高填方路基工程中拱涵結構受力研究

廖若超

（梅州市市政建設集團有限公司，廣東 梅州 514021）

0 引言

涵洞是路基中常見的一種結構物，一般用于過人、過水或者連接道路兩旁交通[1]。根據不同的用處，涵洞被分為不同的形式，最常見的是蓋板涵，施工方便，結構簡單，多用于過人；其次是箱涵，當跨徑較小時，采用現澆箱涵最為經濟，當箱涵要從已有道路或鐵路下方穿越時，多采取箱涵頂進的技術；最后是圓管涵和拱涵，二者多用于山區路基排水。拱涵的好處在于沒有頂板與側墻的直角轉角，應力集中不明顯[2]。

涵洞作為路基的一部分，常常會因為涵頂上部填土過高而開裂[3]。因此針對高填方路基涵洞有越來越多的專家學者研究其減載措施，比如鋪設EPS 板或柔性材料，增加涵頂沉降來降低涵頂內外土柱沉降差，從而降低涵頂上部土壓力[4]。以汕汾高速公路潮州互通立交至徑南工業園連接線道路新建工程K4+138 的高填方拱涵為例，研究高填方拱涵的結構特性，并介紹拱涵上部填土的施工要點。

1 涵洞病害

涵洞一直以來都有“十涵九裂”的說法，最常見的病害是開裂，表1總結了常見的涵洞病害。

表1 涵洞常見病害

2 工程概況

以汕汾高速公路潮州互通立交至徑南工業園連接線道路新建工程K4+138 高填方鋼筋混凝土拱涵為例，設計資料如下：

第一，該道路中所設置的拱涵為過水涵洞，根據工程地質資料，將拱涵設計為無壓力式拱涵，洞口為八字翼墻；涵洞上部填土22～23m，屬于高填方涵洞。圖1為拱涵設計立面圖。

圖1 高填方拱涵設計立面圖

第二，拱涵位于一側山谷一側平原的地形中，因此在設計時按照偏心構件配筋，并根據規范要求驗算拱涵在正常使用和極限狀態下的承載力、裂縫要求、最小配筋率等。

第三，涵身荷載包括涵頂恒載和車輛荷載。涵頂恒載以涵頂填土的自重應力為主，填土統一按照新填土計算自重。計算涵洞豎向壓力時，在填土自重的基礎上乘以土壓力系數。若僅以填土自重作為豎向土壓力，在使用過程中，涵頂的實際荷載要超過土的自重，是因為填土與涵洞之間存在相互作用力。在計算水平土壓力時，也要乘以橫向土壓力系數。土的自重γ=19kN/m3，內摩擦角ψ=35o，道路上的汽車荷載，以車輪為基點，按照30o角向下擴散。對于低填方涵洞，車輛荷載對涵洞的結構受力有顯著的影響，而對于高填方涵洞，涵洞上部填土荷載已經足夠大，加之車輛荷載擴散到拱頂非常小。因此，在計算高填方拱涵的涵周壓力時，只考慮豎向土壓力、水平土壓力，不考慮汽車荷載對拱涵結構的影響。

第四，采用“m”法計算彈性地基作用效應，該工程設計取m=80000kN/m4。

3 拱涵的承載特性

3.1 拱涵的沉降分布曲線

如圖2所示，根據填土的相對位置可將拱涵上方填土可分為內土柱和外土柱，在拱涵跨度范圍內的涵頂上方填土稱為內土柱，拱涵跨度范圍以外的其他填土稱為外土柱。拱涵內土柱與外土柱的差值即為沉降差。沉降不均勻也會導致拱涵出現病害。拱涵是鋼筋混凝土材料，剛度較大，屬于地基的一部分，因此地基產生沉降時，拱涵上部土體的沉降較小，而拱涵以外的土體剛度比拱涵小，因此沉降會大于拱涵頂部的土體沉降。

這種地基剛度的不均勻，會使涵頂土體沉降速率慢，涵周土體沉降快，內土柱與外土柱之間存在摩阻力，外土柱對內土柱產生向下的摩阻力，相當于增加了涵頂土壓力。因此，涵洞上方經常會出現裂縫的原因是：在設計計算時，涵頂荷載包括涵頂土體自重和汽車荷載，沒有考慮土體與涵洞之間的相互作用，導致涵洞實際承受的荷載大于設計值。

目前，越來越多的專家和學者意識到此問題，在計算荷載時要考慮土體與涵洞之間的相互作用，因此，在新版《公路高填方涵洞設計規范》（JTG/ T 3365-02—2020)）中規定了涵頂填土自重的計算方式。但涵洞與土體之間的相互作用非常復雜，不同性質的土體與涵洞之間的相互作用也差別較大。因此，在進行計算時要充分考慮不同地區的地質情況，可以先進行建模模擬。

圖2中，等沉面代表了當內外土柱差到達一定高度后，就不再存在，內外土柱沉降將一致，到路基頂面不再出現不均勻沉降?？梢钥闯?，當涵頂填土足夠高時，等沉面一定會出現，所以在設計高填方涵洞時，可以忽略不均勻沉降對路基帶來的影響。

圖2 拱涵內外土柱和等沉面示意圖

3.2 拱涵涵周土壓力

拱涵不同于其他涵型，蓋板涵上部為平板，邊角處易產生應力集中，導致開裂或其他病害。而拱涵的拱結構可以緩解此問題，不會存在邊角應力集中。圖3為拱涵的涵周土壓力包絡圖，包括涵頂土壓力、涵側土壓力、涵底土壓力。從圖中可以看出，涵頂土壓力呈“倒v 型”，拱頂處土壓力最大，越往外土壓力越小。為了更好地解釋這一現象，我國著名的學者顧安全教授提出了“顧安全公式”，將涵洞看作倒置的地基。如此一來，與剛性地基的受力情況一致，如圖4所示。

