顧 海 榮

(江蘇省送變電公司，江蘇 南京 211102)

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軟土地基涵洞兩側(cè)填土對(duì)洞身基底應(yīng)力影響分析

顧 海 榮

(江蘇省送變電公司，江蘇 南京 211102)

介紹了現(xiàn)有溝埋式涵洞頂部土壓力理論計(jì)算方法，并探討了軟土地基中考慮涵洞洞身兩側(cè)回填土體影響后的基底應(yīng)力計(jì)算方法，指出溝埋式涵洞設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮涵洞兩側(cè)回填土體附加應(yīng)力對(duì)基底應(yīng)力的影響。

軟土地基，溝埋式涵洞，回填土，基底應(yīng)力

0 引言

涵洞是電力、水利、鐵路、公路工程項(xiàng)目中一種常用的構(gòu)筑物，按埋置方式有溝埋式、填埋式和隧洞式，在電力工程中又常根據(jù)埋置深度分高涵、低涵。涵洞的施工方案均采用明挖形式。通常認(rèn)為涵洞頂部的垂直土壓力是涵洞地基處理、結(jié)構(gòu)計(jì)算中的主要荷載。確定洞頂?shù)拇怪焙奢d公式較多，但均沒有成熟的理論。在一些軟土基礎(chǔ)上，由于承載力要求，通常對(duì)洞身基礎(chǔ)范圍內(nèi)地基進(jìn)行處理，處理方式通常采用剛性樁基礎(chǔ)或復(fù)合地基，而又由于基礎(chǔ)處理過程中施工機(jī)械要求，涵洞基底開挖寬度要遠(yuǎn)大于洞身斷面尺寸，而為滿足新填土與原堤(壩)身相接要求，兩側(cè)邊坡開挖坡比通常不能陡于1∶3，這樣，整個(gè)開挖就是一個(gè)大的倒梯形斷面，開挖斷面相比洞身斷面而言，往往是幾倍甚至幾十倍的關(guān)系。在軟土地基上，涵洞兩側(cè)填土的沉降會(huì)對(duì)涵洞的基底應(yīng)力及沉降產(chǎn)生不利影響。

1 現(xiàn)有溝埋式涵洞頂部土壓力理論計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[1],對(duì)于夯實(shí)良好的土，當(dāng)溝槽為梯形斷面時(shí)，作用于溝埋式涵洞單位長度洞頂?shù)拇怪蓖翂毫Σ捎檬?1)計(jì)算：

(1)

其中，B1為涵洞寬度；B0為洞頂處槽寬；Hd為洞頂距地面深度或填土高度；Kg為垂直土壓力系數(shù)，依據(jù)填土類型和參數(shù)Hd/B1查表求得，對(duì)于松散砂類土或軟土，取值為0.5～1.0，對(duì)于基巖，取值為0.4～1.0。

對(duì)于溝槽過寬時(shí)，若按式(1)計(jì)算的垂直土壓力大于上埋式的計(jì)算值時(shí)，則應(yīng)按上埋式式(2)計(jì)算：

q=KgγHd

(2)

其中，Kg為垂直土壓力系數(shù)，對(duì)于松散砂類土或軟土，取值為1.0，對(duì)于基巖，取值為1.42～1.0。

現(xiàn)行《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)上埋式埋管的土壓力計(jì)算

做了如下規(guī)定:作用在單位長度埋管上的垂直土壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按式(3)計(jì)算：

Fsk=KγHD

(3)

其中，F(xiàn)sk為埋管垂直土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m;K為埋管垂直土壓力系數(shù)，與地基剛度有關(guān)，可根據(jù)地基類別查??；γ為填土的重度，kN/m3；H為埋管以上填土高度，m；D為埋管外直徑，m。

2 軟土地基中考慮涵洞洞身兩側(cè)回填土體影響后的基底應(yīng)力計(jì)算

對(duì)于軟土地基，為滿足承載力的需求，需對(duì)地基進(jìn)行加固處理，加固區(qū)剛度比較大，洞身范圍以外為天然地基，在土體回填過程中，在涵洞兩側(cè)回填土以及上部回填土自重等荷載的作用下，發(fā)生沉降變形，涵洞基礎(chǔ)范圍內(nèi)沉降量小于涵管兩側(cè)地基的沉陷量，導(dǎo)致頂部填土與側(cè)填土的沉降不同，箱涵基礎(chǔ)與兩側(cè)地基之間的沉降差，使得箱涵除了承受頂部填土的自重外，還承受由于側(cè)填土沉降大于頂部填土沉降而產(chǎn)生的向下的摩擦力，該摩阻力使涵洞頂部產(chǎn)生土壓力集中現(xiàn)象，因而涵洞頂垂直土壓力大于同高度土柱自重。

文獻(xiàn)[3]依據(jù)Marston-Spangler理論的基本原理，將涵洞頂土壓力分為洞頂土體自重應(yīng)力和兩側(cè)填土對(duì)洞頂產(chǎn)生的附加應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)涵洞為完全剛性，建立簡化計(jì)算模型，取單位長度進(jìn)行討論，涵洞高寬比h/D=1。計(jì)算簡圖見圖1，根據(jù)微元沿垂直方向的力的平衡，列平衡方程。

(4)

將式(4)化簡得：

(5)

