劉 微

(太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030002)

0 引言

在當(dāng)前的山區(qū)公路及大落差道路建設(shè)中，由于地形及其他環(huán)境條件的制約使得高填土涵洞的應(yīng)用越來越多。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)高速公路每200 m就設(shè)涵洞一道，由于涵洞的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橋梁，而不論何種規(guī)模的涵洞，其對路基、路面造成的影響與橋梁幾乎相當(dāng)。因此，工程師們現(xiàn)在愈發(fā)的重視涵洞對道路建設(shè)的影響。而目前的涵洞設(shè)計(jì)和施工中存在著不足，特別對于高填方涵洞，這種不足在結(jié)構(gòu)本身及道路建設(shè)中的影響也更加明顯。工程設(shè)計(jì)中有關(guān)高填方涵洞土壓力計(jì)算的理論有很多，不同方法結(jié)果也不相同。在施工中，由于對高填方涵洞的認(rèn)識不足，更容易造成諸多的問題。本文從高填方涵洞的設(shè)計(jì)出發(fā)，分析其適用、經(jīng)濟(jì)的工程解決辦法，供工程參考應(yīng)用。

1 當(dāng)前高填方涵洞的土壓力計(jì)算理論

1)馬斯頓法。

馬斯頓極限平衡狀態(tài)法假設(shè)結(jié)構(gòu)頂部填土在自重及其他荷載作用下產(chǎn)生沉降，土體逐漸壓密。此過程中，由于涵洞剛度比兩側(cè)填土剛度大很多，而不同的剛度將導(dǎo)致較大的沉降差。沉降差使涵洞除了承受其頂部土體自重外，還承受兩側(cè)土體向下沉降帶來的剪力。因此將使涵管頂部垂直土壓力大于涵管頂部的土柱重，其可表達(dá)為:

其中，γh為涵洞頂本身土重;Δq為沉降差引起的土壓力。

該理論是建立在兩側(cè)土體與涵洞頂部土體產(chǎn)生不均勻沉降的基礎(chǔ)上。而當(dāng)這兩種不同位置的土體產(chǎn)生的不均勻沉降不能達(dá)到極限平衡時，用該理論計(jì)算涵洞土壓力將會產(chǎn)生較大的誤差。在工程實(shí)際中無論何種形式的高填方涵洞，其剛度都大于周圍土體的剛度。而這種剛度差異所引起的下沉或變形只能是適應(yīng)地基微小壓縮的變形，工程中不可能也不允許發(fā)生下沉式的大位移。因此，根據(jù)高填方涵洞結(jié)構(gòu)與施工特點(diǎn)，馬斯頓理論的計(jì)算方法在高填方涵洞土壓力的計(jì)算中會產(chǎn)生一定誤差。

2)普氏壓力拱理論。

前蘇聯(lián)學(xué)者普洛托雅可諾夫于1909年提出普氏壓力拱理論。這一理論假設(shè)土體松散，當(dāng)洞室深埋時，其上方將形成一個拋物線形曲線的壓力拱。該壓力拱能夠承擔(dān)其上部的土重，而壓力拱的下部為塌落拱，其土體重量將由洞室結(jié)構(gòu)來承擔(dān)，該部分的土體重量就是需要計(jì)算的土壓力。

普氏壓力拱理論適用于深埋地下洞室，主要原理是在這些深埋洞室開挖卸載過程中，洞室上部的一定區(qū)域內(nèi)土體失去支撐，產(chǎn)生塌落。達(dá)到一定程度時普氏壓力拱形成，之后穩(wěn)定部分的巖土成為支撐結(jié)構(gòu)。而一般的高填方涵洞是先埋置洞身結(jié)構(gòu)，然后回填涵洞頂和兩側(cè)土體，其形成過程與壓力拱理論的原理相悖。另外適用壓力拱理論的隧道結(jié)構(gòu)其周圍巖土為天然介質(zhì)，而高填土涵洞周圍介質(zhì)多使用散粒體回填，這進(jìn)一步使得計(jì)算高填方涵洞土壓力的影響因素增多。即使涵洞的卸載拱形成，在應(yīng)用普氏理論時也可能產(chǎn)生較低的涵洞土壓力估算結(jié)果。從而對涵洞結(jié)構(gòu)造成不安全的影響。

3)土柱理論。

土柱法中涵頂土壓力與土體高度成正比，且假定新設(shè)的涵洞不影響土體本身的應(yīng)力極限狀態(tài)[1]，把其當(dāng)作一個靜力學(xué)的平衡問題來考慮，則位于距地面深度為z處的涵洞上部的土壓力可用下式表示:

其中，γ為土的容重;z為涵洞頂土高度;ξ為靜土壓力系數(shù)。

土柱法中涵頂土壓力與涵頂土的高度成比例增長的關(guān)系，顯而易見該理論忽視了實(shí)際當(dāng)中影響土壓力的諸多因素:土的壓實(shí)情況，不同位置土體的沉降差，可能形成的壓力拱對涵頂土的卸荷作用等等。因此土柱法的適用范圍也受一定限制。