圖3 高填方拱涵涵周土壓力分布示意圖

圖4 基底土壓力分布

涵洞涵側土壓力并非呈線性分布，在側墻的上端和下端，由于涵洞頂板和底板有支撐作用，剛度大于側墻中間部分，在水平土壓力的作用下，側墻中間出現撓曲變形，水平土壓力出現卸拱效應，從而導致中間水平土壓力最小，這是因為：第一，涵洞基礎和底板的厚度大于涵頂，底板的剛度大于涵頂，底板在水平土壓力作用下的壓縮變形量小于頂板，導致最小水平土壓力上移；第二，受土層自重的影響，水平土壓力隨土層深度逐漸遞增，但拱涵的側墻厚度隨著深度的增大逐漸變厚，產生的變形越小，因此對應的水平土壓力也越小。涵底土壓力呈“中間小，兩邊大”的形態，拱涵基礎兩端剛度大，出現了應力集中。

4 高填方拱涵施工要點

拱涵的剛度遠大于地基土，在施工時要注意填土的壓實以及拱涵的施工位置。以下是拱涵的施工要點：

第一，拱涵在下放時要檢查下方位置與進口的標高及角度，若與實際的溝渠標高差異過大，則需要重新標注。

第二，拱涵上方要設置上拱度，上拱度的設置分兩種情況：高填方、跨徑大且長的拱涵需要計算上拱度；除此以外的拱涵不需要計算，按照拱涵所處的位置選擇合適的上拱度即可。上拱度的設置規則如表2所示，表中H 為路線中心線處自涵洞流水槽至路面頂面的高度，單位為mm。

表2 上拱度的設置規定

第三，拱涵的制作方式分為預制和現澆，一般拱圈是預制，底板為現澆?，F澆底板可以讓基礎與拱涵更好地連接。當采取現澆的方式對拱涵進行制作時，要注意混凝土的澆筑流程，將基礎與涵臺身一起澆筑，保證拱涵的整體性。另外，澆筑拱涵所用的混凝土達到地基承載力容許值后才能拆除模板，開展下一步施工。這是因為拱涵屬于地基的一部分，為隱蔽工程，一旦強度沒有達到地基承載力容許值，上部路基的強度就會受到影響。

第四，涵洞的縱向長度一般大于路面寬度，尤其是高填方拱涵，會在路基兩側放坡，增加拱涵的長度。路基不均勻沉降是高填方路基的常見病害，而拱涵作為剛性基礎，出現不均勻沉降會導致拱涵開裂。因此在實際工程中，每隔4～6m 會設置沉降縫，沉降縫貫穿整個路基縱斷面，沉降縫的寬度大約2cm。沉降縫的設置有兩個好處：一是防止不均勻沉降，損壞拱涵結構；二是方便施工，涵身過長既不方便運輸，也不便于澆筑。但根據地基情況的不同，也可以不設沉降縫，表3為沉降縫的設置規定。

表3 沉降縫的設置規定

沉降縫的施工也尤其重要。為了避免有填料和水進入拱涵內，表4中描述了不同位置的沉降縫防水措施。

表4 拱涵不同位置的防水措施

第五，八字翼墻與涵身間的沉降縫可于澆筑翼墻混凝土時，在涵身端面敷設數層瀝青和油氈而形成（厚度1～2cm）。

第六，涵洞施工完成后，混凝土強度達到設計強度的85%時，方可進行涵洞涵身兩側的回填。涵身兩側的墻背填土要求嚴格夯實，以防止涵洞與路基之間的路面因填土沉陷而影響行車。洞身兩側填土應嚴格對稱均衡，水平分層夯實，其每側長度不應小于洞身兩側填土高度的一倍，壓實度不小于96%。涵洞兩側緊靠涵臺部分的回填土不宜采用大型機械進行壓實施工，宜采用人工配合小型機械的方法。拱涵上部土體壓實也需要符合相關規定，圖5為填土壓實范圍及相應部位需要的機具[5]。

圖5 拱涵填土壓實范圍

第七，高速公路、一級公路、二級公路路堤與涵洞連接處應設置過渡段，其長度宜按2～3 倍路基填土高度確定；路基壓實度不應小于96%。

5 結論

以汕汾高速公路潮州互通立交至徑南工業園連接線道路新建工程K4+138 的高填方拱涵為例，探討了拱涵在設計和施工時的要點，并分析了高填方拱涵的受力特點，得出以下結論：

第一，計算高填方拱涵的涵周壓力時，只考慮豎向土壓力、水平土壓力，不考慮汽車荷載對拱涵結構的影響。

第二，拱涵剛度較大，屬于地基的一部分，因此地基產生沉降時，拱涵上部土體的沉降較小。而拱涵以外的土體剛度比拱涵小，因此沉降會大于拱涵頂部的土體沉降。

第三，涵頂土壓力，拱頂處土壓力最大，越往外，土壓力越??；涵底土壓力則呈現出“中間小，兩邊大”的形態。

涵洞最主要的病害就是開裂。高填方涵洞雖然不考慮汽車荷載的影響，但上覆填土自重卻非常大，因此，對于高填方涵洞，關鍵的問題就是解決上部荷載過大。在考慮總體工程造價合理的情況下，有的路基涵洞四周土方回填可以采用輕質土回填，起到減少一部分自重的作用；還有的路基可以采取涵頂減荷措施。隨著我國對科研的支持，相信“十涵九裂”的問題將很快被攻克。