董佳竹， 鄭俊杰， 汪海博

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

由于超高填方涵洞上覆很厚的路堤填土，其地基承受的壓力較大，而很多超高填方涵洞均建筑在承載力較低的軟弱地基上，容易引起涵洞沉降過(guò)大及不均勻沉降等問(wèn)題。因此山區(qū)高等級(jí)公路中許多高填方涵洞均已開裂甚至垮塌，嚴(yán)重影響公路的正常使用。目前涵洞建設(shè)面臨著如何對(duì)超高填方涵洞地基進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效地處理的難題。

為了解決上述超高填方涵洞修筑過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，本文以惠興高速公路K39+480處超高填方涵洞項(xiàng)目為依托，運(yùn)用數(shù)值模擬分析了井字形地連墻法對(duì)地基沉降及涵洞土壓力影響規(guī)律，為理論研究及涵洞施工提供參考。

1 工程概況

惠興高速公路樁號(hào)為K39+480的超高填方拱涵涵長(zhǎng)133.3 m，路基中心線填土高度為28.72 m，最大填土高28.94 m。該涵洞地基土為軟弱地基土，承載力較低，且厚度變化較大。設(shè)計(jì)地基允許承載力不小于700 kPa，而開挖標(biāo)高至1125.378 m時(shí)，承載力最大為116 kPa，最小承載力為92 kPa，平均承載力為104 kPa。

擬用井字形地連墻法對(duì)超高填方涵洞進(jìn)行地基處理。該方法既能提高地基承載力又避免了因?yàn)榛A(chǔ)剛度過(guò)大造成涵頂土壓力過(guò)分集中，施工方便，造價(jià)低。具體處理方式如圖1所示。換填槽寬度為1.0 m，換填槽軸線間距為5.0 m，沿涵洞縱向地基處理范圍取兩端各超出基礎(chǔ)邊緣2.5 m，沿涵洞橫斷面方向處理范圍為換填槽軸線向外各5.0 m。

圖1 井字形地連墻法地基處理示意

增強(qiáng)體的設(shè)置方法為先采用挖掘機(jī)成槽，成槽深度至揭穿粉質(zhì)黏土層，成槽后采用水泥、碎石與土的拌合材料進(jìn)行回填壓實(shí)，拌合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于3 MPa。涵洞基底采用加有2層三向土工格柵的碎石墊層處理。地基土開挖至涵洞基底標(biāo)高以下80 cm，鋪設(shè)下層格柵，然后填筑50 cm厚碎石并壓實(shí)，再鋪設(shè)上層格柵。最后在其上填筑30 cm碎石并壓實(shí)至基底標(biāo)高。

2 涵洞計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算幾何模型

該試驗(yàn)段涵洞洞口凈尺寸2 m×2 m，拱圈半徑為1 m，厚度0.7 m。根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，中心線混凝土基礎(chǔ)底標(biāo)高為1129.161 m，基巖標(biāo)高為1114.623 m，因此取模型地基土計(jì)算深度為15 m，其中上臥層為12 m，上部黏土層為3 m。填土高度根據(jù)該標(biāo)段可達(dá)最高填土厚度近似取30 m，由于填土高度較高，忽略車輛荷載的作用，涵洞只承受上部填土荷載。換填槽深度取3 m。

由于該涵洞上覆填土高度大，土壓力大，現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)對(duì)拱圈與涵臺(tái)作加筋減載處理。為與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)比計(jì)算模型中也采用相同處理方法。在涵洞上方設(shè)置減載孔，減載孔高度取3 m，寬度與涵洞寬度相等，上方鋪設(shè)8層土工格柵，最底層格柵位于減載孔頂面，其余每隔0.5 m鋪設(shè)一層。

根據(jù)拱涵的實(shí)際尺寸建立了三維有限差分模型。井字形地連墻換填槽寬度為1.0 m，換填槽軸線間距為5.0 m，換填槽深度為3.0。在數(shù)值模擬時(shí)，首先模擬地應(yīng)力平衡過(guò)程，然后模擬了涵洞的修筑和路堤的分層填筑過(guò)程，并對(duì)涵洞沉降和涵頂土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。模型中近似認(rèn)為結(jié)構(gòu)斷面對(duì)稱，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，選取一半模型進(jìn)行計(jì)算，邊界取約10倍結(jié)構(gòu)尺寸，具體模型如圖2所示。

圖2 K39+480涵洞數(shù)值模擬

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

地基土及填土采用Mohr-Coulomb模型，涵身混凝土材料采用線彈性模型，涵洞及地基土、填土等具體參數(shù)見表1。同時(shí)考慮涵洞與周圍土體就間的相互作用，在不同材料接觸部位設(shè)置接觸面單元，涵洞與填土之間以及地連墻與填土之間均采用彈塑性接觸面，并假設(shè)接觸面法向剛度與切向剛度相等，接觸面參數(shù)見表2。格柵選用格柵單元進(jìn)行模擬，筋-土間的相互作用通過(guò)設(shè)置格柵單元的耦合彈簧參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