4)非線性土壓力計(jì)算理論。

鑒于當(dāng)前高填方涵洞的各種土壓力計(jì)算理論的局限性。楊錫武教授提出了基于高填方涵洞成拱效應(yīng)的非線性土壓力計(jì)算理論[2]。該方法以經(jīng)過試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)為分析依據(jù)，根據(jù)涵頂填土高度與土體壓力的變化曲線，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，找出填土高度與土壓力之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)聯(lián)，以此作為高填方涵洞土壓力的計(jì)算方法，即用非線性數(shù)學(xué)模型σ=ξγHn(其中ξ，n均為回歸系數(shù)，0＜n＜1)來表示涵頂土壓力隨填土高度變化規(guī)律的半理論半經(jīng)驗(yàn)方法。該方法針對狹窄溝谷心、寬坦溝谷心、狹窄溝谷坡腳提出了不同的回歸系數(shù)ξ，n。經(jīng)過驗(yàn)證該法在涵頂土壓力計(jì)算中取得了較為合理的結(jié)果。

豎向土層壓力為塌落拱的自重，分為均布部分q和近似三角形部分Δq。

其中，a1為壓力拱半跨寬度，m;a為地下結(jié)構(gòu)寬度之半，m;h為地下結(jié)構(gòu)高度，m;fk為土層堅(jiān)固系數(shù);φ為土層內(nèi)摩擦角;f'為拱外緣高度;h'為拱角外邊緣的壓力拱高度，即

2 高填方涵洞土壓力的減載及調(diào)整

在實(shí)際工程中，除了要考慮涵頂土體壓力的合理計(jì)算方法外，也應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆椒▉頊p少垂直土壓力，進(jìn)而降低涵洞結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力，減少結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生幾率。

通過“中松側(cè)實(shí)法”形成壓力拱來降低土壓力。該法使涵洞兩側(cè)土體壓填密實(shí)，洞頂一定范圍內(nèi)使用松散填料回填，使得涵頂填土的變形模量較兩側(cè)填土小，從而降低涵洞內(nèi)外土體的沉降差，減少涵頂附加土壓力?！凹咏顦驕p載”是在壓填密實(shí)的兩側(cè)填土內(nèi)錨固加筋材料，而涵頂上部土體相對松散。錨固在兩側(cè)的加筋材料形成加筋橋，橋上土體作用力通過加筋材料傳遞到兩側(cè)土體中，從而降低了涵頂土壓力，減小了不同位置土柱的不均勻沉降，改善結(jié)構(gòu)安全?！胺赐诜ā毙纬伞巴凉啊保赐诜ㄊ窍葘⒑赐馏w回填至一定高度，然后反挖涵洞施工所需空間，通過頂進(jìn)施工涵洞，此法采用較少，但有時也可有效的形成涵頂?shù)耐凉埃瑥亩鴾p少涵頂土壓力。

涵洞地基處理時需要擴(kuò)大地基處理范圍，因?yàn)橹惶幚砗捶秶鷥?nèi)的地基，將使得涵洞與兩側(cè)土體的沉降差進(jìn)一步擴(kuò)大，引起涵頂應(yīng)力集中，造成涵洞病害。有時即使是涵洞兩邊的土體滿足承載力要求，但是從涵洞結(jié)構(gòu)安全的角度出發(fā)，仍需要擴(kuò)大處理范圍至涵側(cè)土體外一定距離，以減少沉降差。涵洞地基處理方式與“中松側(cè)實(shí)”“加筋橋減載”等方法結(jié)合使用時，能夠更加顯著的降低涵頂壓力，有利結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié)語

高填方涵洞的設(shè)計(jì)、施工中，土壓力的計(jì)算和控制是工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，通過以上分析和總結(jié)，采取適用的計(jì)算理論、合適的土壓力控制辦法才能夠建造經(jīng)濟(jì)、安全的涵洞結(jié)構(gòu)，減少病害發(fā)生。

[1] 孫 均，侯學(xué)淵.地下結(jié)構(gòu)[M].北京:科學(xué)出版社，1988.

[2] 楊錫武.山區(qū)公路高填方涵洞的成拱效應(yīng)及土壓力計(jì)算理論研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2005(21):101-102.

[3] 顧安全.上埋式管道及洞室垂直土壓力的研究[J].巖土工程學(xué)報，1981，3(1):30-31.

[4] 朝拴奎.涵洞土壓力與沉降[J].山西交通科技，2000(1):20-21.

[5] JTG D61-2005，公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] 楊錫武.山區(qū)公路高填方涵洞土壓力計(jì)算理論研究綜述[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報，2005(4):18-19.