趙金明

（唐山市交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，河北 唐山063004）

0 引言

伴隨著我國公路建設(shè)日新月異的發(fā)展，尤其是向特殊地理環(huán)境（重丘區(qū)、山嶺區(qū)）的延伸，道路工程界對(duì)高填方路堤下涵洞的變形、沉降、受力等問題產(chǎn)生了極大的關(guān)注。涵洞的實(shí)際受力情況應(yīng)該如何正確計(jì)算，以及采取何種有效措施減小涵洞洞身縱向上的不均勻沉降、抵消涵洞洞身與涵洞兩側(cè)填土之間的沉降差異、減小涵洞周邊的土壓力、調(diào)整土壓力在涵洞橫向及縱向上的分布，這些都具有十分重要的研究意義及現(xiàn)實(shí)意義。

本文以山西省某高速公路K1+637 處高填土拱涵為試驗(yàn)工點(diǎn)，將EPS板材作為減荷材料，分別鋪設(shè)于涵洞頂部與側(cè)面，以此研究涵洞在涵洞頂部全部鋪設(shè)與不鋪（即無減荷措施），以及在采用變厚度EPS板材的情況下：填土高度變化引起的涵洞頂部垂直土壓力系數(shù)的變化規(guī)律、涵洞側(cè)向水平土壓力系數(shù)的變化規(guī)律、涵洞洞身與兩側(cè)填土間沉降差大小的變化規(guī)律。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[1]

1.1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的巖性與地形

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)位于山西省柳林縣梁家會(huì)村，涵洞位于梁家會(huì)村北側(cè)一坡溝內(nèi)，黃土沖溝微地貌，Q3、Q2黃土，呈堅(jiān)硬狀，地下水沒有出露。

涵洞基坑開挖后，首先進(jìn)行強(qiáng)夯處理，然后分層填筑水泥穩(wěn)定土，涵洞基礎(chǔ)、臺(tái)身分別采用鋼筋混凝土，拱腳、拱圈采用水泥砂漿砌塊石。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試的目的主要是：研究減荷措施下涵洞頂部垂直土壓力大小及分布；研究、測(cè)試減荷措施下涵洞側(cè)面?zhèn)认蛲翂毫Ψ植紶顩r；測(cè)試減荷材料的壓縮變形對(duì)減小涵洞引起的路堤填土不均勻沉降的效果。

1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試布置[2-4]

涵洞的結(jié)構(gòu)斷面、尺寸以及試驗(yàn)測(cè)試段的布設(shè)位置如圖1所示。涵洞斷面上土壓力盒、沉降變形點(diǎn)、EPS板材鋪設(shè)位置如圖2所示。

圖1 涵洞測(cè)試段布置圖（單位：cm）

圖2 涵洞測(cè)試點(diǎn)布置圖（單位：cm）

1.2.2 減荷材料的壓縮變形量觀測(cè)、洞身兩側(cè)在涵洞同高位置填土的壓縮變形量觀測(cè)

如圖2所示，涵洞頂部、側(cè)面鋪設(shè)的EPS板材在填土荷載作用下的壓縮變形量大小，通過設(shè)置在涵洞洞身上的豎向、橫向變形標(biāo)，在洞內(nèi)用游標(biāo)卡尺量測(cè)。洞身兩側(cè)與涵洞同高度的填土壓縮變形量（試驗(yàn)中沒有減荷材料時(shí)，即為洞頂平面內(nèi)外土柱間的沉降差+δ），在土壓力計(jì)算中是個(gè)十分重要的綜合性參數(shù)[2]，試驗(yàn)中是通過在洞內(nèi)用游標(biāo)卡尺讀取沉降板指針變化的辦法解決的，既不干擾施工，又準(zhǔn)確簡(jiǎn)便。

1.2.3 涵洞各測(cè)試段洞身的沉降量觀測(cè)

在涵洞測(cè)試段洞內(nèi)拱頂中心設(shè)置的觀測(cè)點(diǎn)，采用水準(zhǔn)儀在路堤回填前測(cè)出其初始標(biāo)高值，待路堤填筑到一定高度后，再次測(cè)量拱頂中心的標(biāo)高值，從而計(jì)算出隨填土高度變化的各測(cè)試段洞身沉降值。

