廖若超

（梅州市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 梅州 514021）

0 引言

涵洞是路基中常見(jiàn)的一種結(jié)構(gòu)物，一般用于過(guò)人、過(guò)水或者連接道路兩旁交通[1]。根據(jù)不同的用處，涵洞被分為不同的形式，最常見(jiàn)的是蓋板涵，施工方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多用于過(guò)人；其次是箱涵，當(dāng)跨徑較小時(shí)，采用現(xiàn)澆箱涵最為經(jīng)濟(jì)，當(dāng)箱涵要從已有道路或鐵路下方穿越時(shí)，多采取箱涵頂進(jìn)的技術(shù)；最后是圓管涵和拱涵，二者多用于山區(qū)路基排水。拱涵的好處在于沒(méi)有頂板與側(cè)墻的直角轉(zhuǎn)角，應(yīng)力集中不明顯[2]。

涵洞作為路基的一部分，常常會(huì)因?yàn)楹斏喜刻钔吝^(guò)高而開(kāi)裂[3]。因此針對(duì)高填方路基涵洞有越來(lái)越多的專家學(xué)者研究其減載措施，比如鋪設(shè)EPS 板或柔性材料，增加涵頂沉降來(lái)降低涵頂內(nèi)外土柱沉降差，從而降低涵頂上部土壓力[4]。以汕汾高速公路潮州互通立交至徑南工業(yè)園連接線道路新建工程K4+138 的高填方拱涵為例，研究高填方拱涵的結(jié)構(gòu)特性，并介紹拱涵上部填土的施工要點(diǎn)。

1 涵洞病害

涵洞一直以來(lái)都有“十涵九裂”的說(shuō)法，最常見(jiàn)的病害是開(kāi)裂，表1總結(jié)了常見(jiàn)的涵洞病害。

表1 涵洞常見(jiàn)病害

2 工程概況

以汕汾高速公路潮州互通立交至徑南工業(yè)園連接線道路新建工程K4+138 高填方鋼筋混凝土拱涵為例，設(shè)計(jì)資料如下：

第一，該道路中所設(shè)置的拱涵為過(guò)水涵洞，根據(jù)工程地質(zhì)資料，將拱涵設(shè)計(jì)為無(wú)壓力式拱涵，洞口為八字翼墻；涵洞上部填土22～23m，屬于高填方涵洞。圖1為拱涵設(shè)計(jì)立面圖。

圖1 高填方拱涵設(shè)計(jì)立面圖

第二，拱涵位于一側(cè)山谷一側(cè)平原的地形中，因此在設(shè)計(jì)時(shí)按照偏心構(gòu)件配筋，并根據(jù)規(guī)范要求驗(yàn)算拱涵在正常使用和極限狀態(tài)下的承載力、裂縫要求、最小配筋率等。

第三，涵身荷載包括涵頂恒載和車輛荷載。涵頂恒載以涵頂填土的自重應(yīng)力為主，填土統(tǒng)一按照新填土計(jì)算自重。計(jì)算涵洞豎向壓力時(shí)，在填土自重的基礎(chǔ)上乘以土壓力系數(shù)。若僅以填土自重作為豎向土壓力，在使用過(guò)程中，涵頂?shù)膶?shí)際荷載要超過(guò)土的自重，是因?yàn)樘钔僚c涵洞之間存在相互作用力。在計(jì)算水平土壓力時(shí)，也要乘以橫向土壓力系數(shù)。土的自重γ=19kN/m3，內(nèi)摩擦角ψ=35o，道路上的汽車荷載，以車輪為基點(diǎn)，按照30o角向下擴(kuò)散。對(duì)于低填方涵洞，車輛荷載對(duì)涵洞的結(jié)構(gòu)受力有顯著的影響，而對(duì)于高填方涵洞，涵洞上部填土荷載已經(jīng)足夠大，加之車輛荷載擴(kuò)散到拱頂非常小。因此，在計(jì)算高填方拱涵的涵周壓力時(shí)，只考慮豎向土壓力、水平土壓力，不考慮汽車荷載對(duì)拱涵結(jié)構(gòu)的影響。

第四，采用“m”法計(jì)算彈性地基作用效應(yīng)，該工程設(shè)計(jì)取m=80000kN/m4。

3 拱涵的承載特性

3.1 拱涵的沉降分布曲線

如圖2所示，根據(jù)填土的相對(duì)位置可將拱涵上方填土可分為內(nèi)土柱和外土柱，在拱涵跨度范圍內(nèi)的涵頂上方填土稱為內(nèi)土柱，拱涵跨度范圍以外的其他填土稱為外土柱。拱涵內(nèi)土柱與外土柱的差值即為沉降差。沉降不均勻也會(huì)導(dǎo)致拱涵出現(xiàn)病害。拱涵是鋼筋混凝土材料，剛度較大，屬于地基的一部分，因此地基產(chǎn)生沉降時(shí)，拱涵上部土體的沉降較小，而拱涵以外的土體剛度比拱涵小，因此沉降會(huì)大于拱涵頂部的土體沉降。

