高填土蓋板涵壓裂加固設(shè)計(jì)

王恭興

中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014

0 引 言

蓋板涵因施工工藝簡(jiǎn)單，維修容易，相對(duì)于箱涵造價(jià)較低等諸多優(yōu)點(diǎn)，在全國(guó)范圍內(nèi)得到了普遍應(yīng)用.隨著山區(qū)等級(jí)公路和鄉(xiāng)鄉(xiāng)通公路的大量修建，因填土過高導(dǎo)致蓋板涵出現(xiàn)壓裂破壞的情況時(shí)有發(fā)生，根據(jù)調(diào)查資料表明，運(yùn)營(yíng)中的蓋板涵約63%出現(xiàn)裂縫，蓋板涵填土愈高，涵洞凸出地面的高度愈大，跨度愈大，則開裂的比例越大.針對(duì)蓋板涵開裂問題，國(guó)內(nèi)外主要從涵洞土壓力計(jì)算理論、防止涵洞開裂措施、涵洞減載措施和加固措施4個(gè)方面進(jìn)行研究[1-8].通過選取適當(dāng)?shù)耐翂毫τ?jì)算方法，提高涵洞施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改善涵洞與兩側(cè)填土剛度之間對(duì)比和開裂破壞后的加固措施來解決涵洞開裂問題.由于山區(qū)特殊的地形及地質(zhì)環(huán)境，高填土涵洞開裂后及時(shí)采取安全、經(jīng)濟(jì)、有效的加固措施能直接影響山區(qū)公路建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.因此，涵洞壓裂加固設(shè)計(jì)具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與實(shí)際意義.通過對(duì)水電站庫區(qū)某汽車便道三道蓋板涵因涵頂實(shí)際覆土較高而出現(xiàn)不同程度的涵臺(tái)變形、開裂問題，就加固設(shè)計(jì)方案和施工注意事項(xiàng)等作簡(jiǎn)要介紹.

1 加固設(shè)計(jì)方案

水電站庫區(qū)某汽車便道在路基施工作業(yè)已完成，進(jìn)入路面施工階段時(shí)，在汛期前例行檢查發(fā)現(xiàn)有三道高填土路堤蓋板涵出現(xiàn)墻體開裂和變形，漿砌石墻身鑲面石嚴(yán)重剝落等問題.經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察和設(shè)計(jì)復(fù)核，造成蓋板涵發(fā)生質(zhì)量問題的根本原因?yàn)槭┕し綄?shí)際施工時(shí)套用涵洞標(biāo)準(zhǔn)圖紙不正確.三道蓋板涵均為填方路堤涵洞，施工完成后三道蓋板涵實(shí)際填土高度分別為13.5 m、12.9 m和11.5 m.施工方在施工時(shí)錯(cuò)誤套用填土高度為10 m的蓋板涵標(biāo)準(zhǔn)圖，實(shí)際填土高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)填土高度，填土荷載過大，是導(dǎo)致蓋板涵涵臺(tái)開裂和變形的最根本原因.蓋板涵存在漿砌塊石石材質(zhì)量不滿足規(guī)范要求，部分蓋板澆筑質(zhì)量較差，存在蜂窩麻面和鋼筋露筋等施工質(zhì)量問題是導(dǎo)致涵臺(tái)開裂和變形的直接原因.為此對(duì)三道蓋板涵進(jìn)行專項(xiàng)處理設(shè)計(jì).

1.1 設(shè)計(jì)方案比選

比選方案1:重新挖除路基，修復(fù)破壞墻體，根據(jù)實(shí)際填土高度加大涵洞結(jié)構(gòu)尺寸.道路路面目前還未鋪筑，采取重新開挖路基至涵頂，吊開涵洞蓋板，根據(jù)實(shí)際填土高度加大涵洞結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)鋼筋混凝土蓋板重新配筋后現(xiàn)澆或預(yù)制吊裝，最后填土.優(yōu)點(diǎn)：a.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，思路明確；b.施工難度低.缺點(diǎn)：a.重新開挖影響整體形象和施工進(jìn)度；b.造價(jià)成本較高；c.超過10 m高填土蓋板涵對(duì)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量要求較高，易存在施工質(zhì)量隱患，影響結(jié)構(gòu)安全可靠性.

比選方案2:重新挖除路基，拆除原有蓋板涵，根據(jù)實(shí)際填土高度采用鋼筋混凝土箱涵代替原有蓋板涵.優(yōu)點(diǎn)：a.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，思路明確；b.施工難度較低；c.針對(duì)高填土涵洞，鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)安全可靠.缺點(diǎn)：a.重新開挖影響整體形象和施工進(jìn)度；b.造價(jià)成本高，拆除原有蓋板涵造成浪費(fèi).

