趙麗穎

摘要：高填方涵洞是山區(qū)公路建設(shè)中經(jīng)常遇到的工程,特別是在高等級(jí)公路建設(shè)中,由于線型要求高,深挖高填更是不可避免。由于其受力復(fù)雜、工程量大、對(duì)地基承載力要求高,因此,降低涵頂填土高度,減少涵洞長(zhǎng)度,減小涵底坡度,降低基底承載力要求以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)計(jì)算,減少工程造價(jià),減小涵底沖刷,增加涵洞安全性,成為設(shè)計(jì)中著重考慮的問(wèn)題。本文結(jié)合近幾年對(duì)山區(qū)公路涵洞設(shè)計(jì)以及施工反饋的意見(jiàn),就高填方涵洞的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析與探討。

關(guān)鍵詞：涵洞；高填方；設(shè)計(jì)

根據(jù)高填方涵洞所處的地形地質(zhì)條件、受力特點(diǎn)和排水要求,山區(qū)公路高填方涵洞多采用蓋板涵和拱涵兩種結(jié)構(gòu)型式。與涵頂填土高度較低的涵洞相比,高填土條件下的涵洞具有填土高度大、土壓力大但不隨填土高度線性增加的特點(diǎn),很明顯,現(xiàn)有的涵洞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖已不能滿足這種高填土條件下的涵洞設(shè)計(jì)需要,而要使其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理,首先必須正確評(píng)價(jià)和計(jì)算高填土條件下的涵頂拱效應(yīng)及拱效應(yīng)對(duì)土壓力的影響,過(guò)高或過(guò)低地估計(jì)拱效應(yīng)對(duì)土壓力的影響將會(huì)使涵洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不安全或不經(jīng)濟(jì)。

1 高填方涵洞的特點(diǎn)

與低填方涵洞和其它填埋式涵管相比,公路高填方涵洞具有以下特點(diǎn):

高填方涵洞對(duì)地基沉降要求高。高填方涵洞一般為鋼筋混凝土拱涵或蓋板涵,基礎(chǔ)的不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致涵臺(tái)的開裂或拱圈的開裂與塌陷,同時(shí)涵洞的坍塌會(huì)引起路面的沉降破壞。因此,高填方涵洞對(duì)地基土容許承載力及均勻性要求較高,一般要求地基為基巖。

工程量大,造價(jià)高。由于填土高度大,高填方涵洞洞身較長(zhǎng),造價(jià)較高,如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理結(jié)構(gòu)尺寸偏大,則使高填方涵洞的造價(jià)劇增,造成浪費(fèi),例如阜朝高速一拱涵前墻頂寬達(dá)到4.8m,底寬達(dá)到6.67m,全涵工程造價(jià)達(dá)到270多萬(wàn);反之,結(jié)構(gòu)尺寸偏小,可能會(huì)使結(jié)構(gòu)承載力不能滿足荷載要求而導(dǎo)致涵洞的開裂坍塌,釀成質(zhì)量事故,并增加加固維修工程費(fèi)用。

承受的土壓力大。由于填土高度大,使其承受的土壓力隨填土高度的增加而增加,結(jié)構(gòu)尺寸也隨填土高度而增大。

加固維修難度大。高填方涵洞填土高度大,長(zhǎng)度大,通風(fēng)采光條件差,工作面狹窄,一旦產(chǎn)生破壞,加固維修較為困難,費(fèi)用也較高。

2土壓力計(jì)算

為使高填方涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理,首先必須解決土壓力的計(jì)算理論和方法。

對(duì)壓實(shí)填土重力的豎向和水平壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值按土柱法計(jì)算,公式如下:

qv=γh

qH=λγh

式中:γ--土的重力密度(kN/m3);

h--計(jì)算截面至路面頂?shù)母叨?m);

λ---側(cè)壓系數(shù), λ=tan2(45°-Φ/2)。

但高填方涵洞土壓力計(jì)算理論屬于深埋地下洞室的土壓力計(jì)算問(wèn)題,對(duì)于通常的填土較低的涵洞土壓力計(jì)算公式按上式計(jì)算是合理的,但填土高度達(dá)到一定高度后,涵洞頂上的土壓力并不隨高度h呈線性變化,涵頂和涵臺(tái)外土壓力都明顯低于用上式計(jì)算的理論土壓力。

當(dāng)填土達(dá)到一定高度后,在高填方涵洞上方將產(chǎn)生拱效應(yīng),使涵洞上的土壓力小于理論土壓力。此時(shí)若根據(jù)上式進(jìn)行高填方涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)于保守,其結(jié)構(gòu)尺寸較大,且高填方涵洞涵長(zhǎng)較長(zhǎng),從而引起工程造價(jià)較高。

考慮土拱效應(yīng)的計(jì)算理論主要有太沙基(K.Terzaqhi)地壓理論和普氏地壓理論。其中太沙基認(rèn)為地下洞室的壓力由地層的應(yīng)力傳遞所引起,填土達(dá)到一定高度時(shí),壓力將不再往下傳遞;而普氏認(rèn)為地下洞室的壓力由自然平衡拱內(nèi)松動(dòng)巖塊的重量引起,假設(shè)洞室上方有一個(gè)穩(wěn)定的土拱,結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載為土拱下不穩(wěn)定的土體重量。但由于高填方涵洞的特點(diǎn),利用以上兩種理論計(jì)算的土壓力與實(shí)際的土壓力均偏小,故利用其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不安全的。

