簡述甕馬鐵路涵洞地基承載力設計問題

蘭定忠

（中鐵二院貴陽勘察設計研究院有限責任公司，貴州 貴陽 550002）

0 引言

新建甕安至馬場坪鐵路，是貴州省鐵路規劃網中的資源開發鐵路，自既有滬昆線福泉站凱里端增設馬場坪車站引出，北至甕安縣城附近，按國鐵II級單線電氣化貨運專線建設，設計時速120km。是全國路網首條采用“PPP模式+自建自營”的地方資源型鐵路，對中國鐵路建設引入社會資本的PPP模式推廣意義重大。由于社會投資人對鐵路現行規范不熟悉，在實際施工過程中關于技術問題容易產生分歧。關于涵洞地基承載力問題主要有以下兩個方面。

（1）現行規范中地基基本承載力相對于極限承載力的安全系數。

（2）涵洞地基承載力要求為大于或等于150kPa的依據。

1 涵洞設計與施工中地基承載力論述

1.1 現行規范地基承載力設計方法

通過對比公路及鐵路各行業的地基設計規范，發現地基承載力設計的理念基本相同，均是基于某一特定深度及寬度的基礎地基容許承載力。該地基容許承載力被稱為地基基本承載力，在鐵路和公路行業規范中以寬度小于等于2m，埋深小于等于3m的地基容許承載力作為基本值。實際使用時對基本承載力做深度寬度修正，得到相應基礎的容許承載力[1]。

地基基本承載力的獲取有很多種方式，最為準確的是平板荷載試驗。然而針對一般鐵路工程來說，不采用平板載荷試驗來確定承載力，因其成本極大且耗時較長，一般采用室內試驗、標準貫入、靜力觸探或其他原位測試等易于操作的試驗手段來確定。例如，可以通過原位測試數據，如SPT擊數、LDPT擊數等，依據相應的公式或表格獲取；也可以通過室內試驗數據，如密實程度、孔隙比e、天然含水率ω、液限ωL等，根據測試數據從規范中的表格中查取獲得。地質工程師在現場對涵洞地基承力進行標準貫入法測試如圖1所示。

圖1 地質工程師在現場對涵洞地基承力進行標準貫入法測試

甕馬鐵路工程中，地基土的土體為非連續介質，其性質的影響因素很多。因此不能通過單一方式給出地基土的基本承載力[2]。地質專業工程師在實際操作中往往是結合自身經驗，采用多種方式相互驗證。一般在勘察設計階段給出的基本承載力值，開工前仍需通過現場試驗來驗證。

1.2 現行規范中地基基本承載力的安全系數

因為現行規范采取了上述設計理念，因此規范沒有明確指出何種土質采用了何種安全系數。另一方面也是因為地基承載力存在地區差異性，人為限定安全系數取值也有不合理之處。毋庸置疑的是，現行鐵路規范基本承載力取值存在可靠的安全度，這可以從一些規范條文中看出。

《鐵路工程地質原位測試規程》（TB 10018—2003）[注：最新版為2018年版，因甕馬鐵路建設跨度為2015—2019年度，執行勘察設計施工過程階段標準]有通過平板荷載試驗取得地基基本承載力的相關規定。從中可以看出，地基基本承載力取值的安全系數一般大于2。另外，對于高壓縮性土體，P-S曲線往往無明顯拐點，因此按照一定的相對沉降量對應的荷載值為基本承載力。采用雙曲線擬合法獲得基本承載力時的安全系數F為2～3[3]。

《鐵路工程地質勘查規范》（TB 10012—2007）[注：最新版為2019年版，執行勘察設計施工過程階段標準]附錄D給出了通過室內試驗參數獲取基本承載力及極限承載力的參考表格。可以看出，巖石地基極限承載力與基本承載力為2.5～3倍關系；碎石類土地基的極限承載力與基本承載力關系一般為2～3倍，松散的角礫土為1.7倍關系；砂類土地基的極限承載力與基本承載力關系一般為2倍關系；粉土地基的極限承載力與基本承載力約為1.86倍的關系[4]；Q4沖、洪積黏性土地基的極限承載力與基本承載力關系一般為1.86倍；殘積黏性土地基的極限承載力與基本承載力一般為2倍關系；軟土地基的極限承載力與基本承載力的關系約為1.8倍關系。

