高填方涵洞結構設計初探

吳桂蘭，遲守旭

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

1 引言

山區修建渠道時，常常在跨越洪溝處修建涵洞排泄洪水，其中高填方涵洞占有相當大的比例。傳統的設計思路露出很多不足，并可能出現下列問題：①垂直土壓力過大，引起軸向開裂；②斷面設計不合理，經驗配筋過多；③涵洞采用大體積混凝土澆筑易開裂；④垂直土壓力計算過大，導致對地基承載力的要求高；⑤容易發生地基不均勻沉降。在實際工作基礎上，針對高埋深涵洞設計中經常出現的一些問題，提出了初步的解決思路，并給出了相應的工程處理措施。

2 涵洞的受力分析

涵洞結構設計的控制荷載是垂直土壓力。作用于涵洞上的垂直土壓力大小不僅取決于填土高度，還與涵洞的埋置方式有關。涵洞埋置方式主要有上埋式和溝埋式2種，見圖1-2。上埋式涵洞兩側填土的可壓縮性較剛性管本身的可壓縮性大得多，而且涵洞兩側的填土厚度也大于管頂填土厚度，其壓縮變形大于涵洞頂部土體的壓縮變形，兩側填土對洞頂填土產生下拉的剪切應力。故涵洞承受的壓力大于其上覆土的自重，巨大的壓力容易使涵洞混凝土開裂、破壞。溝埋式覆土壓縮變形受兩側土體向上的剪切力作用，故涵洞承受的壓力小于其上覆土的自重。綜上所述，溝埋式比上埋式理想。

圖1 上埋式

圖2 溝埋式

垂直土壓力計算方法，主要有公式法和有限元法2種。采用公式法計算時，雖然影響涵洞土壓力的因素很多，但各種因素變化最終都將引起涵頂平面內土柱與平面外土柱間的沉降差（δ），各種土壓力的計算推導均可歸結為對土柱沉降的分析和研究。若以土壓力集中系數表示，不同計算公式最終可簡化為：

式中：σ為土體實力；Kz為土應力集中系數；γ為填土容重；H為填土高度。

當涵頂面內土柱沉降大于面外土柱沉降（σ＜0）時，將產生土拱作用，涵洞實際承受的垂直土壓力將小于土柱重量，此時Kz＜1；反之（σ＞0）時，則產生應力集中，Kz＞1；當面內外土柱沉降相等（σ=0）時，則Kz=1。為此，在涵洞設計時，首先應根據場地地形條件、地基的地質條件、地基處理方法、結構本身特性及填土土質和施工工藝等因素，定性確定涵洞平面內與平面外土柱間的沉降差的正負，從而判斷Kz＞1、＜1或=1。

3 高埋深涵洞設計的特殊性

高埋深涵洞由于上覆土層厚度大，垂直土壓力大，巨大的壓力容易使混凝土開裂、破壞。上覆土層厚度大，對地基承載力的要求也高，而且容易發生不均勻沉降，導致涵內積水甚至裂縫，嚴重影響了涵洞的正常使用。由此可見，在設計高埋深涵洞時，如何有效地減小涵洞上的垂直土壓力，提高地基承載力，避免不均勻沉降是首要解決的問題。

4 高埋深涵洞設計采取措施

4.1 降低填土高度

從涵洞頂作用的垂直土壓力計算公式（1）可以看出，要減小垂直土壓力（σ），可以通過減小埋設深度（H）來實現。通常在布設涵洞時，都考慮布置在溝沖刷最深的地方。實際上，把涵洞布置在溝坡上，將大大地縮短涵洞的長度，降低工程造價。雖然這樣布置進、出口需要進行相應的處理，進口應將原溝底填起至洞口設計標高，出口應砌槽將水引至原溝。因此，需增加征地。但山溝中多為雜木，填起后亦可恢復植被，對周圍環境影響較小。

4.2 用“擬溝法”減小涵頂荷載

根據涵洞垂直荷載分析，溝埋式比較合理。但是，很多高埋深隧洞都只能采取上埋式，可以通過工程措施使上埋式涵洞產生溝埋式的荷載效果。

在涵頂埋高壓縮性材料，其變形減小涵洞兩側土體對涵頂覆土的相對變形，從而減小垂直土壓力，這就是擬溝法使上埋式涵洞產生溝埋式涵洞的效果。

4.3 減輕土體自重

在涵頂換填比較輕的材料，減小涵頂填土容重。

4.4 利用涵洞基礎兩側地基共同分擔壓力

涵洞上方一定高度和寬度范圍內用比周圍填土壓實度低的土填筑，形成一個內松外實的軟弱土區域，然后在此區域內設置鋼筋，鋼筋上鋪設土工布等。鋼筋兩端錨固在周圍高壓實度的密實土體內，通過軟弱土區域內較軟弱土體與其周圍密實土體的沉降差，使區域上方鋼筋在涵頂填土壓力作用下產生下撓，通過鋼筋的錨固作用與被動受力，把涵頂垂直土壓力荷載傳遞到涵臺外側的密實土體上，達到減小涵頂土壓力的減載目的。

4.5 使用整體式基礎暗蓋板涵

高填方涵洞對地基承載力要求很高，涵洞自身應力也比較大，涵洞基礎在采用整體式基礎時可提高基底承載能力，減少基底內部應力。

整體式基礎涵洞的結構型式：整體式基礎與臺墻固結，形成倒門式框架，蓋板與涵臺采用錨拴連接，板端與涵臺背墻間采用高標號砂漿填塞、頂緊，使蓋板與涵臺、基礎形成封閉的框架結構。這種結構整體受力，非常相似于箱涵，但又與之有所區別，其差別在于整體式基礎蓋板涵的基礎采用完全剛性基礎，涵臺剛度也較大，涵洞整體結構實際接近一個矩形鋼架，涵身與基礎沿涵軸方向每2～3 m設置一道沉降縫，其2～3 m的涵身及基礎自成體系，近似為剛性管節，當地基承載力較低（150～250 kPa）時，涵節之間可發生相對沉降，但每個涵節由于是剛性結構，故涵節發生沉降變形后不會產生橫涵向裂縫破壞。

4.6 提高地基承載力的措施

若在采取上述工程措施減小垂直土壓力后地基承載力仍不滿足設計要求，可根據實際地質情況和施工條件，采用強夯、基礎置換、基礎灌漿、樁基礎等措施，提高地基承載力。

4.7 增設沉降縫

在涵頂垂直土壓力有變化的地方設沉降縫，可以防止由于垂直壓力引起的不均勻沉降而導致涵洞結構破壞。

5 結語

深埋涵洞的破壞，主要表現為涵洞開裂、漏水、局部塌陷等。由于深埋涵洞填土較高，其加固和修補往往具有較大難度。所以，在設計時要充分考慮其特殊性，采取有效的工程措施，盡量避免由于垂直土壓力、地基承載力、不均勻沉降等引起的涵洞破壞。