高填方涵洞設計關鍵技術淺析

劉 洋

(軍博展覽大樓加固改造工程管理辦公室，北京 100000)

高填方涵洞設計關鍵技術淺析

劉 洋

(軍博展覽大樓加固改造工程管理辦公室，北京 100000)

涵洞是公路工程建設中數量最多的構筑物，而高填方涵洞不同于一般的結構物，由于涵土間共同作用，其受力機理較為復雜，從該類型涵洞特點出發，探討了高填方涵洞設計及施工幾個關鍵性技術問題，重點分析了高填方涵洞垂直土壓力計算取值、地基處理方案以及涵洞土壓力減載措施，為高填方涵洞的工程設計實踐提供了參考。

高填方，涵洞，減荷，地基處理

1 概述

高填方涵洞填土較高，洞頂承受較大的壓力荷載，國內外對高填涵洞的研究已有較為豐富的成果。高填方剛性涵洞在高速公路建設中的應用非常廣泛，尤其是在西北，西南地區，高填方剛性涵洞尤為普遍。主要有以下特點:

地形條件變化大，涵洞頂填土高度大；結構承受荷載大，受力復雜，在我國西部地區的高填方涵洞的填土高度一般會達到20 m～30 m，同時涵洞本身結構形式不同，使得涵洞結構受力更為復雜。對地基承載力和沉降控制要求高，由于涵洞結構與土體之間的剛度差異，尤其是上埋式涵洞，涵洞頂會產生較大的土壓力集中。

高填方涵洞常見病害[1]主要表現在：地基承載力不夠；地基處理不當；地基沉降和不均勻沉降；洞頂土壓力計算偏小；其他施工質量缺陷。

高填方涵洞尤其是位于軟土地區的涵洞是涵洞設計難點，由于涵洞結構與填土之間復雜共同作用，涵洞土壓力與涵洞結構構型以及地基方案相互影響，同時也影響涵洞結構本身的受力。如不能重視土壓力計算或采用合理的地基方案，往往造成涵洞截面及配筋過大，施工困難，或引發各種涵洞病害。因此，如何合理設計進行涵洞設計，本文重點對高填方涵洞在設計過程中的關鍵技術問題進行了探討。

2 高填方涵洞土壓力計算

目前，涵洞豎向土壓力的計算有三種計算方法[2]：1)“等沉面”理論；2)“卸載拱”理論；3)“土柱”法。其中“等沉面”理論應用比較廣泛，計算結果得到的土壓力最大，比較適用于新填土上埋式涵洞。“卸載拱”理論，只適用于溝埋式涵洞或者頂管法施工的涵洞，所計算的豎向土壓最小。“土柱”法計算比較簡單，計算結果則介于上述兩者之間。

我國現行鐵路規范[3]涵洞頂土壓力采用了集中系數法，實際采用的是馬斯頓“等沉面”理論的基本概念。從國內外一些上埋式涵洞土壓力實測資料以及病害來看，豎向力都大于土柱自重，因此，新填土上埋式涵洞采用“土柱”法顯然偏不安全，公路部門于2007年出臺的涵洞設計細則[4]則基本借用了鐵路的集中系數法。現行水工荷載規范[5]對上埋式埋管土壓力同樣采用集中系數法，集中系數大小則根據地基剛度(地基土類型)及管溝尺寸及覆土高度確定，對基巖地基集中系數最大約1.42。

美國公路橋涵設計規范(AASHTO 2010)則認為涵土相互作用的效應取決于涵洞的埋設類型及兩側填土的壓實度，對上埋式涵洞，涵頂土壓力集中系數在1.15～1.4范圍。

加拿大公路橋涵設計規范(Canadian Highway Bridge Design Code)對上埋式涵洞同樣采用集中系數法，對圓管集中系數在1.35～1.45之間，對方涵集中系數在1.2～1.35之間。

高填方涵洞洞頂壓力影響因素較為復雜，且壓力值會隨著時間及水文環境的變化而變化。目前各種土壓力計算方法都是在各種假定基礎上推導出來的，與實際有一定的出入。設計者應該根據不同的邊界條件、涵洞洞型尺寸以及填料要求等選擇合適的計算理論。

