王 森 綿陽(yáng)市川交公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000

在山區(qū)公路的設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中，為了減少山區(qū)雨水沖刷對(duì)道路的影響，設(shè)置涵洞是一種非常有效的方式，目前的涵洞地基設(shè)計(jì)多通過(guò)增加結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)保證安全，沒(méi)有采取有效的減載措施，而高填方涵洞的上部荷載大，對(duì)涵洞和地基承載力都提出了更高的要求，因此，常規(guī)的涵洞設(shè)計(jì)和施工方案對(duì)高填方涵洞的安全構(gòu)成了較大的影響。

1 涵洞與地基承載力

1.1 涵洞的作用于類型

南方雨季降水量充沛，山區(qū)在暴雨沖刷下很容形成明顯的沖溝，山區(qū)公路在跨越該沖溝或流量不大的小河溝時(shí)，應(yīng)根據(jù)自然條件在盡量保持沖溝或小河溝水流天然狀態(tài)的前提下，在適當(dāng)?shù)奈恢眉釉O(shè)涵洞。通常情況下，在地勢(shì)起伏、峰谷交替的低洼(溝谷)處、路線縱坡由下坡變?yōu)樯掀碌陌夹呜Q曲線處等特殊地段都是考慮涵洞設(shè)置的重點(diǎn)路段。

根據(jù)山區(qū)地形和工程項(xiàng)目路段的具體特點(diǎn)，山區(qū)公路高填方涵洞的典型涵洞有以下幾種:一是狹窄溝谷、溝心處設(shè)置的涵洞，其特點(diǎn)是胸腔較窄，涵洞受力與位移受填土高度、邊坡角度等因素的影響較大;二是狹窄溝谷坡腳設(shè)置的涵洞，其特點(diǎn)是涵洞位于岸坡腳，偏載效應(yīng)影響顯著，涵洞主體受力不均，不均勻沉降較大;三是寬坦地形的溝心處設(shè)置的涵洞，其特點(diǎn)是涵洞位于岸坡上，基底剛度較大，涵洞頂部的土壓力易集中;四是半填半挖或半軟半硬高填方路基，其特點(diǎn)是基礎(chǔ)易產(chǎn)生不均勻沉降或基底土體的剪切破壞;五是高填土(軟基)上設(shè)涵，其特點(diǎn)是涵洞基礎(chǔ)置于軟基上，基底沉降較大，易產(chǎn)生基礎(chǔ)基底土體的剪切破壞。

1.2 地基承載力的確定

公路路基在承載力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)在保證地基不發(fā)生強(qiáng)度破壞而喪失穩(wěn)定性的前提下保證構(gòu)造物不發(fā)生影響其安全與正常使用的過(guò)大位移或不均勻沉降。目前常用的路基承載力設(shè)計(jì)方法是通過(guò)計(jì)算地基的臨塑荷載、臨界荷載或者極限荷載再除以安全系數(shù)，可以得到考慮埋深效應(yīng)的地基承載力設(shè)計(jì)值。常用的公式有以下兩個(gè):

(1)太沙基公式。太沙基公式將基底壓力視為均勻分布，因此，該公式特別適用于地基土較密實(shí)的場(chǎng)合。太沙基地基極限荷載公式為:

其中:Pu為地基的極限荷載，γ 為土的重度，B 為基礎(chǔ)寬度，c 為土的黏聚力，q 為傍載壓力，Nr、Nc、Nq 為與土體內(nèi)摩擦角有關(guān)的系數(shù)，這三個(gè)參數(shù)可以通過(guò)查太沙基極限荷載系數(shù)表得到。

(2)斯凱普頓公式。斯凱普頓公式該公式適用于基礎(chǔ)埋深d≤2.5b 的淺基礎(chǔ)，對(duì)于高速公路構(gòu)造物基礎(chǔ)寬度一般為6 m 以上，15 m厚(從基底至路基頂面)的填方地段，該公式仍然適用。該公式如下:

式中:d 為基礎(chǔ)埋深，b 為基礎(chǔ)寬，l 為基礎(chǔ)長(zhǎng)。當(dāng)以無(wú)限長(zhǎng)條形基礎(chǔ)為對(duì)象，取l=∞。

在高填方涵洞的設(shè)計(jì)要求中，隨著路基的填筑，地基的基本承載力也得到相當(dāng)程度的提高，其承載力大多在600 kPa 以上，因此按照常規(guī)的路基設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，地基承載力很難達(dá)到要求，同時(shí)也會(huì)造成涵頂?shù)膽?yīng)力集中加劇，使涵洞構(gòu)造物受力不合理。因此，在高填方涵洞路基設(shè)計(jì)中還需要對(duì)地基承載力的修正進(jìn)行必要的考慮。

