山區公路高填方涵洞的設計問題研究

趙麗穎

摘要：高填方涵洞是山區公路建設中經常遇到的工程,特別是在高等級公路建設中,由于線型要求高,深挖高填更是不可避免。由于其受力復雜、工程量大、對地基承載力要求高,因此,降低涵頂填土高度,減少涵洞長度,減小涵底坡度,降低基底承載力要求以簡化結構計算,減少工程造價,減小涵底沖刷,增加涵洞安全性,成為設計中著重考慮的問題。本文結合近幾年對山區公路涵洞設計以及施工反饋的意見,就高填方涵洞的設計進行分析與探討。

關鍵詞：涵洞；高填方；設計

根據高填方涵洞所處的地形地質條件、受力特點和排水要求,山區公路高填方涵洞多采用蓋板涵和拱涵兩種結構型式。與涵頂填土高度較低的涵洞相比,高填土條件下的涵洞具有填土高度大、土壓力大但不隨填土高度線性增加的特點,很明顯,現有的涵洞設計標準圖已不能滿足這種高填土條件下的涵洞設計需要,而要使其結構設計安全可靠、經濟合理,首先必須正確評價和計算高填土條件下的涵頂拱效應及拱效應對土壓力的影響,過高或過低地估計拱效應對土壓力的影響將會使涵洞的結構設計不安全或不經濟。

1 高填方涵洞的特點

與低填方涵洞和其它填埋式涵管相比,公路高填方涵洞具有以下特點:

高填方涵洞對地基沉降要求高。高填方涵洞一般為鋼筋混凝土拱涵或蓋板涵,基礎的不均勻沉降會導致涵臺的開裂或拱圈的開裂與塌陷,同時涵洞的坍塌會引起路面的沉降破壞。因此,高填方涵洞對地基土容許承載力及均勻性要求較高,一般要求地基為基巖。

工程量大,造價高。由于填土高度大,高填方涵洞洞身較長,造價較高,如果結構設計不合理結構尺寸偏大,則使高填方涵洞的造價劇增,造成浪費,例如阜朝高速一拱涵前墻頂寬達到4.8m,底寬達到6.67m,全涵工程造價達到270多萬;反之,結構尺寸偏小,可能會使結構承載力不能滿足荷載要求而導致涵洞的開裂坍塌,釀成質量事故,并增加加固維修工程費用。

承受的土壓力大。由于填土高度大,使其承受的土壓力隨填土高度的增加而增加,結構尺寸也隨填土高度而增大。

加固維修難度大。高填方涵洞填土高度大,長度大,通風采光條件差,工作面狹窄,一旦產生破壞,加固維修較為困難,費用也較高。

2土壓力計算

為使高填方涵洞結構設計安全可靠、經濟合理,首先必須解決土壓力的計算理論和方法。

對壓實填土重力的豎向和水平壓力強度標準值按土柱法計算,公式如下:

qv=γh

qH=λγh

式中:γ--土的重力密度(kN/m3);

h--計算截面至路面頂的高度(m);

λ---側壓系數, λ=tan2(45°-Φ/2)。

但高填方涵洞土壓力計算理論屬于深埋地下洞室的土壓力計算問題,對于通常的填土較低的涵洞土壓力計算公式按上式計算是合理的,但填土高度達到一定高度后,涵洞頂上的土壓力并不隨高度h呈線性變化,涵頂和涵臺外土壓力都明顯低于用上式計算的理論土壓力。

當填土達到一定高度后,在高填方涵洞上方將產生拱效應,使涵洞上的土壓力小于理論土壓力。此時若根據上式進行高填方涵洞結構設計過于保守,其結構尺寸較大,且高填方涵洞涵長較長,從而引起工程造價較高。

考慮土拱效應的計算理論主要有太沙基(K.Terzaqhi)地壓理論和普氏地壓理論。其中太沙基認為地下洞室的壓力由地層的應力傳遞所引起,填土達到一定高度時,壓力將不再往下傳遞;而普氏認為地下洞室的壓力由自然平衡拱內松動巖塊的重量引起,假設洞室上方有一個穩定的土拱,結構承擔的荷載為土拱下不穩定的土體重量。但由于高填方涵洞的特點,利用以上兩種理論計算的土壓力與實際的土壓力均偏小,故利用其進行結構設計是不安全的。