比選方案3:錨桿加鋼筋混凝土面板加固[2].采用該方法可較大幅度的提高構(gòu)件的承載能力和抗彎性能，增強(qiáng)其延性，既阻止了原結(jié)構(gòu)繼續(xù)變形和破壞，又充分發(fā)揮原結(jié)構(gòu)的作用，達(dá)到共同承受外荷載.具體方案為：混凝土面板強(qiáng)度等級(jí)C30，錨桿20@50 cm@50 cm梅花形布置，面板厚度30 cm，按最小配筋率配筋，底部鋪筑厚10 cm的C15片石混凝土增強(qiáng)邊墻間的支持.優(yōu)點(diǎn)：a.思路明確；b.造價(jià)成本較低；c.對(duì)施工整體形象和施工進(jìn)度影響不大.缺點(diǎn)：a.影響涵洞過水面積，受涵洞過水面積限制；b.加固后結(jié)構(gòu)安全可靠性有待考驗(yàn)；c.施工復(fù)雜.

比選方案4:內(nèi)嵌整體式箱涵加固.在蓋板涵內(nèi)嵌整體式箱涵，增加蓋板涵的整體剛度，減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，阻止裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展，充分利用原有結(jié)構(gòu)，保證新老結(jié)構(gòu)共同受力.優(yōu)點(diǎn)：a.思路明確；b.造價(jià)成本較低；c.加固效果好，結(jié)構(gòu)安全可靠；d.對(duì)施工整體形象和施工進(jìn)度影響不大.缺點(diǎn)：a.影響涵洞過水面積，受涵洞過水面積限制；b.施工稍復(fù)雜.

方案1和方案2需重新挖除路基，影響整體形象和施工進(jìn)度，同時(shí)造價(jià)較高；方案3雖然對(duì)施工整體形象和施工進(jìn)度影響不大，但加固后結(jié)構(gòu)安全可靠性有待考驗(yàn)；方案4改變了涵洞的結(jié)構(gòu)體系，充分利用了原有結(jié)構(gòu)，較為經(jīng)濟(jì)合理.經(jīng)過經(jīng)濟(jì)核算及結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定采用方案4整體式箱涵加固方式.

1.2 加固設(shè)計(jì)方案

對(duì)于2道凈寬×凈高為2.1 m×2.0 m的蓋板涵內(nèi)嵌箱涵為1.5 m(凈跨)×1.4 m(凈高)，對(duì)于1道凈寬×凈高為2.1 m×2.5 m的蓋板涵內(nèi)嵌箱涵為1.5 m(凈跨)×1.9 m(凈高)，兩種箱涵的材料、配筋及其他尺寸相同.截面尺寸：側(cè)墻、底板與頂板厚30 cm，頂?shù)菇桥c底倒角20 cm×20 cm(圖1).主要材料：箱涵采用C30混凝土，箱涵涵身配筋為HRB400鋼筋，主筋采用20@150.為了加強(qiáng)與原結(jié)構(gòu)的結(jié)合，對(duì)原涵蓋板做梅花型植筋.同時(shí)對(duì)于蓋板部分外露鋼筋進(jìn)行除銹處理，對(duì)側(cè)墻及蓋板裂縫采用C40號(hào)混凝土、環(huán)氧樹脂砂漿填補(bǔ)[3].

1.3 設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)和參數(shù)

箱涵結(jié)構(gòu)計(jì)算針對(duì)1.5 m(凈跨)×1.9 m(凈高)箱涵進(jìn)行驗(yàn)算，箱涵填土高度選用三處涵洞涵頂最大覆土高度13.5 m.

a.箱涵按鋼筋混凝土框架梁構(gòu)件設(shè)計(jì)，并對(duì)側(cè)板按偏心柱構(gòu)件進(jìn)行核算.

b.根據(jù)本箱涵特點(diǎn)，利用有限元軟件，建立平面桿系模型，對(duì)箱涵進(jìn)行整體計(jì)算.

c.沖擊系數(shù)：不計(jì)沖擊效應(yīng).

根據(jù)箱涵受力的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際的邊界條件，利用Midas軟件，建立平面桿系模型，對(duì)單位長(zhǎng)度箱涵進(jìn)行整體受力分析，并對(duì)箱涵截面抗彎、抗剪、裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算.箱涵采用梁?jiǎn)卧M，具體模型如圖2.考慮土的彈性支撐作用，對(duì)箱涵底板采用彈性支撐模擬，并限制箱涵水平位移.根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63-2007)第P.0.2條，地基豎向抗力系數(shù)為C0=m0×h(當(dāng)h<10 m時(shí)，取C0=10×m0)，其中m0為地基豎向抗力系數(shù)的比例系數(shù)，根據(jù)地基土分類、狀態(tài)查表P.0.2-1，取m0=50 000 kN/m4，圖2中底板節(jié)點(diǎn)豎向彈性系數(shù)按照單元長(zhǎng)度依次輸入數(shù)據(jù)如表1(按從左至右的順序).

