邊寬度為0.7m.拱涵臺(tái)身按偏心受壓構(gòu)件驗(yàn)算，計(jì)算偏心距e≤0.6s，在本項(xiàng)目中偏心距=B/2-Mjc/Nj=0.17m，容許偏心系數(shù)=0.5，E

根據(jù)可能同時(shí)出現(xiàn)的作用荷載進(jìn)行組合驗(yàn)算，主要考慮組合Ⅰ和組合Ⅲ，臺(tái)身強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算、臺(tái)口抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算、抗傾覆安全系數(shù)、抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù)均滿足要求。

3 高填土拱涵基礎(chǔ)的選擇

涵洞的基礎(chǔ)分為整體式基礎(chǔ)和分離式基礎(chǔ)兩大類。對(duì)于高填土的拱涵來說，一般選擇整體式基礎(chǔ)。由于高填土拱涵本身就要承受涵頂上部土壓力的重量，對(duì)涵底地質(zhì)要求很高，結(jié)合東勝區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，斷層不發(fā)育等地質(zhì)構(gòu)造，本項(xiàng)目拱涵采用整體式基礎(chǔ)。采用整體式基礎(chǔ)對(duì)于提高基礎(chǔ)地面地基土的承載力效果非常顯著，能有效地減小由彎矩引起的基底應(yīng)力，提高地基土的承載力，還可以防止地基不均勻沉降、拱腳位移和局部破壞等不利影響，而且有利于施工的控制。舉例說明，在其他條件不變的情況下，拱頂填土在大于10m時(shí)，整體式基礎(chǔ)的基底應(yīng)力在320～510kPa之間，在同樣條件下的分離式基礎(chǔ)的拱涵相比，基底土的承載力可提高30%～40%。

在實(shí)際的計(jì)算中，我們往往會(huì)發(fā)現(xiàn)高填涵洞的基底計(jì)算應(yīng)力會(huì)比地勘報(bào)告所提供的地基承載力大一些，但此計(jì)算應(yīng)力并不是控制設(shè)計(jì)的主要因素，關(guān)鍵是我們?nèi)绾螌?duì)地基進(jìn)行處理，如何盡可能地保證地基的均勻性和穩(wěn)定性，避免基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，故而要增加臺(tái)背回填土的壓實(shí)度，加強(qiáng)施工過程中管理，嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計(jì)中規(guī)定的施工流程和施工工藝，提高施工質(zhì)量。在具體的施工項(xiàng)目中，涵洞的基礎(chǔ)也會(huì)發(fā)生一定的沉降，但這是微小的，均勻的，沉降量應(yīng)滿足規(guī)范要求，在規(guī)范要求范圍內(nèi)的沉降量都是工程允許的。

4 高填土拱涵減荷措施

首先我們先來分析一下拱涵頂土壓力的作用方式，涵頂覆土的垂直壓力與其兩側(cè)填土的壓力，兩側(cè)之間產(chǎn)生相互的摩擦力。這個(gè)摩擦力的方向取決于涵頂覆土垂直壓力和兩側(cè)填土壓力的大小，若涵頂覆土垂直壓力大于兩側(cè)填土壓力，則產(chǎn)生的摩擦力向下，這也是馬斯頓及國內(nèi)許多部門所證實(shí)的“等沉陷”理論。所以在涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)認(rèn)真考慮涵洞洞頂垂直土壓力的影響因素，確保計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際的受力情況。

根據(jù)涵頂土壓力的理論分析，通過一些工程措施和方法，可以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)物上土壓力的目的。在高填土作用下，考慮采取減荷措施，保證涵洞結(jié)構(gòu)的安全性、減少裂害的有效途徑。減荷措施的工作原理就是采取有效措施，減小涵頂內(nèi)外（即涵頂垂直土壓力和涵頂兩側(cè)填土壓力）土柱間沉降差，甚至產(chǎn)生負(fù)的沉降差，使外土柱對(duì)內(nèi)土柱產(chǎn)生向上的附加摩擦力，也就是說外土柱與涵洞共同承擔(dān)涵頂土柱壓力，達(dá)到降低涵頂垂直土壓力值的減荷效果，充分利用“土拱效應(yīng)”，沉降對(duì)涵洞起到一定的卸荷作用。這樣看來，在洞頂鋪填減荷材料（壓縮性大于填土的柔性材料）層，不僅減壓效果最佳，還可以大大減小涵頂垂直土壓力，也就減小了涵洞與填土之間的沉降差，還可以通過改變涵洞軸線方向的減荷材料層厚度，調(diào)整洞軸向垂直土壓力分布不均，從而也減小了洞身軸向的不均勻沉降。

5 總結(jié)

涵洞的形式多樣，不同的涵洞形式對(duì)工程造價(jià)、施工工藝等各項(xiàng)指標(biāo)的要求差別也很大，所以要因地制宜選擇合適的涵洞類型及洞口形式。拱涵作為高填土涵洞應(yīng)用廣泛一種涵洞形式，有其自身很多優(yōu)越的地方，比如拱形式選擇的多樣性，不同材料的拱其外觀也有很大差別。拱的造型美觀，一座合理的、舒適的、安全的拱涵，也將會(huì)成為當(dāng)?shù)匾坏烂利惖娘L(fēng)景線。當(dāng)然，在結(jié)構(gòu)計(jì)算及方案設(shè)計(jì)中，我們要做到以下幾點(diǎn)：①盡量減少填土的高度，換句話說合理的布置涵洞盡量抬高涵底高程；②涵洞的結(jié)構(gòu)形式宜優(yōu)選鋼筋混凝土拱涵，拱圈要全涵配筋，根據(jù)填土的高度和結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果確定結(jié)構(gòu)的尺寸；③計(jì)算參數(shù)應(yīng)盡量接近實(shí)際的受力情況，合理的計(jì)算模型是保證結(jié)構(gòu)安全的重要前提；④涵底高程的設(shè)計(jì)既要考慮涵底縱坡的需求，也要考慮到基礎(chǔ)不可避免的微小沉降量，充分利用減荷措施來減小涵頂垂直土壓力。