公路高填土涵洞的加固設(shè)計(jì)

張晉濤

（陜西省西安公路管理局三橋公路管理段，西安710003）

1 引言

在很多山區(qū)公路工程的建設(shè)中都采用了高填土的涵洞設(shè)計(jì)方案。但由于高填土地基承載能力往往比較低，容易出現(xiàn)裂縫問題，存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，對公路工程的安全暢通會(huì)產(chǎn)生較大的影響。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)全面了解高填土涵洞的水文地質(zhì)情況，并對產(chǎn)生裂縫的主要原因進(jìn)行深入的研究分析，從而優(yōu)化加固設(shè)計(jì)方案，提高涵洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本文結(jié)合某高填土涵洞的設(shè)計(jì)實(shí)踐分析高填土涵洞加固設(shè)計(jì)的要點(diǎn)以及優(yōu)化方法，從而提高我國公路工程的整體設(shè)計(jì)水平，為我國公路交通事業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

2 某高填土涵洞工程基本情況

2.1 公路高填土涵洞工程概況

某公路工程的高填土涵洞為蓋板涵洞，全長88.5m 左右。涵頂填土的最大高度約為11.4m，臺(tái)身材質(zhì)主要為漿砌片石，型號為M7.5，采用的是整體式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。該工程位于谷底地帶，持力層厚度為0.8m～1.6m，成分主要為中密細(xì)砂土；下臥層則主要為厚度在0m～5.6m 的泥質(zhì)亞砂土。持力層與下臥層的承載力分別為317kPa、190kPa。該涵洞的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及臺(tái)身結(jié)構(gòu)在施工過程中有裂縫形成，因此需要對其進(jìn)行加固處理。

2.2 某高填土涵洞工程裂縫概況

當(dāng)該涵洞的填土施工距離涵頂約5m 左右位置時(shí)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及臺(tái)身有裂縫形成。先是臺(tái)身前墻部分出現(xiàn)了橫向開裂情況，2 道裂縫的寬度在1mm～23mm。后來在基礎(chǔ)部分又出現(xiàn)了縱向裂縫，寬度達(dá)到了0.5mm～6mm。隨著填土增加，裂縫繼續(xù)發(fā)展，并在6 個(gè)月之后逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

造成該工程出現(xiàn)裂縫的原因有很多，經(jīng)綜合分析發(fā)現(xiàn)，該涵洞在施工中未對涵洞基礎(chǔ)進(jìn)行換填加固。同時(shí)，高填土涵洞工程不同部位裂縫的成因也各不相同，其中，涵洞基礎(chǔ)出現(xiàn)裂縫的主要原因是整體式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布不均勻，造成實(shí)際彎矩明顯大于設(shè)計(jì)彎矩，從而在跨中截面位置形成了裂縫。而涵洞臺(tái)身出現(xiàn)裂縫的主要原因則是受臺(tái)背填土因素影響而造成的開裂問題。此外，施工作業(yè)的擾動(dòng)以及操作不規(guī)范等因素也會(huì)導(dǎo)致裂縫形成。

3 公路高填土涵洞的加固設(shè)計(jì)

3.1 加固設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1.1 地基容許承載力的設(shè)計(jì)取值要點(diǎn)

在公路工程高填土涵洞的加固設(shè)計(jì)中，地基容許承載力會(huì)受到涵洞結(jié)構(gòu)容易變形值因素的影響，因此該參數(shù)并不是固定不變的[1]。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)高填土涵洞對變形的具體控制要求來合理確定地基容許承載力值。此外，在對軟弱基礎(chǔ)持力層進(jìn)行地基容許承載力取值時(shí)，要注意持力層性質(zhì)并不會(huì)影響承載力值，影響實(shí)際取值范圍的是下臥層的變形量以及強(qiáng)度。

3.1.2 高填土涵洞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式選擇

在選擇涵洞的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式時(shí)，雖然整體式基礎(chǔ)能夠使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力得到有效降低，不過該結(jié)構(gòu)形式仍會(huì)造成應(yīng)力分布不均勻，出現(xiàn)沉降不均勻情況。而輕型梁氏涵臺(tái)結(jié)構(gòu)由于其上部結(jié)構(gòu)、臺(tái)身以及支撐梁所行車的結(jié)構(gòu)體系具有較強(qiáng)的幾何可變性，所以，應(yīng)避免在軟弱地基上采用這種結(jié)構(gòu)形式[2]。