表2 接觸面參數(shù)選取 Pa/m

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 涵洞沉降分析

圖3表示通過(guò)數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的涵洞沉降量隨填土高度的變化規(guī)律。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)沉降數(shù)據(jù)從涵洞上方填土高度達(dá)15.8 m時(shí)開始測(cè)試，因此對(duì)比數(shù)值計(jì)算時(shí)做相應(yīng)調(diào)整?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和數(shù)值計(jì)算較為接近。

圖3 涵洞基底沉降隨填土高度變化曲線

地基處理前后沿橫斷面方向基底平面沉降規(guī)律如圖4所示。從圖中可以看出，對(duì)涵洞未作任何處理時(shí)，地基土沿橫斷面方向認(rèn)為是均質(zhì)的，由于涵洞剛度大于兩側(cè)填土，內(nèi)外土柱間的相對(duì)位移使涵洞上方存在土壓力集中現(xiàn)象，因此涵洞基礎(chǔ)沉降量大于涵洞兩側(cè)同一平面處地基土沉降量，且在基礎(chǔ)邊緣處沉降發(fā)生突變。加筋減載措施的采用使涵洞沿橫斷面方向沉降量基本一致。采用井字形地連墻法進(jìn)行地基處理后，涵洞基礎(chǔ)的沉降明顯減小，而涵洞兩側(cè)同一平面處地基土的沉降量沿X方向逐漸增加，在遠(yuǎn)離涵洞處與未處理前接近，涵洞寬度范圍以外的沉降變化較為平緩。當(dāng)?shù)鼗幚砗图咏顪p載聯(lián)合應(yīng)用時(shí)涵洞沉降達(dá)到最小，僅為未做任何處理時(shí)的70%左右。

圖4 涵洞基底平面沉降曲線

圖5表示地基處理前后各土層的壓縮量比較。從圖中可知，采用井字形地連墻法可減小約30%的涵洞基底的沉降。同時(shí)，井字形地連墻法地基處理效果主要表現(xiàn)在軟弱土層，由于涵洞地基剛度變化引起涵頂土壓力的增加，下臥層土體的壓縮量較處理前略有增加。

圖5 地基土壓縮量比較

3.2 土壓力分布規(guī)律

為了分析地基處理措施對(duì)土壓力的影響，分別模擬采用井字形地連墻法前后涵洞上方土壓力的變化規(guī)律，如圖6所示。從圖中可以看出，采用井字形地連墻法進(jìn)行地基處理，增加了涵洞下方地基土的剛度(使得涵頂土壓力大于未進(jìn)行地基處理時(shí))。而采取加筋減載措施的應(yīng)用，使得涵頂土壓力均小于按土柱法計(jì)算的線性理論值。數(shù)值計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果接近，涵頂土壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與土柱法計(jì)算結(jié)果的比值均在85%～95%之間。因此井字形地連墻法會(huì)在一定程度上增大涵頂土壓力，但對(duì)涵洞整體工作性能影響較小。

圖6 涵洞上方土壓力曲線

4 影響因素分析

4.1 換填槽深度

模擬井字形地連墻法換填槽深度的不同對(duì)地基沉降及涵頂土壓力的影響，具體結(jié)果如圖7和圖8所示。換填槽深度對(duì)涵洞基底沉降有很大的影響，基底沉降隨槽深的增加而顯著減小，但當(dāng)換填槽深度超過(guò)3 m后，槽深的進(jìn)一步增加對(duì)減小基底沉降貢獻(xiàn)不大。涵頂土壓力變化曲線與沉降曲線具有良好的相關(guān)性，隨著換填槽深度的增加涵頂土壓力有所提高。不過(guò)相比槽深對(duì)基底沉降的顯著影響，不同換填槽深度時(shí)涵頂土壓力的變化范圍僅為8%左右。因此，建議在軟弱土層較薄的情況下，換填槽可挖至軟弱土層底面。

圖7 涵洞基底沉降隨槽深變化曲線

圖8 涵頂土壓力隨槽深變化曲線

4.2 換填槽寬度

保持換填槽深度等于軟弱土層厚度，改變換填槽的寬度，研究槽寬對(duì)涵洞沉降和土壓力的影響。從圖9和圖10可以看出，槽寬對(duì)基底沉降影響很大?；壮两惦S槽寬的增加而減小，不過(guò)沉降減小的速率逐漸下降。槽寬增加的同時(shí)，涵頂土壓力也有所提高，土壓力變化曲線與沉降曲線接近，當(dāng)槽寬大于1.0 m后，土壓力值變化較小。因此，采用井字形地連墻法進(jìn)行地基處理時(shí)可適當(dāng)提高換填槽的寬度，但過(guò)分增加換填寬度對(duì)地基處理的效果不大，同時(shí)會(huì)增加施工成本。