這種地基剛度的不均勻，會(huì)使涵頂土體沉降速率慢，涵周土體沉降快，內(nèi)土柱與外土柱之間存在摩阻力，外土柱對(duì)內(nèi)土柱產(chǎn)生向下的摩阻力，相當(dāng)于增加了涵頂土壓力。因此，涵洞上方經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂縫的原因是：在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，涵頂荷載包括涵頂土體自重和汽車荷載，沒(méi)有考慮土體與涵洞之間的相互作用，導(dǎo)致涵洞實(shí)際承受的荷載大于設(shè)計(jì)值。

目前，越來(lái)越多的專家和學(xué)者意識(shí)到此問(wèn)題，在計(jì)算荷載時(shí)要考慮土體與涵洞之間的相互作用，因此，在新版《公路高填方涵洞設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/ T 3365-02—2020)）中規(guī)定了涵頂填土自重的計(jì)算方式。但涵洞與土體之間的相互作用非常復(fù)雜，不同性質(zhì)的土體與涵洞之間的相互作用也差別較大。因此，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)要充分考慮不同地區(qū)的地質(zhì)情況，可以先進(jìn)行建模模擬。

圖2中，等沉面代表了當(dāng)內(nèi)外土柱差到達(dá)一定高度后，就不再存在，內(nèi)外土柱沉降將一致，到路基頂面不再出現(xiàn)不均勻沉降?？梢钥闯觯?dāng)涵頂填土足夠高時(shí)，等沉面一定會(huì)出現(xiàn)，所以在設(shè)計(jì)高填方涵洞時(shí)，可以忽略不均勻沉降對(duì)路基帶來(lái)的影響。

圖2 拱涵內(nèi)外土柱和等沉面示意圖

3.2 拱涵涵周土壓力

拱涵不同于其他涵型，蓋板涵上部為平板，邊角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致開(kāi)裂或其他病害。而拱涵的拱結(jié)構(gòu)可以緩解此問(wèn)題，不會(huì)存在邊角應(yīng)力集中。圖3為拱涵的涵周土壓力包絡(luò)圖，包括涵頂土壓力、涵側(cè)土壓力、涵底土壓力。從圖中可以看出，涵頂土壓力呈“倒v 型”，拱頂處土壓力最大，越往外土壓力越小。為了更好地解釋這一現(xiàn)象，我國(guó)著名的學(xué)者顧安全教授提出了“顧安全公式”，將涵洞看作倒置的地基。如此一來(lái)，與剛性地基的受力情況一致，如圖4所示。

圖3 高填方拱涵涵周土壓力分布示意圖

圖4 基底土壓力分布

涵洞涵側(cè)土壓力并非呈線性分布，在側(cè)墻的上端和下端，由于涵洞頂板和底板有支撐作用，剛度大于側(cè)墻中間部分，在水平土壓力的作用下，側(cè)墻中間出現(xiàn)撓曲變形，水平土壓力出現(xiàn)卸拱效應(yīng)，從而導(dǎo)致中間水平土壓力最小，這是因?yàn)椋旱谝?，涵洞基礎(chǔ)和底板的厚度大于涵頂，底板的剛度大于涵頂，底板在水平土壓力作用下的壓縮變形量小于頂板，導(dǎo)致最小水平土壓力上移；第二，受土層自重的影響，水平土壓力隨土層深度逐漸遞增，但拱涵的側(cè)墻厚度隨著深度的增大逐漸變厚，產(chǎn)生的變形越小，因此對(duì)應(yīng)的水平土壓力也越小。涵底土壓力呈“中間小，兩邊大”的形態(tài)，拱涵基礎(chǔ)兩端剛度大，出現(xiàn)了應(yīng)力集中。

4 高填方拱涵施工要點(diǎn)

拱涵的剛度遠(yuǎn)大于地基土，在施工時(shí)要注意填土的壓實(shí)以及拱涵的施工位置。以下是拱涵的施工要點(diǎn)：

第一，拱涵在下放時(shí)要檢查下方位置與進(jìn)口的標(biāo)高及角度，若與實(shí)際的溝渠標(biāo)高差異過(guò)大，則需要重新標(biāo)注。

第二，拱涵上方要設(shè)置上拱度，上拱度的設(shè)置分兩種情況：高填方、跨徑大且長(zhǎng)的拱涵需要計(jì)算上拱度；除此以外的拱涵不需要計(jì)算，按照拱涵所處的位置選擇合適的上拱度即可。上拱度的設(shè)置規(guī)則如表2所示，表中H 為路線中心線處自涵洞流水槽至路面頂面的高度，單位為mm。