3.1.3 高填土涵洞基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

如果在公路工程的高填土涵洞中采用整體式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可以在設(shè)計(jì)中參考與其比較接近的埋深在5m 以上的地下室基礎(chǔ)的受力情況進(jìn)行加固設(shè)計(jì)[3]。特別要注意的是，在高填土涵洞中的臺(tái)背填土既會(huì)影響涵洞地基的壓應(yīng)力值，而且還會(huì)由于負(fù)摩阻力的形成而加大地基應(yīng)力變化幅度。在設(shè)計(jì)沉降縫時(shí)，如果涵洞基礎(chǔ)板臺(tái)身長度存在差異，則應(yīng)將其作為柔性墩臺(tái)來取值計(jì)算。同時(shí)，在高填土涵洞設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)填土的實(shí)際高度進(jìn)行預(yù)留拱度的設(shè)計(jì)。

3.2 加固設(shè)計(jì)方案的對比分析

3.2.1 采用箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌的加固設(shè)計(jì)方案

由于該涵洞工程的上游僅存在較小的匯水面積，所以，在進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)可以采用將箱型結(jié)構(gòu)設(shè)置在涵洞內(nèi)部的方式對其進(jìn)行加固處理。箱型結(jié)構(gòu)應(yīng)選擇鋼筋混凝土材料，其中，混凝土應(yīng)采用C30 強(qiáng)度等級的型號，并將受力鋼筋設(shè)置在四周，采用雙層配置方式。對于涵洞臺(tái)身開裂部分應(yīng)采用型號為φ22mm×10cm 的主筋以及型號為φ12mm×15cm 的分布筋；而對于其他部分則可以采用型號為φ12mm×15cm 的主筋以及型號為φ12mm×20cm 的分布筋。此外，箱型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)格長約3.2m，高度約為3.5m。

3.2.2 采用增加截面的加固設(shè)計(jì)方案

根據(jù)該涵洞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及臺(tái)身裂縫的特點(diǎn)，也可以采用與涵洞原結(jié)構(gòu)材質(zhì)相應(yīng)的鋼筋混凝土材料來進(jìn)行加固處理，即涵洞基礎(chǔ)應(yīng)采用型號為φ12mm×15cm 的主筋，以及型號為φ12mm×20cm 的分布筋，并將涵洞基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及臺(tái)身結(jié)構(gòu)分別增加約50cm 的厚度。此外，還應(yīng)鑿毛接觸面，以提高原結(jié)構(gòu)與加固部分的結(jié)合緊密度。

3.2.3 采用脫梁拔柱的加固設(shè)計(jì)方案

此外，還可以采用在上部結(jié)構(gòu)原狀的條件下對下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除的設(shè)計(jì)方法。該技術(shù)需要綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)加固、頂升上部結(jié)構(gòu)以及拆除下部結(jié)構(gòu)等多種技術(shù)方法，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇施工工藝以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，以保證涵洞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)方案中可以選擇間隔拆除及其他工藝方法，并明確標(biāo)注拆除長度、拆除范圍等參數(shù)。在設(shè)計(jì)立模壓注混凝土配比時(shí)，可以適量加入早強(qiáng)劑，并將小石子混凝土的強(qiáng)度等級控制在C30。此外，還應(yīng)根據(jù)加固位置的不同選擇相應(yīng)的主筋以及分布筋型號。

3.2.4 綜合分析不同加固設(shè)計(jì)方案

對以上3 種加固設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合性的對比分析發(fā)現(xiàn)，如果采用第2 或第3 種加固方案，則必須在公路工程高填土涵洞完成沉降變形后才能進(jìn)行加固處理，因此有可能導(dǎo)致裂縫問題更加嚴(yán)重，延誤工期[4]。而如果選擇第一種加固方案，由于其采用的是將剛構(gòu)支撐設(shè)置于涵洞內(nèi)部的加固方式，可以對涵洞原結(jié)構(gòu)系統(tǒng)加以改善，從而有效控制裂縫的發(fā)育，并減小涵洞結(jié)構(gòu)的變形以及內(nèi)力；該加固方式對原結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了充分的利用，使新老結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)共同受力的有機(jī)整體，可以有效滿足涵洞行車以及過水等使用功能的需要。

此外，雖然該加固方案的成本相對較高，但技術(shù)難度比較小，而且安全性以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性均比較高，是比較適合的加固設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語

在對工程的高填土涵洞進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解工程的施工要求以及工程施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件等因素，并綜合分析裂縫的成因。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用科學(xué)合理的加固措施來對高填土涵洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)，增強(qiáng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的承載能力，從而使公路涵洞的使用功能正常發(fā)揮。此外，在高填土涵洞的加固設(shè)計(jì)中還應(yīng)對不同加固方案進(jìn)行對比優(yōu)化，從而提高加固的效果，有效延長涵洞的使用壽命，為公路工程的安全暢通奠定良好的基礎(chǔ)。