解此微分方程得：

(6)

由h1=0，q1=0的邊界條件確定常數(shù)C，得：

(7)

作用于土體上的附加土壓力為：

(8)

涵洞頂部總土壓力為P1=DHγ+F1。

根據(jù)前述計(jì)算公式，涵洞洞頂?shù)拇怪蓖翂毫Σ粌H與填土高度、基底寬度、地基剛度及填土性質(zhì)有關(guān)，而且與洞身兩側(cè)填土產(chǎn)生的附加應(yīng)力有關(guān)，根據(jù)筆者多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于地基均勻，剛度較大的地基，天然地基承載力能夠滿足設(shè)計(jì)要求的情況，采用荷載規(guī)范推薦的公式進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)論與實(shí)際情況基本相符。但對(duì)于部分軟土地基，如果在涵洞基礎(chǔ)處理、結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，忽略洞身兩則回填土所產(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)洞身的影響，往往會(huì)導(dǎo)致工程的失敗。

3 某軟土地基上涵洞兩側(cè)回填土體附加應(yīng)力對(duì)基底應(yīng)力影響分析

導(dǎo)致以上地下連續(xù)墻墻面露筋事故的原因較為復(fù)雜，總體可以分為地質(zhì)條件原因、場地環(huán)境原因、施工技術(shù)原因等。收集所研究車站現(xiàn)場的各項(xiàng)施工相關(guān)數(shù)據(jù)，包括：泥漿參數(shù)(配合比、物理性質(zhì))、混凝土參數(shù)(配合比、充盈系數(shù))、成槽機(jī)械設(shè)備、成槽施工速度、導(dǎo)墻參數(shù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比等，研究各種因素對(duì)地下連續(xù)墻露筋事故產(chǎn)生的影響。

3.1 工程概況

該工程位于長江江堤上，為一自排低涵，洞身采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，孔口尺寸2m×2m，洞身縱剖面圖如圖2所示。

根據(jù)原地質(zhì)勘察結(jié)果，涵洞基礎(chǔ)持力層為②層淤泥質(zhì)軟土層，承載力特征值為60kPa～80kPa，基礎(chǔ)以下層厚12.80m～13.80m，Es=3.3MPa。

根據(jù)原施工圖設(shè)計(jì)成果，在未考慮原涵洞兩側(cè)回填土體附加應(yīng)力影響下，涵洞基底最大應(yīng)力為144.7kPa，基礎(chǔ)處理采用水泥土攪拌樁處理，樁距為1.0m，方形布置，樁徑0.5m，樁底高程-15m，樁身水泥摻量為15%。加固后地基承載力及最大沉降量和沉降差能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

工程于2002年11月開工建設(shè)，2003年8月完工，工程投入運(yùn)行后，洞身沉降一直增加，到2012年由于沉降量過大，涵洞出口閘門已無法啟閉，根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果，涵洞最大沉降量為908mm，最大沉降差375mm，2012年，工程徹底報(bào)廢。

3.2 附加應(yīng)力計(jì)算

涵洞基底應(yīng)力分析，根據(jù)原設(shè)計(jì)成果，涵洞洞身加固區(qū)范圍內(nèi)地基承載由80kPa提高到140kPa，加固區(qū)土體壓縮模量由3.3MPa提高到28MPa，但洞身兩側(cè)土體回填在天然地基上，根據(jù)計(jì)算，涵洞底寬2.8m，基底開挖寬度6m，取回填土自重γ=18kN/m3，c=5kPa,φ=25°,泊松比μ=0.30，對(duì)應(yīng)于不同高度的填土，附加應(yīng)力及自重應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 涵洞基底應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，兩側(cè)填土沉降對(duì)涵洞頂部產(chǎn)生的附加應(yīng)力大于洞頂土柱產(chǎn)生的自重應(yīng)力，總應(yīng)力增加1倍多，原水泥樁地基處理方案不能滿足承載力要求。

4 結(jié)語

在軟土基礎(chǔ)上，涵洞兩側(cè)填土較高對(duì)涵洞基底應(yīng)力影響較大，在通常設(shè)計(jì)中，如果單純考慮涵洞頂部回填土的影響，而忽略兩側(cè)填土對(duì)洞頂土體產(chǎn)生的附加應(yīng)力，往往會(huì)導(dǎo)致工程的失敗。

[1] 管楓年,洪仁濟(jì).涵洞[M].第2版.北京:水利電力出版社,1989:35-47.

[2]DL5077—1997，水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 李永剛,李 珠,張善元.矩形溝埋涵洞頂部垂直土壓力[J].工程力學(xué),2008(1):155-160.

[4]GB50217—2007，電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

On influence of soft soil foundation culvert’s two-side filler on tunnel base stress

Gu Hairong

(JiangsuPowerTransmissionandDistributionCompany,Nanjing211102,China)

The paper introduces the calculation method of the buried culvert top soil pressure, explores the base stress calculation methods by considering the culvert two-side refilling of the soft soil foundation, and points out the influence of the added stress of the culvert two-side refilling on the base stress should be considered in the buried convert design process.

soft soil foundation, buried culvert, refilling, base stress

1009-6825(2016)31-0076-02

2016-08-27

顧海榮(1975- )，男，碩士，高級(jí)工程師，注冊(cè)一級(jí)建造師

TU447

A