高填方涵洞土壓力分析及減荷措施

何 超

(北京國道通公路設計研究院股份有限公司，北京 100053)

0 引言

山區高填方涵洞有著長度長、填土高的特點，洞身受到的土壓力大，相應的涵洞尺寸也較大，若設計時土壓力計算過分保守，尺寸過大則導致造價高造成浪費。若涵洞設計考慮欠缺導致尺寸偏小，可能出現涵洞承載能力不足，導致涵洞過早出現開裂等危害。在保證其可靠性和耐久性的情況下能否做到經濟合理，是高填方涵洞設計需重視的問題。

1 現行規范涵洞土壓力計算

涵洞土壓力主要分為以下幾類:1)散體極限平衡法；2)土柱法；3)壓力集中系數法；4)卸荷拱法；5)根據變形條件以彈性理論為基礎的計算方法。我國現行的JTG D60—2015公路橋涵設計通用規范采用土柱法計算，JTG/T D65—04—2007公路涵洞設計細則則采用壓力集中系數法。在設計過程中，由于對涵洞土壓力認識不足，若采用了相對偏小的荷載作為設計依據，結果造成涵洞承載力不足，過早產生病害。由于公路涵洞多為混凝土結構，柔性管涵相對較少，混凝土結構剛度大，而土的剛度較小，因此涵洞上部的土位移小于兩側的土的位移，導致涵洞外側的土對涵頂上方的土柱產生向下的托拽作用。因此，涵洞頂也會受到外側的土施加的向下附加應力，造成涵洞所受的土壓力大于涵洞上部的土重，涵洞與土作用機理可見圖1。涵洞所受的土壓力并不等于其上土柱的重量，而是相對洞身上方土重較大，根據相關研究表明，涵洞承受的土壓力約為上方土重的1.3倍～2.0倍[1]，因此，欠缺合理的計算將導致設計涵洞的承載力不足。

我國JTG D60—2015公路橋涵設計通用規范中，涵洞土壓力采用土柱法計算，豎向土壓力qv=γH，水平土壓力Hq=tan(45°-φ/2)×γH。該式為交通部1954年頒布，并且一直沿用至今，計算時涵洞頂部某一點的豎向土壓力僅與土柱的自重荷載有關，忽略了涵洞上方填土與兩側填土滑動引起的附加應力[2]。可能會造成土壓力計算值偏小。《公路涵洞設計細則》以及《鐵路橋涵設計基本規范》則采用了壓力集中系數法，考慮了涵洞與其周圍土剛度差異導致土體沉陷變形引起的土附加壓力，其計算公式如下：

pv=KγH。

其中，K根據H/D確定；H為填土高；D為涵洞頂寬；K值見表1。

表1 土壓力系數K

因此，《公路涵洞設計細則》相對《公路橋涵設計通用規范》更適合涵洞土壓力計算。但是，不論是土柱法還是壓力集中系數法計算土壓力時，均忽略了在高填土產生的拱效應。其計算結果是，涵頂隨填土高度的增加，洞身所承受的土壓力也同時線性增加，當填土高度較大時，得出的土壓力遠大于涵洞的實際受力情況，這將導致涵洞的結構過于保守而不經濟，用此法進行高填方涵洞的結構設計顯然是不合理的。

2 合理考慮“土拱效應”

卸荷拱是隧道設計常用的理論，隧道是先有土體后有洞室，在開挖卸載后，隧道洞身上部一些土體失去支撐后向下發生位移，支護承受部分土體荷載，穩定的巖體則形成拱，使隧道襯砌受力減少，有的甚至可以自持穩定，形成拱效應。但是，在高填方涵洞中，是先有涵洞再有回填的土體，要使涵洞形成拱效應，則必須使涵洞上方部分土體發生向下的位移，在周圍填土已壓實的情況下，該位移只能通過涵洞下沉實現。另一方面，隧道形成拱效應的均為天然巖體，多年沉降已經趨于穩定，而涵洞上方則為人工填土，密實度相對較低。