圖2 箱涵有限元計(jì)算模型

表1 節(jié)點(diǎn)地基豎向抗力系數(shù)

荷載施加[4-5]：

箱涵覆土厚度：13.5 m；土的內(nèi)摩擦角：30°；粘聚力C：0；填土容重：18 kN/m3

a.自重：考慮1.05的增大系數(shù)

b.豎向土壓力：qv=KγH=243 kN/m2

c.水平靜土側(cè)壓力：

頂板處：qH1=(1-sinΦ)γH=121.5 kN/m2

底板處：qH2=(1-sinΦ)γ(H+h)=144 kN/m2

d.汽車荷載：

根據(jù)公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則(JTG/T D65-04-2007)第9.2.3條規(guī)定，計(jì)算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時(shí)，車輪按其著地面積的邊緣向下作30°角分布.當(dāng)幾個(gè)車輪的壓力擴(kuò)散線相重疊時(shí)，擴(kuò)散面積以最外邊的擴(kuò)散線為準(zhǔn).

汽車后輪著地寬度0.6 m，一個(gè)汽車后輪橫向擴(kuò)散寬度為：

0.6/2+Htan30°=8.09 m>1.8/2

故橫向分布寬度為(兩車道)：b=(8.09×2+1.3+1.8×2)/4=5.27 m

汽車后輪著地長(zhǎng)度0.2 m，一個(gè)汽車后輪縱向擴(kuò)散寬度為：

0.2/2+Htan30°=7.89 m>7.0/2>1.4/2

故縱向分布:a=(1.4+7.0×2)/2=7.7 m

車輛荷載等效垂直壓力：q車=∑G/(a×b)=70/(5.27×7.7)=1.73 kN/m2；

車輛荷載等效水平壓力：e車=q車tan2(45°-φ/2)=0.58 kN/m2.

1.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

a.荷載組合.

荷載組合見表2.

表2 荷載組合表

b.箱涵受力分析.

在最不利基本組合、短期效應(yīng)組合和長(zhǎng)期效應(yīng)組合作用下，箱涵彎矩如圖3、圖4、圖5所示.

圖3箱涵彎矩圖(基本組合)

Fig.3 Culvert bending moment diagram(fundamental combination)

圖4箱涵彎矩圖(短期效應(yīng)組合)

Fig.4 Culvert bending moment diagram(combination for short-term action effects )

圖5箱涵彎矩圖(長(zhǎng)期效應(yīng)組合)

Fig.5 Culvert bending moment diagram(combination for long-term action effects )

在最不利基本組合、短期效應(yīng)組合和長(zhǎng)期效應(yīng)組合作用下，箱涵剪力如圖6、圖7、圖8所示.

圖6箱涵剪力圖(基本組合)

Fig.6 Culvert shear force diagram (fundamental combination)

圖7箱涵剪力圖(短期效應(yīng)組合)

Fig.7 Culvert shear force diagram (combination for short-term action effects)

圖8箱涵剪力圖(長(zhǎng)期效應(yīng)組合)

Fig.8 Culvert shear force diagram (combination for long-term action effects)

在最不利基本組合、短期效應(yīng)組合和長(zhǎng)期效應(yīng)組合作用下，箱涵軸力如圖9、圖10、圖11所示.

圖9箱涵軸力圖(基本組合)

Fig.9 Culvert axial force diagram (fundamental combination)

圖10箱涵軸力圖(短期效應(yīng)組合)

Fig.10 Culvert axial force diagram (combination for short-term action effects)

圖11箱涵軸力圖(長(zhǎng)期效應(yīng)組合)

Fig.11 Culvert axial force diagram (combination for long-term action effects)

在基本組合、短期效應(yīng)組合、長(zhǎng)期效應(yīng)組合作用下，箱涵彎矩、剪力、軸力匯總?cè)绫?.

表3 箱涵內(nèi)力表

c.結(jié)果分析.

在基本組合作用下：頂板跨中20號(hào)單元出現(xiàn)最大正彎矩值，經(jīng)驗(yàn)算

γMu=0.9×46.3=41.7 kN·m≤Mn=

fsdAs(h0-as′)=330.00×2 199.40×(250.00-50.00)×10-6=145.16 kN·m

正截面抗彎驗(yàn)算滿足要求[6].

兩側(cè)側(cè)板頂部20、29號(hào)節(jié)點(diǎn)處最大負(fù)彎矩值，經(jīng)驗(yàn)算

γMu=0.9×111.3=100.2 kN·m≤Mn=

fcdbx(h0-x/2)+fsdAs(h0-as′)=

13.80×1 000.00×105.19×(350.00-105.19/2)+330.00×0.00×(350.00-0.00)=431.72 kN·m

正截面抗彎驗(yàn)算滿足要求.