非線性土壓力計(jì)算公式與不考慮拱效應(yīng)的土柱法相比,由于適當(dāng)考慮了拱效應(yīng)對(duì)土壓力的影響,在同等填土高度條件下,計(jì)算的土壓力較小,其設(shè)計(jì)的涵洞結(jié)構(gòu)尺寸也相對(duì)較經(jīng)濟(jì);與考慮具有穩(wěn)定拱效應(yīng)的普氏理論和太沙基理論計(jì)算的土壓力相比,由于它反映了高填方涵洞上方土拱效應(yīng)對(duì)土壓力的影響以及土拱效應(yīng)的不穩(wěn)定性,在填土加載過(guò)程中仍有部分土壓力傳遞到涵洞上,但土壓力并不成線性增加,用其計(jì)算的土壓力大于具有穩(wěn)定土拱的土壓力,但很明顯小于不考慮土拱效應(yīng)計(jì)算的土壓力,反映了高填方涵洞的實(shí)際受力情況,用其進(jìn)行高填方涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理,因此非線性土壓力理論是高填方涵洞合理的土壓力計(jì)算方法。

但應(yīng)用上述公式時(shí)應(yīng)保證涵頂填土達(dá)到路基施工要求的壓實(shí)度,且涵洞周圍應(yīng)為非軟土的穩(wěn)定地基。

3減荷措施

土力學(xué)理論本身的許多假定和參數(shù)選擇都帶有半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì),隨機(jī)性很大。不論如何精確的計(jì)算公式,都很難將所有實(shí)際因素考慮周全和準(zhǔn)確。所以,在工程設(shè)計(jì)中,一方面要根據(jù)涵洞受力和變形特點(diǎn),結(jié)合具體工況確定合理的土壓力計(jì)算公式,更為重要的是采取合理正確的工程措施,使結(jié)構(gòu)物處于有利的工作狀況。根據(jù)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和理論分析可以發(fā)現(xiàn),利用填土既是荷載又是介質(zhì)的特性,通過(guò)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。其核心是使+δ減小,直至形成-δ,充分利用"土拱效應(yīng)",使管道外側(cè)土柱與管道共同承擔(dān)管頂土柱重量。歸納起來(lái)主要有以下幾種方法:①充分利用溝谷地形。②在涵洞頂一定厚度范圍采用高壓縮性填充材料或"中松側(cè)實(shí)"填土法。③提高涵臺(tái)背后填土壓實(shí)度或采用低壓縮性材料。④采取合理的地基處理方法,如加固管道兩側(cè)地基或采用相對(duì)松軟的涵洞地基,使地基產(chǎn)生-δ差。值得注意的是,在涵洞地基設(shè)計(jì)時(shí),沿涵洞軸向地基的均勻性對(duì)結(jié)構(gòu)安全是十分重要的。

4施工中的特別要求

高填方涵洞施工除按一般施工技術(shù)規(guī)范的要求外，對(duì)于高填土下整體式基礎(chǔ)的涵洞，回填土?xí)r，要求在側(cè)墻外2倍基礎(chǔ)(整體式)寬的范圍內(nèi)，先清除基底表層草皮、浮土，然后再對(duì)稱、分層回填土并壓實(shí):在同一層回填時(shí)，先填涵臺(tái)兩邊，再回填涵頂以確?；A(chǔ)的整體穩(wěn)定性，涵臺(tái)旁邊2m范圍內(nèi)的填土宜選用透水性好的砂性土回填。

5結(jié)語(yǔ)

山區(qū)公路高填方涵洞由于數(shù)量較多,工程量較大,施工時(shí)有一定的難度。設(shè)計(jì)中應(yīng)首先考慮變高填土涵洞為低填土涵洞,改成常規(guī)涵洞設(shè)計(jì),既能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、方便施工,也可以大大降低工程造價(jià)。高填土涵洞荷載很大,對(duì)基礎(chǔ)要求較高,因此應(yīng)設(shè)法減小涵頂荷載,并加強(qiáng)地基處理,保證涵洞的穩(wěn)定性,使構(gòu)造物耐久、安全。

在交通工程設(shè)計(jì)中,涵洞的設(shè)計(jì)和橋梁及其它建筑物的設(shè)計(jì)比較相對(duì)簡(jiǎn)單一些,在很多時(shí)候一些設(shè)計(jì)人員就會(huì)因?yàn)楹唇Y(jié)構(gòu)尺寸小而忽略了附近路線工程對(duì)它的影響。在實(shí)際施工中,涵洞施工一般在路基施工以前進(jìn)行,如果涵洞長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不夠,路基填方施工后將填埋涵洞出入口,造成廢棄工程、增加變更及延誤工期等不良后果,在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況考慮增加一些防護(hù)工程來(lái)避免附近路線工程對(duì)涵洞的影響。

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