2 測(cè)試結(jié)果分析[6]

試驗(yàn)總共埋設(shè)了156 個(gè)土壓力傳感器及36 個(gè)變形觀測(cè)點(diǎn)，同時(shí)設(shè)置多個(gè)平行測(cè)點(diǎn)觀測(cè)各測(cè)試斷面的土壓力、壓縮量、位移值及沉降量，測(cè)試成果的取值均為多點(diǎn)的平均值?，F(xiàn)將以上各種試驗(yàn)結(jié)果分析如下。

2.1 涵洞頂部垂直土壓力系數(shù)與填土高度的關(guān)系（如圖3所示）

圖3 涵洞頂部垂直土壓力系數(shù)與填土高度的關(guān)系

從圖3可以看出，采取減荷措施的斷面的垂直土壓力系數(shù)都小于沒有采取減荷措施的，當(dāng)填土高度達(dá)到28～29m時(shí)，采取減荷措施的垂直土壓力

系數(shù)約為后者的2/5。這一結(jié)果說明涵洞頂部鋪設(shè)EPS板材減荷材料對(duì)減小涵洞頂部的實(shí)際垂直土壓力具有十分明顯的效果。從圖3還可得出，采取減荷措施的Kv—H曲線，其位置高低排列正好與EPS板材厚度排列順序相對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)的EPS板材厚度為35cm＞27.5cm＞20cm＞12.5cm，這說明涵洞頂部鋪設(shè)EPS板材厚度越大，減荷效果越明顯，但是二者之間沒有比例關(guān)系。

2.2 涵洞側(cè)向土壓力系數(shù)與填土高度的關(guān)系（如圖4所示）

圖4 涵洞側(cè)向土壓力系數(shù)與填土高度的關(guān)系

從圖4 可以得知，采取減荷措施的第8～15 段的側(cè)向土壓力系數(shù)，均明顯小于未采取減荷措施的；當(dāng)填土高度達(dá)到26m時(shí)，采取減荷措施的側(cè)向土壓力系數(shù)約為沒有采取減荷措施者的1/3。這說明洞側(cè)鋪設(shè)EPS板材對(duì)減小涵洞側(cè)向土壓力也具有很明顯的效果。從圖4還可以得出，采取減荷措施的Kh—H曲線，其位置高低排列也正好與所鋪設(shè)EPS板材厚度排列順序相對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)的EPS板材厚度為12.5cm＞10cm＞7.5cm＞5cm，這說明洞側(cè)鋪設(shè)的EPS板材越厚，減荷效果越明顯，但是二者之間沒有比例關(guān)系。

2.3 涵洞基底壓力系數(shù)與填土高度的關(guān)系（如圖5所示）

圖5 涵洞基底壓力系數(shù)與填土高度的關(guān)系

從圖5 可以得知，采取減荷措施的涵洞基底壓力系數(shù)小于沒有減荷措施的斷面，并且EPS 板材的厚度越大，基底受到的壓力越小，即基礎(chǔ)所承擔(dān)的荷載越小，這一結(jié)果與拱頂?shù)臄?shù)據(jù)規(guī)律是吻合的；采取減荷措施的斷面基底的壓力大致是沒有減荷斷面的4/5左右，沒有涵洞頂部的減荷效果明顯，這是因?yàn)楹礄M斷面豎直投影寬度比較大，涵洞臺(tái)身俯斜角也大，導(dǎo)致從涵洞頂部所卸掉的土壓力有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)移到臺(tái)身和基礎(chǔ)襟邊上，從而導(dǎo)致基底壓力減小的比例比涵洞頂部要小。

2.4 洞側(cè)填土沉降分析

通過試驗(yàn)測(cè)量，得到了涵洞頂部平面兩側(cè)填土的平均沉降量與填土高度的關(guān)系（圖6 中的S—H曲線），涵洞頂部EPS 板材的壓縮變形量與填土高度的關(guān)系（圖7中的εh—H曲線），前者與后者相減，得到涵洞頂部平面內(nèi)外土柱沉降差與填土高度的關(guān)系（圖8中的δ—H曲線）。