2 地基處理的原則

在進(jìn)行高填路方涵洞設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在沒(méi)有正確認(rèn)識(shí)高填方路段涵洞構(gòu)造物及其地基特點(diǎn)的情況下對(duì)地基的承載力提出了過(guò)高的要求，因此，設(shè)計(jì)處的方案偏于保守，不利于經(jīng)濟(jì)的最大化和效益的最高化。實(shí)踐和理論表明，涵洞地基壓縮模量越大，涵洞頂部受到的土壓力越大，涵頂應(yīng)力集中現(xiàn)象越嚴(yán)重，同時(shí)對(duì)涵洞構(gòu)造物強(qiáng)度的要求就越高，涵洞地基處理時(shí)只需滿足合理的承載力要求，不必將承載力要求提得過(guò)高。此外，對(duì)高填方路段涵洞的地基處理宜適當(dāng)考慮固結(jié)、壓密等作用引起的地基承載力增長(zhǎng)，對(duì)地基承載力修正計(jì)算后再確定合理的處理方案。此外，根據(jù)各類工程對(duì)地基土強(qiáng)度和變形的不同要求，地基土的處理應(yīng)該按照如下原則進(jìn)行:一是對(duì)地基強(qiáng)度和變形要求較高的高填涵和高填土路基應(yīng)該采用深層處理，二是對(duì)地基強(qiáng)度和變形要求較小的一般涵洞和低路堤可以采用淺層處理，三是橋頭、高填涵兩側(cè)路基和填挖結(jié)合部路基等易產(chǎn)生不均勻沉降的路段也采用深層處理。

涵洞頂部的土壓力大小直接取決于涵頂平面沉降差，在對(duì)軟弱地基僅做涵底范圍的處理時(shí)，涵體沉降將小于涵周土沉降，這將導(dǎo)致涵頂應(yīng)力的集中。因此，在具體的地基處理過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)從減小涵頂平面沉降差的觀點(diǎn)出發(fā)，依據(jù)涵洞構(gòu)造物軟基路段的典形特征，建立相應(yīng)的力學(xué)模型，進(jìn)行沉降近似計(jì)算分析。

3 對(duì)高填方涵洞的加筋減載處理

3.1 高填方涵洞的地基病害及常用解決措施

高填方路段的涵洞上方覆填土的高度大多都在10m 以上，甚至?xí)^(guò)50m，因此填土荷載大，受到復(fù)雜地形條件的影響，涵洞的受力及變形特性十分復(fù)雜，因此山區(qū)高等級(jí)公路中許多高填方涵洞均已開(kāi)裂甚至垮塌，嚴(yán)重影響到公路的正常使用。通過(guò)前面敘述可知，涵洞主體存在應(yīng)力集中和不均勻沉降的問(wèn)題很容易引起各種不同程度的病害。針對(duì)高填方涵洞土壓力過(guò)大的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)涵洞減載措施進(jìn)行了研究。

高填方路段的土壓力集中使得涵洞時(shí)常產(chǎn)生縱向開(kāi)裂現(xiàn)象，成為山區(qū)高填方涵洞工程的典型病害。目前采取的減載措施主要是通過(guò)改變填土體的沉降特性，即在涵洞上方進(jìn)行人工的土拱效應(yīng)，使作用在涵洞頂部的填土向涵洞兩側(cè)傳遞，譬如中松側(cè)實(shí)法、柔性填料法等。但是這種減載方法沒(méi)有考慮到沉降引起的地面變形，且質(zhì)量和效果難以得到保障，因此，這些減載措施難以在實(shí)際的工程實(shí)踐中得到應(yīng)用。現(xiàn)階段更多的工程仍是通過(guò)加大結(jié)構(gòu)尺寸以保證涵洞的安全，而不是應(yīng)用減載的方法。

3.2 加筋減載技術(shù)

加筋減載法的核心思想是在涵洞上方設(shè)置裝有壓實(shí)度較低的松散填料減載孔，并對(duì)減載孔兩側(cè)的土體進(jìn)行分層壓實(shí)，此外，通過(guò)在減載孔上方鋪設(shè)土工格柵，格柵在上部土體的沉降過(guò)程中發(fā)生向下的撓曲變形，土工格柵需要鋪設(shè)多層，格柵兩端分別錨固于減載孔外側(cè)密實(shí)度較高的填土中，形成加筋橋，各層格柵間的填土采用路基開(kāi)挖的原位土填筑，最大粒徑不大于0.6 倍格柵間距，壓實(shí)度和壓實(shí)方法與周圍土體相同。此時(shí)，涵頂部分荷載將通過(guò)格柵的拉力傳遞給減載孔兩側(cè)的土體，由于涵洞上方的土體沉降量大于周圍土體的壓縮量，從而產(chǎn)生一個(gè)向下的相對(duì)位移，導(dǎo)致周圍土體給涵洞上方土體提供了一個(gè)向上的摩擦力，以抵消該部分土體的自重荷載，減小涵頂土壓力，該過(guò)程中鋪設(shè)的格柵有利于控制由松散填料壓縮量過(guò)大造成的上部路堤的不均勻沉降，避免引起路面結(jié)構(gòu)的破壞。