表2 上拱度的設(shè)置規(guī)定

第三，拱涵的制作方式分為預(yù)制和現(xiàn)澆，一般拱圈是預(yù)制，底板為現(xiàn)澆?，F(xiàn)澆底板可以讓基礎(chǔ)與拱涵更好地連接。當(dāng)采取現(xiàn)澆的方式對(duì)拱涵進(jìn)行制作時(shí)，要注意混凝土的澆筑流程，將基礎(chǔ)與涵臺(tái)身一起澆筑，保證拱涵的整體性。另外，澆筑拱涵所用的混凝土達(dá)到地基承載力容許值后才能拆除模板，開(kāi)展下一步施工。這是因?yàn)楣昂瓕儆诘鼗囊徊糠?，為隱蔽工程，一旦強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到地基承載力容許值，上部路基的強(qiáng)度就會(huì)受到影響。

第四，涵洞的縱向長(zhǎng)度一般大于路面寬度，尤其是高填方拱涵，會(huì)在路基兩側(cè)放坡，增加拱涵的長(zhǎng)度。路基不均勻沉降是高填方路基的常見(jiàn)病害，而拱涵作為剛性基礎(chǔ)，出現(xiàn)不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致拱涵開(kāi)裂。因此在實(shí)際工程中，每隔4～6m 會(huì)設(shè)置沉降縫，沉降縫貫穿整個(gè)路基縱斷面，沉降縫的寬度大約2cm。沉降縫的設(shè)置有兩個(gè)好處：一是防止不均勻沉降，損壞拱涵結(jié)構(gòu)；二是方便施工，涵身過(guò)長(zhǎng)既不方便運(yùn)輸，也不便于澆筑。但根據(jù)地基情況的不同，也可以不設(shè)沉降縫，表3為沉降縫的設(shè)置規(guī)定。

表3 沉降縫的設(shè)置規(guī)定

沉降縫的施工也尤其重要。為了避免有填料和水進(jìn)入拱涵內(nèi)，表4中描述了不同位置的沉降縫防水措施。

表4 拱涵不同位置的防水措施

第五，八字翼墻與涵身間的沉降縫可于澆筑翼墻混凝土?xí)r，在涵身端面敷設(shè)數(shù)層瀝青和油氈而形成（厚度1～2cm）。

第六，涵洞施工完成后，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%時(shí)，方可進(jìn)行涵洞涵身兩側(cè)的回填。涵身兩側(cè)的墻背填土要求嚴(yán)格夯實(shí)，以防止涵洞與路基之間的路面因填土沉陷而影響行車。洞身兩側(cè)填土應(yīng)嚴(yán)格對(duì)稱均衡，水平分層夯實(shí)，其每側(cè)長(zhǎng)度不應(yīng)小于洞身兩側(cè)填土高度的一倍，壓實(shí)度不小于96%。涵洞兩側(cè)緊靠涵臺(tái)部分的回填土不宜采用大型機(jī)械進(jìn)行壓實(shí)施工，宜采用人工配合小型機(jī)械的方法。拱涵上部土體壓實(shí)也需要符合相關(guān)規(guī)定，圖5為填土壓實(shí)范圍及相應(yīng)部位需要的機(jī)具[5]。

圖5 拱涵填土壓實(shí)范圍

第七，高速公路、一級(jí)公路、二級(jí)公路路堤與涵洞連接處應(yīng)設(shè)置過(guò)渡段，其長(zhǎng)度宜按2～3 倍路基填土高度確定；路基壓實(shí)度不應(yīng)小于96%。

5 結(jié)論

以汕汾高速公路潮州互通立交至徑南工業(yè)園連接線道路新建工程K4+138 的高填方拱涵為例，探討了拱涵在設(shè)計(jì)和施工時(shí)的要點(diǎn)，并分析了高填方拱涵的受力特點(diǎn)，得出以下結(jié)論：

第一，計(jì)算高填方拱涵的涵周壓力時(shí)，只考慮豎向土壓力、水平土壓力，不考慮汽車荷載對(duì)拱涵結(jié)構(gòu)的影響。

第二，拱涵剛度較大，屬于地基的一部分，因此地基產(chǎn)生沉降時(shí)，拱涵上部土體的沉降較小。而拱涵以外的土體剛度比拱涵小，因此沉降會(huì)大于拱涵頂部的土體沉降。

第三，涵頂土壓力，拱頂處土壓力最大，越往外，土壓力越小；涵底土壓力則呈現(xiàn)出“中間小，兩邊大”的形態(tài)。

涵洞最主要的病害就是開(kāi)裂。高填方涵洞雖然不考慮汽車荷載的影響，但上覆填土自重卻非常大，因此，對(duì)于高填方涵洞，關(guān)鍵的問(wèn)題就是解決上部荷載過(guò)大。在考慮總體工程造價(jià)合理的情況下，有的路基涵洞四周土方回填可以采用輕質(zhì)土回填，起到減少一部分自重的作用；還有的路基可以采取涵頂減荷措施。隨著我國(guó)對(duì)科研的支持，相信“十涵九裂”的問(wèn)題將很快被攻克。