圖6 涵洞頂部平面兩側(cè)填土的平均沉降量與填土高度的關(guān)系

圖7 涵洞頂部EPS板材壓縮變形與填土高度的關(guān)系

圖8 涵洞頂部平面內(nèi)外沉降差與填土高度的關(guān)系

圖8中，沉降差曲線為+δ出現(xiàn)在涵洞頂部沒有鋪EPS板材的涵段，故圖3中相應(yīng)沒有鋪設(shè)EPS板材涵段的垂直土壓力系數(shù)均Kv＞1；沉降差為-δ出現(xiàn)在涵洞頂部鋪設(shè)EPS 板材的涵段，故圖3中鋪設(shè)EPS 板材涵段的垂直土壓力系數(shù)為Kv＜1；-δ曲線簇，按其|-δ|予以排序，結(jié)果依次為：35cm＞27.5cm＞20cm，故圖3 中對(duì)應(yīng)的曲線族的排序也大致相同。

以上分析既揭示了涵洞頂部EPS 板材以其自身較大的壓縮變形調(diào)整了涵洞頂部垂直土壓力大小的實(shí)質(zhì)，又證明了垂直土壓力與±δ這一綜合性參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一點(diǎn)對(duì)涵洞頂部垂直土壓力的計(jì)算有至關(guān)重要的作用。

2.5 涵洞的沉降分析

涵洞縱斷面有一定的坡度，每截涵洞的落差大致為42cm，故在相同土層標(biāo)高情況下，對(duì)于各斷面來說填土厚度并不相同，所以圖9所示的涵洞各斷面及對(duì)應(yīng)的沉降曲線，并不是在同一填土高度時(shí)得到的數(shù)據(jù)。

圖9 涵洞縱向沉降分布曲線

從圖9可以得知：

（1）路堤梯形斷面的填土荷載與涵洞縱向沉降曲線大致對(duì)應(yīng)；

（2）以第15 測(cè)試斷面為界，沒有采取減荷措施的斷面右邊出現(xiàn)了最大沉降量；相反左邊第8～15 斷面，因全部采取了減荷措施，涵洞頂部垂直土壓力系數(shù)得以顯著減小，繼而由基底壓力引起的沉降也得到減?。患偃艉磁_(tái)背豎直，涵洞頂部鋪設(shè)EPS 板材減荷材料，涵洞基礎(chǔ)襟邊寬度再適當(dāng)減小，可以預(yù)知，采取減荷措施的左邊第8～15 斷面的沉降量會(huì)進(jìn)一步減小。

從以上兩條總結(jié)得知：依據(jù)填土高度的變化，在涵洞頂部鋪設(shè)變厚度的EPS板材，可以改善涵洞洞身結(jié)構(gòu)的不均勻沉降問題。

3 結(jié)語

通過現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，EPS板材作為高填方剛性涵洞頂部鋪設(shè)的減荷材料，所得到的減荷效果十分顯著，同時(shí)還可減少涵洞本身的不均勻沉降以保證結(jié)構(gòu)的安全性，減小路堤填土中引起的沉降差以確保路面的平整性。通過減荷措施的試驗(yàn)研究，希望為以后工程設(shè)計(jì)提供一定的參考，以便減小結(jié)構(gòu)物尺寸，節(jié)約一定的工程造價(jià)。

[1] 趙金明. EPS 板減荷措施在高填土拱涵上的應(yīng)用研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2007.

[2] 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(bào)，1981，（1）：13-15.

[3] 王曉謀，顧安全.上埋式管道垂直土壓力減荷措施[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1989，（3）：25-34.

[4] 顧安全，郭婷婷，王興平.高填土涵洞（管）采用EPS板減荷的試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（5）：500-504.

[5] 折學(xué)森.填埋式管道垂直土壓力的計(jì)算[J]. 西北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1993,（1）：28-34.

[6] 馮忠居，張新占.涵洞土壓力與填土沉降差關(guān)系分析[J].內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2002，（1）：21-23.