基于有限元分析的某高速公路涵洞回填適宜性評價

陳小麗

（重慶市勘測院，重慶市 400020）

0 引言

隨著我國經濟的發展，基礎設施建設越來越多，高速公路網密度不斷加大，在既有高速公路工程進行改擴建活動也愈發常見[1]。由于新建工程跨越現狀構筑物，有可能存在對其造成一定的安全隱患，因此對改擴建工程對既有建構造物的影響進行安全性評估是有必要的[2]。但目前，我國相關法律法規及國標中并未對此項涉路工程周邊既有構筑物如何評估進行相關規定，缺乏涉路安全評估研究的標準，對于項目的涉路行為可行與否并無明確規定，無法判斷其可行性，對決策者不能提供明確的參考意見。本文以某高速公路改擴建工程跨越現狀廢棄涵洞工程為依托，提出對應的加固措施，并采用有限元分析方法對該工程的相互影響及安全性進行評估。

1 工程概況

某高速公路為雙向四車道高速公路，設計車速80 km/h，已建成通車多年。本次改擴建工程是新增快速路與該高速公路的相交節點，該節點為部分互通立交，新設置兩條接線匝道。匝道A 線道路全長1 051 m，單向兩車道，標準路幅寬度10.5 m，車行道寬9 m，兩側各0.75 m設施帶，最小圓曲線半徑100 m，最小緩和曲線長50 m。主線設置單車道減速車道，長200 m，漸變段長60 m。匝道B 線道路全長723.865 m單向兩車道，標準路幅寬度10.5 m，車行道寬9 m，兩側各0.75 m設施帶，最小圓曲線半徑110 m，最小緩和曲線長50 m。主線設置單車道加速車道，長200 m，漸變段長60 m。

防止匝道B 線建成后形成的凹凼積水對邊坡及路基的影響，本次考慮在該范圍內凹凼進行填平。在匝道B 線K0+340（A 線K0+675）處存在既有高速一廢棄的過水涵洞，涵洞頂距離高速路面高度約10.0 m，為防止匝道建成后凹凼積水對邊坡及路基的影響，考慮在該范圍內將涵洞進行回填處理。總體平面布置見圖1，涵洞立面見圖2。

圖1 總體平面布置圖

圖2 涵洞立面布置圖（單位：m）

2 加固措施

對高速公路下現狀已廢棄涵洞進行回填加強處理，設計擬采用C20 素混凝土對其內部進行填充，將其封閉[3]，見圖3。由于涵洞滿填混凝土，附加荷載較大，回填后對涵洞基底會產生一定的影響；同時，回填后可能引起涵洞整體沉降，進而導致運營中的高速公路路面產生沉降。本文采用有限元計算分析涵洞滿填混凝土后對涵洞基地穩定性以及既有高速公路行車安全的影響，評估涵洞回填后地基承載力是否滿足要求及高速公路路面沉降是否會影響高速公路的行車。

圖3 涵洞加固示意圖（單位：m）

3 數值計算

FLAC 3D 程序在數學上采用的是快速拉格朗日方法，基于顯式差分來獲得模型全部運動方程和本構方程的步長解，其本構方程由基本應力應變定義及虎克定律導出，運動平衡方程則直接應用了柯西運動方程。本涵洞呈狹長的拱形，長寬比不小于5，因此可采用平面應變進行數值模擬，模型寬度取為1.0 m；模型長度以涵洞軸線為基準，左右各取20 m；結合本工程地質情況，模型高度取至巖土分界線以下20 m，總高度為48 m。模型長寬高為40 m×1.0 m×48 m，有限元計算模型見圖4。模型共有8 096 個單元，10 415 個節點。邊界條件為下部固定約束，y 向固定，左右兩側法向約束，上部為自由邊界，本構模型采用工程中常用的摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）模型，模型圖中“chenqi”代表拱涵襯砌；“weiyan1”代表回填土層；“weiyan2”代表中風化砂質泥巖。

圖4 有限元計算模型

本次有限元計算材料相關參數取值主要來源于工程勘察報告，見表1。

表1 計算材料相關參數

根據本工程涵洞從修建頂部回填后開始，至混凝土回填封閉結束，主要分三個工況進行計算，見表2。

表2 計算工況表

工況1 下豎向位計算結果表明：由于拱涵修筑完成，拱涵頂部土體回填，在一段時間內，土體在自重作用下發生自然沉降，地表路面最大沉降值約18.97 cm。根據《城市道路檢測技術規程》（DB50/T 395—2011），路基沉降城市主干路沉降累計值不大于20 mm，拱涵修建后滿足相關規范要求。

將工況1 計算結果的位移、位移速率清零，在初始應力平衡下進一步計算，計算涵洞在正常使用狀態（充滿水）下的應力及位移。計算結果表明：由于水體的作用，涵洞進一步發生沉降，但是沉降值遠小于工況1，最大沉降約9 mm，地表路面最大沉降約5 mm。

考慮涵洞使用年代較為久遠，沉降趨于穩定，因此將工況2 計算結果的位移、位移速率再次清零，在增加內部荷載（混凝土回填封閉）下進一步計算。計算結果見圖5。計算結果表明：地表最大豎向位移7.65 mm；涵洞底部豎向位移為16.45 mm，表明地表路面的最大沉降值比涵洞底部沉降值小8.8 mm，與理論分析的地表最大沉降會遠小于涵洞底部沉降結論一致。

圖5 工況3 豎向位移云圖

4 涵洞基底壓力標準值計算

涵洞襯砌和回填混凝土襯砌重度均按25 kN/m3計算，且不考慮原涵洞充填水的荷載（偏于保守），涵洞外輪廓斷面面積約12.5 m2，取涵洞延米計算，則涵洞基底壓力為：200+1.69+（25×12.5×1.0）/3.5/1.0=290.98 kPa，小于基底地基承載力容許值400 kPa（來源于地勘報告），滿足要求。

5 結論與建議

經過數值計算與分析，可以得出如下結論：

（1）涵洞采取C20 混凝土（或容重更小的輕質混凝土）回填封閉是可行的[4]，對高速公路工程影響有限：封閉回填后涵洞基底壓力為298.98 kP，小于基底地基承載力容許值400 kPa，滿足要求；回填后，涵洞底部沉降約16.45 mm，地表路面沉降約7.65 mm，滿足相關要求。且路面沉降不是突變的，在一定范圍內是漸變的，因此在可接受范圍之內，對行車安全影響較小。此外，回填施工風險較小，均在可控范圍之內。

（2）為防止匝道B 線建成后凹凼積水對邊坡及路基的影響，需將凹凼進行填平，建議先采用C20 素混凝土封閉回填，回填高度0.5 m，防止積水浸泡基底，混凝土以上再采用土石回填并壓實，壓實系數不低于93%，表面采用30 cm 厚C20 素混凝土封閉，回填施工時，應分層進行。此外，施工需滿足相關規范規程，防止安全事故的發生。