3 高填方涵洞地基處理

高填方涵洞地基與基礎的受力特性與一般的建筑物地基不同，涵洞頂部及兩側的填土對涵洞基礎具有約束效應，涵土共同作用的效果顯著，為避免涵洞頂部土壓力集中，應按照涵洞地基與兩側路基基本等強原則設計，而不宜處理成“強涵洞、弱路基”。當涵洞地基承載力不足或存在軟弱土層時，可采用換填、強夯或者其他復合地基形式。

3.1換填墊層法

當涵洞位于軟弱土地基時，其承載力和變形滿足不了涵洞的要求,如果軟弱土層的厚度不很大,可將基礎底面(兩側外擴一定寬度)下處理范圍內的軟弱土層部分或全部挖去,然后換填強度較大的碎石、圓礫、石屑等，級配良好，并壓(夯、振)實至要求的密實度為止,這種地基處理方法稱為換填法。當涵洞對變形要求較高時，也可采用土工合成材料加筋墊層，即采用單層或多層土工格柵或土工織物，并在墊層邊緣留設足夠的錨固長度，使加筋層充分受拉，以有效約束填料的變形。工程中常用的換填碎石墊層正是利用碎石的高強度、較大的壓力擴散角來換填涵洞基底軟弱土層,提高地基承載力以滿足設計要求。一般情況下換填深度宜控制在3.0 m以內。軟弱層厚度大于3.0 m時宜采用其他措施處理。對墊層的設計,應該注意墊層具有足夠的厚度和寬度，保證涵洞基底荷載有效擴散傳遞。

3.2強夯及強夯置換

強夯法是反復將夯錘提升到一定高度使其自由下落，給地基以沖擊和振動能量，從而提高地基承載力并降低其壓縮性，強夯法適用于碎石土、砂土、低飽和度的粉土和黏性土、濕陷性黃土、雜填土和素填土等地基。強夯置換是將夯坑內填筑塊石、碎石等粗顆粒材料，用夯錘連續夯擊形成強夯置換墩，強夯置換適用于高飽和粉土與軟塑～流塑狀黏性土。例如：強夯碎石樁工藝處理，置換材料采用級配良好的碎石、塊石等堅硬粗顆粒，粒徑超過30 cm的含量不超過30%，一般單次夯擊能不大于4 000 kN·m，最后兩擊的平均夯沉量控制在50 mm。

3.3旋噴樁復合地基

旋噴樁通過高壓噴射注漿，在其連續和集中作用區域，壓力和沖蝕作用下土體、注漿液充分攪拌、凝固，形成新的固結體，實踐表明，該方法對淤泥、淤泥質土、流塑及軟塑黏性土、粉土、砂土、黃土、素填土和碎石土都具有良好的加固處理效果。根據工程條件，可采用單管法、雙管法和三管法三種工藝。

水泥旋噴樁加固涵洞地基的效果比較明顯，常用單層注漿注射管噴射水泥漿液。當需要對局部部位擴大加固范圍或者提高強度時，可以采用復噴措施。

3.4預制樁或CFG樁復合地基

該方法工藝成熟、質量有保證。樁型應根據上部結構及荷載條件確定，樁間距宜在3d～5d之間。樁頂與涵洞之間設置30 cm碎石褥墊層。

以上處理方法各有優缺點，應結合當地的施工條件和地質情況分析采用，一般對于軟土厚度不大于3 m時，可采用換填、強夯或者強夯置換處理，大于3 m，可采用復合地基處理。對于淤泥厚度較大，流動速率比一般軟土大時，則宜選擇預制樁復合地基處理。

3.5工程實例

西部某機場場內存在3處穿貨運路排水暗涵，暗涵內部尺寸為4.0 m×3.0 m，上部覆土約8.0 m～13.0 m，采用鋼筋混凝土箱涵結構形式，根據工程進度要求需要采用明挖形式。該工程場地地層主要由粉質黏土、素填土及強～中風化砂質泥巖、砂巖組成，土層厚度變化較大。其中粉質黏土、素填土承載力較低，壓縮模量小，不滿足設計要求。涵頂主要為素填土，箱涵底主要為粉質黏土、素填土及強、中風化砂質泥巖、砂巖。由于粉質黏土、素填土承載力較低，壓縮模量小，不滿足設計要求，根據基底軟弱土層的厚度，結合周邊廠區地基處理方案，本工程主要采用了換填墊層法和強夯置換兩種地基處理方案，同時對于基底落在堅硬基巖區段，對其基地超挖50 cm并回填級配碎石。其中換填墊層如圖1所示。