箱涵正截面抗彎承載力所需主筋量估算如表4，主筋采用20@150，按雙筋矩形截面進(jìn)行配筋.

表4 正截面抗彎主筋用量估算

2 加固施工要點(diǎn)

a.施工前對(duì)原涵外觀和破損部位做全面檢查，并做好標(biāo)記.

b.分段加固施工，第一段選取道路中心線對(duì)應(yīng)的涵節(jié)，分段長(zhǎng)度根據(jù)原涵長(zhǎng)度和沉降縫進(jìn)行分段，不宜過長(zhǎng).

c.為確保施工安全，施工前做好臨近段墻身的支撐，施工中采用枕木加鋼管支撐.

d.施工工序：墻身鑿毛、清洗→綁扎箱涵底板及側(cè)墻鋼筋→澆注底板混凝土→立側(cè)模→澆注側(cè)墻混凝土→拆模(混凝土80%強(qiáng)度).

e.澆注靠近蓋板側(cè)墻時(shí)，應(yīng)預(yù)留50 cm與頂板同期澆注.

f.對(duì)原頂面蓋板植筋時(shí)，鉆孔應(yīng)避開原板受力鋼筋及蓋板絞縫，植筋與受力主筋點(diǎn)焊形成整體.

g.兩端對(duì)稱施工，直至完成整個(gè)涵洞加固.

3 結(jié) 語

高填土蓋板涵因上覆填土荷載較大，應(yīng)重視蓋板涵施工質(zhì)量，特別是因地基承載力不足導(dǎo)致沉降不均勻引起的壓裂及由于墻臺(tái)強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求等施工質(zhì)量問題引起的蓋板涵壓裂變形.在不影響涵洞過水?dāng)嗝娴那闆r下，采用內(nèi)嵌整體式箱涵的加固方法，加固效果好，結(jié)構(gòu)安全可靠性高，對(duì)正常運(yùn)營(yíng)的各等級(jí)公路舊涵加固不中斷交通具有明顯意義.

致 謝

感謝中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院移民工程處黃列夫、昌盛、劉小明在論文撰寫過程中給予的支持與幫助.

[1] 董佳竹.高填方涵洞地基處理及加筋減載研究[D].華中科技大學(xué),2012.

DONG Jia-zhu.Study on ground treatment and load-reduction by reinforcement for culverts beneath ultrahigh embankment[D].Huazhong University of Science & Technology,2012.(in Chinese)

[2] 陸賢.鋼結(jié)構(gòu)襯砌法病害蓋板涵加固[J].上海鐵道科技,2007(4):69-70.

LU Xian. Steel lining cover culvert reinforcement method of disease [J].Shanghai Railway Science & Technology,2007(4):69-70.(in Chinese)

[3] 孫忠玉.高填土涵洞加固實(shí)例[J].交通科技,2004(2):19-21.

SUN Zhong-yu. High fill culvert reinforcement[J].Transportion Science & Technology, 2004(2):19-21.(in Chinese)

[4] 林鴻洸.大秦鐵路擴(kuò)能工程蓋板涵加固方案比選研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010, 10(7):1694-1699.

LIN Hong-guang.Comparsion between two reinforcement methods to culvert of daqin railway[J].Science Technology and Engineering,2010,10(7):1694-1699.(in Chinese)

[5] 李利峰,宿鐘鳴.山區(qū)高填方路堤涵洞病害主因分析及工程對(duì)策[J].銅仁學(xué)院學(xué)報(bào),2013, 15(4):120-123.

LI Li-feng,SU Zhong-ming. An analysis of main causes and engineering measures for culvert diseases of high-filled embankment in mountain regions[J].Journal of Tongren University,2013,15(4):120-123.(in Chinese)

[6] 王成,王春曉.試論蓋板涵結(jié)構(gòu)計(jì)算的幾個(gè)問題[J].山東交通科技,2014(1):50-52.

WANG Cheng,WANG Chun-xiao.Some problems on calculation of culvert structure cover[J].Shandong Traffic Science & Technology ,2014(1):50-52.(in Chinese)

[7] 姜杰.普通公路原涵加固原則與方法[J].北方交通,2008(7):102-103.

JIANG Jie.Principles and methods for reinforcement of used culvert of average highway[J]. Northern Communications,2008(7):102-103.(in Chinese)

[8] 楊強(qiáng). 淺埋涵洞鋼筋裂紋原因分析與對(duì)策[J].公路,2014(6):162-164.

YANG Qiang. Analysis on the reasons and countermeasures for the cracks of reinforced concrete culvert[J].Highway,2014(6):162-164.(in Chinese)