陳 鋒，蔡德鉤，韓自力，張千里

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.中國鐵道科學研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081;3.中國鐵道科學研究院 金屬化學研究所，北京 100081)

線路路堤與橫向結(jié)構(gòu)物的交叉處，因剛度的不同，在荷載作用下，壓力呈不均勻性分布，壓力分布不均對結(jié)構(gòu)物變形和結(jié)構(gòu)物間的不均勻沉降都有直接影響。在上埋式剛性涵洞過渡段填筑過程中，涵洞豎向壓力一般要大于填土本身的荷載。新建上埋式剛性涵洞的豎向土壓力計算中，目前存在多種方法［1-2］。《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》中使用土柱法計算該荷載，一般認為是偏小的。馬斯頓的“等沉陷”理論是比較常用的計算方法，假設(shè)在荷載作用下的涵洞和過渡段產(chǎn)生沉降差，在達到極限平衡時，散體材料在涵洞頂形成應(yīng)力集中，并在涵洞上方一定高度形成等沉面，等沉面以上填土產(chǎn)生的涵頂壓力等于此部分土柱重量?！惰F路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》［3］采用馬斯頓理論結(jié)合經(jīng)驗的方法，給出了不同情況下涵洞頂豎向土壓力系數(shù)。本文主要通過現(xiàn)場試驗針對涵頂壓力進行分析。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 試驗工況

試驗點主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。涵洞兩側(cè)設(shè)置倒梯形路涵過渡段，過渡段填筑加5%水泥的級配碎石，地基采用CFG樁處理，樁頂鋪設(shè)0.6 m厚墊層。

1.2 傳感器布置

在線路左側(cè)中心線，涵洞頂面及其相對應(yīng)高程的過渡段路基內(nèi)布置靜態(tài)土壓力盒，如圖1所示，測量不同測點靜態(tài)土壓力的變化情況。

表1 試驗工點主要結(jié)構(gòu)參數(shù) m

圖1 路涵過渡段靜態(tài)應(yīng)力測點布置示意

2 路基填筑試驗及結(jié)果分析

1#和2#涵洞的填土壓力(γH)與各測點實測涵洞豎向壓力關(guān)系如圖2、圖3所示。1#涵頂壓力實測的最大值為130 kPa，2#涵頂?shù)淖畲髴?yīng)力為95 kPa，設(shè)計時按照規(guī)范計算的路堤填方涵頂?shù)呢Q向壓力應(yīng)取163 kPa和138 kPa。按照規(guī)范根據(jù)填土高度、重度及規(guī)范的K值，進行填方作用下涵洞豎向壓力的設(shè)計是偏于安全的。

圖2 1#涵洞處 1、2、3、4 測點壓力

圖3 2#涵洞處 1、2、3、4 測點壓力

從上述兩個涵洞豎向壓力測試結(jié)果看，涵洞頂部的3、4號測點的壓力大于過渡段內(nèi)1、2號測點的壓力，涵洞頂部實測的壓力大于填土荷載，過渡段路基豎向壓力小于填土荷載?！惰F路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》規(guī)定填土作用于涵洞頂?shù)呢Q向壓力與填土高度(H)和涵洞寬度(D)確定一個無量綱值(K)、然后根據(jù)填土高度(H)及其重度(γ)確定，等于 K與土柱壓力(γH)的乘積。

從實測的涵洞豎向壓力和填土壓力之比計算得到的K值和H/D的關(guān)系圖見圖4、圖5。在填筑過程中，隨著填土高度的變化，即H/D的變化，K值有一個增大到減小的過程。規(guī)范中K的取值是根據(jù)涵洞的最終填土高度來確定，不考慮施工過程中填土高度的變化，即每個涵洞，填土作用產(chǎn)生的豎向壓力只考慮填土高度和涵洞寬度，來確定K值，從而確定設(shè)計的荷載。

