馬 莉

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012）

0 引言

由于山西地處黃土高原，溝壑縱橫，地形復(fù)雜，隨著高速公路規(guī)劃網(wǎng)的不斷細(xì)化，很多條高速公路都修建于山嶺重丘區(qū)。由于高等級公路線性標(biāo)準(zhǔn)的要求和地形的限制，使得山區(qū)高速公路的填土高度普遍較大，高填方涵洞也隨之增多。與低填方涵洞相比，高填方涵洞具有填土荷載大的特點，再加上山區(qū)特殊地質(zhì)條件的影響，涵洞的受力及變形特性極為復(fù)雜，很多涵洞都出現(xiàn)了開裂，甚至垮塌，嚴(yán)重影響公路的正常運營，給人民的生命財產(chǎn)安全造成極大威脅。而涵洞頂部土壓力的精確計算是涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重中之重，但是相關(guān)研究表明目前的土壓力計算理論均不能夠準(zhǔn)確估計高填方涵洞頂部土壓力分布狀態(tài)。本文基于試驗數(shù)據(jù)，合理考慮“拱效應(yīng)”原理，分析了高填土條件下的涵洞頂部土體的土壓力變化特點，為涵洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 涵洞頂部土體的成拱效應(yīng)

“拱效應(yīng)”是土木工程中一個普遍存在的現(xiàn)象[1-2]，由于存在“拱效應(yīng)”，高填方涵洞頂部土壓力的計算并不能簡單地僅僅歸結(jié)于土的重力計算問題。合理考慮“拱效應(yīng)”對涵頂土壓力的影響程度是精確計算高填方涵洞頂部土壓力的首要問題。

本文選取山西某山區(qū)高速公路圓管涵為研究對象，結(jié)果表明：高填方涵洞頂部存在明顯的“拱效應(yīng)”。涵頂土壓力隨著填土高度的不斷增大以非線性規(guī)律逐漸增大。因此研究一種合理考慮“拱效應(yīng)”的土壓力計算方法，才能使高填方涵洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計更為經(jīng)濟合理。

2 高填方涵洞頂部豎向土壓力研究

本文以試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，運用回歸分析法對涵頂土壓力隨填土高度增大的變化規(guī)律進(jìn)行研究。

2.1 試驗方法設(shè)計和分析

選取山西某山區(qū)高速公路典型圓管涵涵洞斷面為試驗對象，沿涵頂軸線位置埋設(shè)5個土壓力盒以測試涵頂豎向土壓力。測試結(jié)果表明，涵頂豎向土壓力隨填土高度的增大表現(xiàn)出顯著的非線性增大規(guī)律。

表1 不同填土高度下的涵頂豎向土壓力測試結(jié)果

2.2 涵頂土壓力計算公式非線性回歸分析

試驗數(shù)據(jù)表明，高填方涵洞頂部的土壓力隨填土高度增大呈顯著的非線性增大規(guī)律。本文運用以下簡單實用的模型作為高填方涵洞頂部土體的土壓力計算公式，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)計算出回歸系數(shù)，給出涵頂土壓力計算公式。

圖1 涵頂土壓力理論計算值和測試值對比圖

式中：a、b為回歸系數(shù)；γ為填土容重，kN/m3；H 為填土高度，m。

對式（2）回歸計算得：a=1.198，b=0.783.

3 實例分析

運用馬斯頓法[3-4]、土柱法[5]、普氏理論、太沙基理論以及本文的土壓力計算公式，分別計算不同填土高度下涵洞頂部的土壓力，以便于對各種理論公式的適用性進(jìn)行分析研究。

計算參數(shù)如下：內(nèi)摩阻角φ=30°，內(nèi)聚力c=20 kPa，填土容重 γ=20 kN/m3，涵洞半徑a=2.7 m。

表2 不同理論公式下涵頂豎向土壓力的計算結(jié)果

由表2可見，馬斯頓法或土柱法由于未考慮拱效應(yīng)，計算出的土壓力過大，以此為依據(jù)進(jìn)行涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計將會造成安全系數(shù)過大，過分保守而不經(jīng)濟；太沙基理論以巖體傳力為計算基礎(chǔ)，填土達(dá)到一定高度時，壓力將不再往下傳遞，計算出的土壓力最小，如以此理論計算的土壓力為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計，將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全；普氏理論假設(shè)涵洞上方有一個穩(wěn)定的土拱，考慮了拱效應(yīng)，結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載為土拱下不穩(wěn)定的土體重量，計算的土壓力不隨填土高度變化而改變，且未考慮在填土增加過程中仍有部分土壓力傳遞到涵頂?shù)那闆r。而本文推導(dǎo)出的非線性計算公式，合理考慮了“拱效應(yīng)”，即充分考慮高填方涵洞上方存在拱效應(yīng)以及此土拱效應(yīng)不穩(wěn)定的特點，在填土增加過程中仍有部分土壓力傳遞到涵頂，其計算的土壓力高于太沙基理論，但又顯著低于不考慮土拱效應(yīng)的土柱法和馬斯頓法，使計算結(jié)果和實際情況較為接近，設(shè)計的涵洞結(jié)構(gòu)既經(jīng)濟又安全。

4 結(jié)論

a）本文回歸分析的涵頂土壓力計算公式合理考慮了“土拱效應(yīng)”對土壓力的影響，使計算公式計算出的涵頂土壓力結(jié)果接近實際情況，計算結(jié)果較為合理。

b）本文的土壓力計算公式簡單實用，只需確定填土高度和填土容重兩個計算參數(shù)即可，便于廣泛應(yīng)用。

c）本文的土壓力計算公式是基于現(xiàn)場實驗反推出來的半經(jīng)驗公式，使用具有一定局限性，更廣泛使用的“通用公式”，需要更多的試驗數(shù)據(jù)支持。