非線性土壓力計算公式與不考慮拱效應的土柱法相比,由于適當考慮了拱效應對土壓力的影響,在同等填土高度條件下,計算的土壓力較小,其設計的涵洞結構尺寸也相對較經濟;與考慮具有穩定拱效應的普氏理論和太沙基理論計算的土壓力相比,由于它反映了高填方涵洞上方土拱效應對土壓力的影響以及土拱效應的不穩定性,在填土加載過程中仍有部分土壓力傳遞到涵洞上,但土壓力并不成線性增加,用其計算的土壓力大于具有穩定土拱的土壓力,但很明顯小于不考慮土拱效應計算的土壓力,反映了高填方涵洞的實際受力情況,用其進行高填方涵洞結構設計可以使結構安全可靠、經濟合理,因此非線性土壓力理論是高填方涵洞合理的土壓力計算方法。

但應用上述公式時應保證涵頂填土達到路基施工要求的壓實度,且涵洞周圍應為非軟土的穩定地基。

3減荷措施

土力學理論本身的許多假定和參數選擇都帶有半經驗性質,隨機性很大。不論如何精確的計算公式,都很難將所有實際因素考慮周全和準確。所以,在工程設計中,一方面要根據涵洞受力和變形特點,結合具體工況確定合理的土壓力計算公式,更為重要的是采取合理正確的工程措施,使結構物處于有利的工作狀況。根據模型試驗、現場測試和理論分析可以發現,利用填土既是荷載又是介質的特性,通過工程措施和方法,可以達到減小結構物上土壓力的目的。其核心是使+δ減小,直至形成-δ,充分利用"土拱效應",使管道外側土柱與管道共同承擔管頂土柱重量。歸納起來主要有以下幾種方法:①充分利用溝谷地形。②在涵洞頂一定厚度范圍采用高壓縮性填充材料或"中松側實"填土法。③提高涵臺背后填土壓實度或采用低壓縮性材料。④采取合理的地基處理方法,如加固管道兩側地基或采用相對松軟的涵洞地基,使地基產生-δ差。值得注意的是,在涵洞地基設計時,沿涵洞軸向地基的均勻性對結構安全是十分重要的。

4施工中的特別要求

高填方涵洞施工除按一般施工技術規范的要求外，對于高填土下整體式基礎的涵洞，回填土時，要求在側墻外2倍基礎(整體式)寬的范圍內，先清除基底表層草皮、浮土，然后再對稱、分層回填土并壓實:在同一層回填時，先填涵臺兩邊，再回填涵頂以確保基礎的整體穩定性，涵臺旁邊2m范圍內的填土宜選用透水性好的砂性土回填。

5結語

山區公路高填方涵洞由于數量較多,工程量較大,施工時有一定的難度。設計中應首先考慮變高填土涵洞為低填土涵洞,改成常規涵洞設計,既能簡化設計、方便施工,也可以大大降低工程造價。高填土涵洞荷載很大,對基礎要求較高,因此應設法減小涵頂荷載,并加強地基處理,保證涵洞的穩定性,使構造物耐久、安全。

在交通工程設計中,涵洞的設計和橋梁及其它建筑物的設計比較相對簡單一些,在很多時候一些設計人員就會因為涵洞結構尺寸小而忽略了附近路線工程對它的影響。在實際施工中,涵洞施工一般在路基施工以前進行,如果涵洞長度設計不夠,路基填方施工后將填埋涵洞出入口,造成廢棄工程、增加變更及延誤工期等不良后果,在設計時可根據實際情況考慮增加一些防護工程來避免附近路線工程對涵洞的影響。

參考文獻

[1]顧克明,等.公路橋涵設計手冊(涵洞)[M].人民交通出版社,1993.

[2]楊錫武.山區公路高填方涵洞土壓力計算方法與結構設計[M].人民交通出版社, 2006.

[3]王秉勇.涵洞頂填土壓力的討論及計算[J].鐵道工程學報, 2002

[4]Vaslestad, Jan Johansen, Tor Helge Holm, Willy. Load re-duction on rigid culverts beneath high fills; long-term behavior[J]. Transportation Research Record. Nov. 1993: 58-68

[5]Okabayashi K, Ohtani W. Centrifugal model test for reducingearth pressure on the culvert by using the flexible material[A]. Proceeding of the International Offshore and Polar Engineering Conference Vl [C]. 1994