圖9 涵洞基底沉降隨槽寬變化曲線

圖10 涵頂土壓力隨槽寬變化曲線

4.3 換填槽軸線間距

涵洞縱向換填槽軸線間距對(duì)基底沉降和涵頂土壓力的影響如圖11和圖12所示。從圖中可知，隨著沿涵洞縱向換填槽軸線間距的增加，地基土的置換率下降，基底沉降逐漸增加。當(dāng)軸線間距為2 m時(shí)，基底沉降僅為未進(jìn)行地基處理時(shí)基底沉降的63.4%，而當(dāng)軸線間距為6 m時(shí)，基底沉降較間距為2 m時(shí)增加了17.9%；與此同時(shí)軸線間距從2 m增加到6 m，涵頂土壓力僅減小了2.8%。可見，換填槽軸線間距過(guò)大時(shí)，起不到復(fù)合地基的作用，因此，為到達(dá)良好的地基處理效果，沿涵洞縱向的換填槽軸線間距不宜過(guò)大。

圖11 涵洞基底沉降隨軸線間距變化曲線

圖12 涵頂土壓力隨軸線間距變化曲線

4.4 地基處理范圍的影響

地基處理范圍是指橫斷面方向的換填槽范圍，具體定義為從涵洞橫斷面中點(diǎn)到換填槽邊緣處，處理范圍是左右對(duì)稱的。從圖13至圖16可以看出，與其他影響因素不同的是，增大井字形地連墻法地基處理的范圍，可以同時(shí)減小涵洞基底沉降和涵頂土壓力。同時(shí)，較大的地基處理范圍能使涵洞與周圍填土之間沉降與土壓力沿橫斷面方向的變化趨于平緩。因此，建議采用井字形地連墻法進(jìn)行地基處理時(shí)，涵洞沿橫斷面方向的處理寬度不小于基礎(chǔ)底板寬度的兩倍。

圖13 涵洞基底沉降隨地基處理范圍變化曲線

圖14 涵頂土壓力隨地基處理范圍變化曲線

圖15 不同地基處理范圍下基底平面沉降曲線

圖16 不同地基處理范圍下涵洞上方土壓力曲線

4.5 換填材料性質(zhì)

圖17和圖18分別表示井字形換填槽內(nèi)換填材料的彈性模量E不同時(shí)涵洞基底沉降和涵頂土壓力的變化規(guī)律。填料性質(zhì)對(duì)涵洞基底沉降有較大影響，提高換填材料的E值，可有效減小涵洞基底沉降。當(dāng)換填槽內(nèi)材料彈性模量到達(dá)100 MPa時(shí)，涵洞基底的沉降僅為未經(jīng)地基處理時(shí)基底沉降的71.2%，與此同時(shí)，涵頂土壓力較未經(jīng)地基處理時(shí)提高了8%左右。

圖17 涵洞基底沉降隨換填槽彈性模量變化曲線圖

圖18 涵頂土壓力隨換填槽彈性模量變化曲線圖

5 結(jié) 論

(1)未經(jīng)地基處理及減載的涵洞，基底沉降量大于兩側(cè)地基土，且在基礎(chǔ)邊緣處發(fā)生突變。采用井字形地連墻法可顯著減小基底沉降，并使涵洞寬度范圍以外的沉降變化趨于平緩。其地基處理效果主要表現(xiàn)在軟弱土層，而下臥層土體的壓縮量略有增加。

(2)井字形地連墻法會(huì)在一定程度上增大涵頂土壓力，而加筋減載措施的應(yīng)用，使得涵頂土壓力均小于按土柱法計(jì)算的線性理論值，地基處理對(duì)涵洞整體工作性能影響較小。

(3)加大換填槽的寬度、深度；減小沿涵洞縱向換填槽的軸線間距；提高換填材料的彈性模量都可有效減小涵洞基底沉降。與此同時(shí)，涵頂土壓力有所增加，但增幅相對(duì)較小。其中，換填槽深度對(duì)基底沉降的影響最為明顯，因此建議在軟弱土層較薄的情況下?lián)Q填槽可挖至軟土層底面。

(4)增大地基處理范圍，可同時(shí)減小涵洞基底沉降和涵頂土壓力，并使涵洞與周圍填土之間沉降與土壓力沿橫斷面方向的變化趨于平緩。建議采用井字形地連墻法時(shí)，沿橫斷面方向的地基處理寬度不小于基礎(chǔ)底板寬度的兩倍。

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