這種減載技術(shù)雖然能對(duì)高填方涵洞地基起到一定的加固保護(hù)作用，但是也存在自身的缺陷，首先就是涵洞受力及變形特性受復(fù)雜地質(zhì)影響大，涵洞受力不對(duì)稱，易引起涵洞涵頂與墻身分離開(kāi)裂，涵頂加筋減載效果有限，涵頂開(kāi)裂現(xiàn)象仍然存在，且該方案容易將涵頂荷載轉(zhuǎn)移至側(cè)墻，使得涵洞側(cè)墻開(kāi)裂現(xiàn)象有所增加;

3.3 注漿加筋技術(shù)

為了有效克服原有普通減載措施的以下不足，減少涵洞上側(cè)的負(fù)荷條件，降低涵體所受到的土壓力，并涵洞的受力進(jìn)行優(yōu)化，讓涵體的受力更加合理，本文針對(duì)性的提出了一種涵洞注漿加筋減載方法。注漿加筋減載方法在原有加筋減載方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)涵周填筑碎石并注漿來(lái)提高涵側(cè)土體剛度，注漿加筋減載結(jié)構(gòu)由加固區(qū)、筋材、碎石墊層和減載孔組成，加固區(qū)位于涵洞的兩側(cè)，減載孔位于涵頂?shù)恼戏剑畈暮退槭瘔|層位于減載孔上方。加固區(qū)、筋材、碎石墊層和減載孔組成一個(gè)減載體系，通過(guò)加固區(qū)上填土的土拱效應(yīng)和筋材的張拉膜效應(yīng)，使大部分填土荷載傳遞至加固區(qū)，并沿加固區(qū)傳遞至地基。

(1)柵格強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)涵洞進(jìn)行注漿加固結(jié)合加筋減載時(shí)所采用的格柵剛度對(duì)減載效果的影響進(jìn)行了算分析可知，不同格柵剛度下涵頂土壓力分布和拱圈內(nèi)力分布相差不大。一般情況下，隨著格柵剛度的增大，涵頂土壓力變化不大。例如，格柵剛度從10kN/m 增大到5000kN/m，涵頂土壓力大約增大2kPa，增幅只有0.9%左右。由此可知，在選取格柵時(shí)，可以不以減載效果作為格柵剛度的確定依據(jù)，而根據(jù)格柵變形要求來(lái)選擇剛度合適的格柵。

(2)注漿區(qū)模量。隨著注漿區(qū)模量的增加，涵頂最大土壓力和拱圈最大軸力都將逐漸減小。例如，注漿區(qū)模量從10MPa 增大到150MPa，涵頂土壓力減幅約為11%，而拱圈最大軸力減幅約16%。當(dāng)注漿區(qū)模量達(dá)到一定數(shù)量以后，注漿區(qū)模量的提高將對(duì)涵頂土壓力和拱圈最大軸力的影響都將變的很小。但是初始階段隨著注漿區(qū)模量的增加，拱圈最大剪力和拱圈最大彎矩都將急劇減小，減幅可達(dá)23%

綜上可知，隨著注漿區(qū)模量的增大，總體上涵頂土壓力及拱圈內(nèi)力均呈減小趨勢(shì)，并最終趨于穩(wěn)定，當(dāng)注漿區(qū)模量達(dá)到一定范圍后，涵頂土壓力和拱圈的內(nèi)力達(dá)到較小值，進(jìn)一步提高注漿區(qū)模量對(duì)涵頂土壓力和拱圈內(nèi)力的減小并不明顯，因此在對(duì)注漿區(qū)進(jìn)行換填或加固時(shí)，注漿區(qū)的模量達(dá)到一定量時(shí)即可獲得較好的減載效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)山區(qū)高速公路高填方涵洞的地基處理技術(shù)進(jìn)行了探討和研究，主要對(duì)當(dāng)前常用高填方涵洞地處處理技術(shù)進(jìn)行了介紹，對(duì)加筋減載技術(shù)做了分析說(shuō)明，指出了當(dāng)前處理高填方涵洞方法的不足和常遇到的一些問(wèn)題。最后通過(guò)對(duì)注漿加筋技術(shù)的介紹，指出通過(guò)在注漿加固區(qū)頂部鋪設(shè)土工格柵能夠進(jìn)一步降低涵頂土壓力和拱圈內(nèi)力，且在選擇格柵時(shí)，可不考慮剛度對(duì)減載效果的影響，只需格柵剛度滿足格柵抗拉和變形要求。而在對(duì)注漿區(qū)進(jìn)行換填或加固時(shí)，適當(dāng)提高注漿區(qū)的模量至一定量時(shí)即能獲得較好的減載效果。本文的研究成果具有一定的理論意義和實(shí)際價(jià)值，可為工程設(shè)計(jì)提供參考。

［1］鄭俊杰，馬強(qiáng)，陳保國(guó).高填方涵洞地基承載力分析［J］.華中科技大學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2009，37(4):115-118.

［2］楊錫武，張永興.山區(qū)公路高填方涵洞加筋橋減載方法及其設(shè)計(jì)理論研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(9):1561-1571.

［3］Garg A K，Abolmaali A，F(xiàn)ernandez R.Experimental Investigation of shear capacity of precast reinforced concrete box culverts.Journal of Bridge ngineering，2007，12(4):511-517.