1#涵洞填土高度、涵洞寬度、涵洞豎向壓力與填土壓力之比的關(guān)系如圖4所示。因傳感器是在涵洞頂路基碾壓完一層后，再挖至涵洞頂埋設(shè)，這種邊界的影響可能導(dǎo)致3號和4號測點K的初始值并不為1。對實測的K—H/D曲線用二次多項式擬合，H/D在0～1.5的范圍內(nèi)，H/D在1左右時，4號測點的 K值達到最大，為1.4左右，此后K值隨填土高度的增加而減小，填土完成后的K值為1.25左右，此時的設(shè)計和實測的豎向土壓力系數(shù)之比為1.16。3號測點的K值雖然在數(shù)值上要小于4號測點，但變化趨勢相同，也是H/D在1左右時達到最大。

圖4 1#涵洞K—H/D的關(guān)系

圖5 2#涵洞K—H/D的關(guān)系

2#涵洞填土高度、涵洞寬度、涵洞豎向壓力與填土壓力之比的關(guān)系如圖5所示。其變化規(guī)律基本與1#涵洞基本相同，不同之處在于此斷面的K在H/D處于0.8～1.5范圍內(nèi)取得最大值。填土完成后的設(shè)計和實測的豎向土壓力系數(shù)之比為1.18。

從本次試驗兩個工點的實測結(jié)果來看，當H/D處于0.8～1.5的范圍內(nèi)K取最大值，與規(guī)范是不同的，但其值與規(guī)范的1.5取值相近。

在填土初期，涵洞剛度較過渡段填土剛度大，在路基填土過程中，過渡段填土沉降和壓縮變形相對涵洞較大，這種相對運動使過渡段土體的荷載通過土體的抗剪強度將一部分土壓力傳遞到涵洞頂土體，導(dǎo)致涵洞豎向壓力顯著增大，形成土拱效應(yīng)。在涵洞與過渡段路基存在一定差異沉降時，土拱效應(yīng)隨著涵頂填土高度的增加逐漸增強，當涵洞填土高度超過一定值后，土拱效應(yīng)趨于穩(wěn)定。

從涵洞底部和過渡段地基面處的壓力看，根據(jù)在涵洞頂實測的壓力、涵洞的自重、過渡段填土高度和重度，計算出涵洞底部的應(yīng)力和過渡段底部的應(yīng)力，兩者基本相當，因此在控制過渡段工后沉降、沉降差及結(jié)構(gòu)物交界處折角不超過標準的情況下，必須保證結(jié)構(gòu)物交界處的碾壓質(zhì)量，減小差異沉降，避免產(chǎn)生過大的涵洞豎向壓力。一般涵洞和過渡段的地基處理方式基本相同，但寬大涵洞的底板會使地基處理的作用方式發(fā)生改變，使涵洞底與過渡段底部地基的受力與變形發(fā)生變化，這也是在設(shè)計中應(yīng)該綜合考慮的因素。

3 小結(jié)

1)由于涵洞與過渡段路基存在剛度和沉降差異，導(dǎo)致涵頂出現(xiàn)土壓力集中，形成土拱效應(yīng)。在涵洞頂路基加載過程中，涵洞豎向壓力大于填土荷載和過渡段路基范圍內(nèi)壓力，距離涵洞較近處過渡段內(nèi)的壓力小于填土荷載。

2)按照規(guī)范的K值進行路堤填土荷載設(shè)計，是偏于安全的，填土完成后的設(shè)計K值與實測K值之比分別為1.16和1.18。

3)實測結(jié)果表明涵洞填土施工中K值隨著填土高度的增加，存在先增大后減小的過程。當 H/D在0.8～1.5附近時，填土加載過程中的K值達到最大，約為1.5，此后 K值逐漸減小至 1.2左右，并趨于穩(wěn)定。

［1］劉靜.高填路堤涵洞土壓力理論及減荷技術(shù)研究［D］.西安:長安大學，2004.

［2］陳保國.山區(qū)高速公路路涵—土作用機理及路基處理研究［D］.武漢:華中科技大學，2008.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB10002.1-2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］劉曉曦.沖擊壓實對路堤下涵洞受力影響的試驗研究［J］.鐵道建筑，2006(12):21-23.