高填方涵洞土壓力研究現狀探析

路 云

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030001)

高填方涵洞土壓力研究現狀探析

路 云

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030001)

高填方涵洞土壓力計算沒有明確方法，對國內外現狀高填方涵洞土壓力的計算方法進行了概述和評價分析，并指出在現階段研究結果上的未來高填方涵洞研究方向，對高填方涵洞的研究、設計有一定的參考價值。

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1 概述

20世紀90年代以來，高等級道路在山區中的應用越來越多，為滿足道路線形標準和地形條件的限制，高填方路基及高填方涵洞已變得較為常見。在我國《公路橋涵設計手冊》和《公路涵洞設計細則》中僅給出了暗涵的定義，并明確高填方涵洞的定義。因高填方涵洞土壓力缺乏合理的計算方法指導，使得在設計過程中出現以下兩種情況：

1)參照暗涵或者隧道土壓力計算方法，使得結構尺寸過于保守，地基承載力過高，工程造價偏高。

2)過分的依賴經驗，強調拱效應，使得結構尺寸偏小，從而引發不同程度的裂縫，不安全因素較大。

高填方涵洞土壓力的優化研究對于保證結構安全、減小結構尺寸、地基處理、減少造價等具有顯著社會效益。本文對國內外現狀高填方涵洞土壓力的計算方法進行了概述和評價分析，并指出在現階段研究結果上的未來高填方涵洞研究方向，對高填方涵洞的研究、設計有一定的參考價值。

2 高填方涵洞土壓力的國內外研究現狀

在國際上由于各國地形地勢條件、環境環保理念、經濟技術發展水平的不同，每個國家對高填方涵洞研究的廣度、深度以及重點也有所不同。重視環保的歐美發達國家，遵循盡量減少破壞天然山體出現高填深挖的設計理念，有關高填方涵洞方面的研究并不多。

結合國內外的研究現狀關于高填方涵洞土壓力的計算方法可概括為6大類。分別如下。

2.1馬斯頓的散體極限平衡法

1913年，美國學者Maston在散體極限平衡理論基礎上提出了涵洞土壓力計算公式，回填土在自重作用下產生沉降，逐步密實，假定涵洞頂內土柱與涵洞側土柱之間存在著滑動面，此滑動面引發內外土柱間的相對移動在滑動面上產生對應的摩擦力，使涵洞頂產生相應的附加荷載F。涵洞與填土的剛度比決定了附加荷載的大小與方向。

當結構剛度較大時，涵洞頂的土壓力等于涵洞頂土柱與附加荷載F之和；反之，附加荷載與土柱重力反向，涵洞頂的土壓力等于涵洞頂土柱減去附加荷載F。

2.2土柱法

土柱法的假設條件為：土體的極限應力狀態不受涵管的干擾，把問題簡化為靜力平衡問題。假設涵管頂部埋深為z，則涵頂處垂直應力σz為：

σz=γZ。

水平應力σx為：

根據上式可知涵管頂部的垂直壓力與內摩擦角φ無關，僅為涵管頂部的土體重量。

土柱法計算比較簡便，自20世紀50年代以來被我國公路部門所采用。

2.3“卸荷拱”

以普氏卸荷拱理論為基礎提出的“卸荷拱”法，是根據普氏卸載拱理論以及涵頂填料的性質提出的。涵管埋置深度較深時，填土不會被由沉降引起的滑動面所貫穿。滑動面在一定的高度范圍內形成一個封閉區域。其中在封閉區域上方形成了自然卸載拱，作用在涵頂上的土壓力等于破壞區內的土體重量。因此作用于涵頂上的垂直土壓力遠小于涵頂土柱的重量，其值為卸載拱下的相應土重。

2.4土壓力集中系數法

維諾格拉多夫提出涵洞垂直土壓力可采用集中系數法進行計算。其公式為：

σv=KvγH。

其中,土壓力集中系數Kv是土壓力集中系數法的關鍵，其值是根據前蘇聯已建成使用工程反算出的。

此方法形式簡單，目前市政、水利、電力等設計部門均有所采用。

2.5以彈性理論作為基礎的土壓力計算理論

該理論假設涵管頂部填土為半無限彈性體，涵管為條形基礎。采用分層求和法求解出基礎沉降，先算出每層的沉降變形，并按照應力與變形的線性關系反算出附加土壓力，累計附加土壓力值與涵頂土柱重量之和即為涵頂垂直土壓力。該理論的前提條件是填土、地基及涵管的變形；基礎理論為胡克定律。