根據以往研究表明，高填方涵洞上方土體形成了不穩定的土拱，可承受部分土體荷載，若完全采用隧道的卸荷拱理論計算，則低估了涵洞上方的土壓力。若不考慮拱效應，其計算結果是，隨填土高度的增加，涵頂土壓力也同時線性增加，最終計算結果遠大于涵洞的實際受力情況，這將導致涵洞的結構過于保守而不經濟。當路堤高度在18 m以上時，土壓力隨著填土的高度出現非線性變化，可采用下式計算[3,4]，qv=3.712 8γH0.454 3，qH=3.712 8λγH0.454 3。該式考慮了不穩定的土拱效應，計算結果相對土柱法和壓力集中系數法較小，比卸荷拱法結果偏大，與高填方涵洞受力情況更相符，在保證安全可靠的前提下，可使涵洞設計尺寸更為經濟。

3 涵洞的減荷措施

高填方涵洞必然會產生較大的土壓力，為了滿足受力要求，需采取有效措施降低豎向土壓力及內外側土體沉降差。現高填方涵洞減荷措施一般是通過改變沉降特性完成的，即減少涵洞上部土體與外側土體的沉降差，甚至使涵洞上方土體沉降大于外側土體沉降，人為的造成“土拱效應”，從而達到減少豎向土壓力的效果。

1)中松側實法。該方法是在路基填土時，涵洞上方土體碾壓相對較松，兩側土體碾壓緊實，使涵洞上方土體的剛度小于兩側土體剛度，減少了涵洞內外的沉降差，從而降低涵洞頂部土壓力集中現象。內外側土體剛度比越小，涵洞頂部的土壓力集中系數越小。但是填土碾壓較松，路基的沉降量將會變大，可能導致路基失穩，對公路的正常運營會產生一些安全隱患。因此在施工過程中，必須注意涵洞頂部填土碾壓松實的程度，碾壓過實則較難起到減荷作用，過松將會影響路基的質量。

2)柔性填料法。該方法為中松側實法的改良。主要采用剛度較小的柔性填料，路基填筑時，將柔性材料鋪設在涵洞上方一定范圍，從而改善涵洞上方土體的變形情況，可減少涵洞內外土體的沉降差，從而減少豎向土壓力。目前部分工程采用泡沫聚苯乙烯EPS等輕質材料埋設在涵洞頂部，文獻[5]中通過EPS材料的現場測試，并結合室內試驗以及有限元分析，得出不同填土高度時，既定減荷條件下EPS材料厚度、密度的定量關系，對不同類型涵洞減荷材料的埋設范圍做出了分析，可為設計及施工方選擇柔性填料法時，提供一定參考。

3)加筋橋減荷法。涵洞上方局部土體壓實程度小于兩側土體，為了防止沉降過大而影響路基穩定，將該層松散的土體分層加筋壓實，加筋兩端固定在兩側密實的土體中，“加筋橋”便可形成。“加筋橋”可減少涵洞內外側土體的沉降差，同時，筋材錨固于兩側土體中，也可夠承擔部分涵洞上方的豎向土壓力，并將這部分土壓力傳遞外側土體上，從而減小涵洞受到的豎向土壓力。

4)先填后挖法。先填后挖法是先完成路基回填，待路基碾壓密實后再開槽修建涵洞。此時，涵洞兩側土體已先行沉降，其沉降量將小于涵洞上方土體的沉降量。因此涵洞頂部受到的豎向土壓力便可減小。但在實際工程中，該方法施工較為繁瑣，高填方涵洞較難開槽修建涵洞，該方法使用較少。

4 結語

涵洞上土壓力是涵洞設計的重要指標，而土壓力的大小與土體的沉降變形差有著密切聯系。在山區高填方涵洞設計時，應合理考慮填土的沉降變形差對土壓力計算的影響，還應考慮高填土產生的拱效應，避免土壓力計算遠大于涵洞的實際受力情況，這是涵洞結構設計安全可靠、經濟合理的關鍵，同時還應從涵洞受力機理出發，減少涵洞內外側填土的沉降變形差，使涵洞結構設計更為科學合理。