同時，對局部基底軟土在6 m～8 m厚度區域，徹底清除淤泥、耕土及生活垃圾等，且基底以下清除厚度不小于2.5 m，然后鋪設1.5 m厚中風化砂巖墊層(要求級配良好，最大粒徑不大于40 cm)，再用3 000 kN·m的強夯能標準進行強夯，且寬出基礎墊層邊緣不小于4 m。目前，工程已經全部投入使用且現場運行狀況正常。

4 高填方涵洞減載措施及施工

根據土拱效應原理，填土既是荷載又是介質，通過工程措施和方法，可以達到減小上部土壓力的目的，充分利用“土拱效應”，使得涵洞外側土柱與涵洞共同承擔涵頂重量。目前常用的減載方法主要是較小涵洞頂部土壓力。主要包括以下方案[1,2,6,7]：

1)在涵洞頂一定厚度范圍采用高壓縮性填充物，如EPS板、海綿等，使得柔性材料與周圍填土形成沉降差異，從而達到卸載減荷的目的；另外一種就是在涵洞上方一定高度和寬度范圍填筑回填度較低的軟土，形成中間松散兩側密實的狀態，同時在軟土上方分層加筋(鋼筋或者土工布)，并在兩段密實區域充分錨固，通過加載后中間的軟土與周圍之間形成沉降差，使得上部土壓力作用經由加強筋傳至兩側，從而達到減小涵洞頂土壓力的減載目的。2)在地基承載力能滿足要求的前提下，加強涵洞兩側地基，相對削弱涵洞地基，使得涵洞頂部填土荷載卸載至兩側土柱，進而達到減載的目標。3)在涵洞側壁外包裹或粘貼柔性材料，減小土體傳遞給暗涵結構的下沉拉力。對涵頂以上的填土，每一層填土壓實后，再在涵洞兩側沿縱向切割縫隙，并用EPS擠塑板或虛土回灌縫隙，如此在涵洞頂兩側基本形成土體剪切隔離面，從而減小因沉降差由外側土傳遞至涵頂的豎向壓力。

5 結語

涵洞結構與其他橋梁等構筑相比，形式上相當簡單，尤其是高填方涵洞其受力實際上較為復雜，但是往往由于設計及施工不夠重視合理，則容易造成受力不合理，容易開裂、沉降等病害缺陷。因此，設計人員在方案階段應該仔細調研、收集相關的水文、地質環境以及施工條件和水平，根據涵洞的埋設方式、地基土性狀等合理確定涵洞結構形式，結合現行土壓力計算理論和規范要求，綜合制定相互協調的地基處理方案。

填方路基處理涵洞地基處理和加固的好壞，直接影響涵洞地基處理強度、地基穩定性和地基變形；填方路基涵洞基礎的設計直接影響整體涵洞的質量及工程造價。

[1] 謝永利,劉保健，楊曉光.公路涵洞工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 陳寶國.高填方剛性涵洞土壓力計算理論與應用[M].北京：中國建筑出版社,2015.

[3] TB 10002D1—2005,鐵路橋涵設計基本規范[S].

[4] JTG/TD 6504—2007,公路涵洞設計細則[S].

[5] DL 5077—1997,水工建筑物荷載設計規范[S].

[6] 余 揚.高填土涵洞和軟土地基涵洞設計關鍵技術問題探討[J].浙江交通職業技術學院學報,2009(9)：13-15.

[7] 劉保健，謝永利，程海濤，等.上埋式公路涵洞地基及基礎的設計[J].長安大學學報(自然科學版),2006，5(3)：17-19.

Thekeyproblemofdesigninhighfillculvert

LiuYang

(ManagementOfficeofReinforcementandReconstructionProjectofMilitaryExhibitionBuilding,Beijing100000,China)

Culvert is the largest number of structures in the construction of highway engineering, while the high fill culvert is different from the ordinary structure. The stress mechanism of the high fill culvert is quite complex, because of soil-structure interaction. This article discussed several key technical problems in design and construction of high fill culvert, and emphatically analyzed the vertical earth pressure, foundation treatment as well as measures about reducing load. It provided reference for engineering design practice in high fill culverts.

high fill, culvert, reducing load, foundation treatment

1009-6825(2017)28-0187-02

2017-07-24

劉 洋(1977- ),男，工程師

U449.1

A