基于此原理，顧安全簡化了計算，用基礎沉降公式推導出涵管頂部附加的垂直土壓力，進一步求出涵管頂部垂直土壓力值σv,公式如下所示：

若以垂直土壓力系數表示，則：

其中，h為涵洞高度，m；H為涵洞頂部填土高度，m；b為涵洞的寬度，m；μ為填土的泊松比；η為外形影響系數；Eh為管道兩側填土的變形模量；E為涵洞頂部填土的變形模量；ωc為與基地形狀及結構長寬比有關的系數。

2.6非線性的土壓力計算方法

楊錫武通過大量的試驗研究，歸納總結出高填方涵洞土壓力的變化規律和拱效應值，運用數值回歸分析技術，歸納總結出非線性土壓力計算公式，公式如下所示：

σv=ξγHm。

其中，ξ，m均為回歸系數；楊錫武給出了3種邊界條件下的回歸系數如下所示：

當狹窄溝谷溝心設涵時:

σv=2.764 3γH0.502 2(H≥18m,R2=0.903 7)。

當寬坦溝谷溝心設涵時:

σv=3.619 3γH0.416 6(H≥18m,R2=0.994 5)。

當狹窄溝谷坡腳設涵時:

σv=2.835 6γH0.499 3(H≥18m,R2=0.969 8)。

其中，γ為填土容重，kN/m3；H為管頂填土高度，m。

3 結語

在考慮涵洞與回填土剛度的情況下，馬斯頓的散體極限平衡法，涵頂的垂直土壓力計算值遠大于其承受的實際土壓力值；

土柱法涵洞頂部的垂直土壓力值σz與回填高度H成正比，計算的涵頂垂直土壓力也大于實際承受的土壓力；

卸荷拱法由于其形成條件不易滿足，大多數情況用不上，只有溝埋式或頂管法施工的涵洞可以考慮采用，豎向壓力最小；

土壓力集中系數法這種計算結果與實際土壓力值的差值無法確定，從而無法解答出上埋式涵洞頂部垂直土壓力值的真實情況；

從變形條件出發，以彈性理論解為基礎的土壓力計算法，此方法中的參數值：土體的內摩擦角、粘聚力、變形模量等這些土工參數不易測準和取得，使得假設條件與實際情況差異較大。

楊錫武的非線性土壓力計算方法，此方法是在試驗的基礎上提出的，是一種半理論半經驗的計算方法，它的使用具有一定的條件性。

高填方涵洞是特殊的排水構筑物，而目前高填方涵洞土壓力計算方法都是基于縱向為每延米，僅從涵洞斷面方向進行的研究，過于片面。因此，在現階段的研究基礎上應明確以下幾點：

1)高填方涵洞的具體工況的具體定義的明確性；

2)高填方涵洞土壓力計算的空間性；

3)施工過程中具體減荷措施的明確性；

4)高填方涵洞地基承載力的傳遞性；

5)高填方涵洞地基處理措施的明確性；

6)高填方涵洞長期檢測設施的預埋空間性。

只有做到以上這些，高填方涵洞的土壓力計算才能夠得出正確合理的計算理論方法，才能夠真正的滿足高填方涵洞結構設計、施工措施、質量驗收控制的需求。

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Highfillculvertearthpressureresearchpresentsituationandreviewed

LuYun

(TaiyuanMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Taiyuan030001,China)

High fill culvert, there is no clear method to calculate earth pressure at home and abroad present situation of high fill culvert earth pressure calculation method were summarized and the analysis of evaluation, and pointed out that at present the results of the study on the future research direction of high fill culvert, the study of high fill culvert, the design has a certain reference value.

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1009-6825(2017)29-0167-03

2017-08-08

路 云(1985- )，女，碩士，工程師

U452

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