《鐵路工程地質原位測試規程》（TB 10018—2003）給出了通過動力觸探試驗獲取基本承載力及極限承載力的參考表格。可以看出黏性土地基極限承載力與基本承載力為1.8～1.86倍關系；砂類土地基極限承載力與基本承載力為2倍關系；碎石類土地基極限承載力與基本承載力關系為2.3倍左右。

地基基本承載力影響因素較多，具有一定的地區差異性。中國規范積累了幾十年的鐵路建設經驗，在應用過程中不斷完善修訂。并且地域廣泛，對各種地形地貌及自然條件下的地基土特性均有經驗可依。

2 甕馬鐵路整體式基礎涵洞地基承載力要求為150kPa闡述

2.1 甕馬鐵路涵洞基底壓應力計算

對于涵洞基底所承受的壓應力，應根據不同涵頂填土高度計算。在采用的標準圖集中，都包含了不同涵洞基底壓應力的計算。計算涵洞基底壓應力應包括涵洞填土重、列車活載及涵身自重[5]。根據甕馬鐵路涵洞設計參考圖及個別設計圖計算的基底容許承載應力。

通過與咨詢計算結果對比發現，基底壓應力計算結果雙方差異不大，這是因為計算方法略有差別。一般來說，涵洞基底壓應力接近于基底標高處路基填土壓力。大量的工程實踐及規范證實，對一般路基工程，I級鐵路地基基本承載力只要達到150kPa，并且滿足沉降設計要求即可，對于軟基段落才進行檢算及特殊設計。例如，《鐵路路基設計規范》（TB 10001—2005）第7.1.5條：“地基表層為軟弱土層，當其靜力觸探比貫入阻力Ps值：I級鐵路小于1.2MPa，II級鐵路小于1.0MPa時；或天然地基基本承載力σ0：I級鐵路小于0.15MPa，II級鐵路小于0.12MPa時，應根據軟弱土層的性質、厚度、含水率、地表積水深度等，采取排水疏干、挖除換填、拋石擠淤或填砂礫石等地基加固措施[6]。”

2.2 從地基破壞原理說明基礎埋深、側填土荷載對地基承載力的影響

土質地基在荷載作用下地基呈整體破壞模式，在荷載作用下，基礎兩側一定范圍內土體逐漸達到塑性，形成貫通破裂面并向上擠出。依據極限平衡狀態推導出地基極限承載力，基礎極限破壞理論考慮了基礎寬度及地面超載對承載力的影響[7]。

鐵路作為沿長度方向的帶狀工程，涵洞兩側路基填土壓力可以防止土體擠出破壞，因此對地基土的破壞起到穩定作用。其容許承載力還需考慮涵洞側填土的影響。依據《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》（TB 10093—2005）第4.1.3條和第4.1.4條，考慮基礎寬度、深度修正[8]，計算得出甕馬鐵路具代表性明挖基礎的地基容許承載力，容許承載力計算公式如下。

當基礎寬度b≤2m、埋置深度h＞3m時，涵洞基礎的基底容許承載力計算公式如下。

式中：[σ]——地基容許承載力，kPa；H——涵洞基礎底面埋置深度，m；γ2——基底以上填筑土的容重，kN/m3。

顯然，對于涵頂填土小于3m的涵洞，其基本承載力不做修正，即可滿足要求。涵頂填土5m的涵洞，基底壓應力為200kPa左右，對基本承載力按要求進行修正后也容易滿足要求。以下主要對涵頂填土大于5m的涵洞地基土承載力進行修正計算。通過計算可知，路基填土越高，涵洞基底壓應力越大，但是，填土荷載對地基土的穩定作用也會越大，容許承載力也越高。鐵路工程地涵洞地基基礎規范所提150kPa承載力要求，是指未經修正的基本承載力。該要求滿足地基受力及沉降要求，且經濟合理。

需要說明的是，在甕馬鐵路涵洞施工圖設計過程中，對于涵洞基礎對地基的基本承載力要求未特別說明，只說明了基礎對地基容許承載力的要求，這容易誤導地以為是對地基基本承載力的要求，特別如前表DK9+320和DK59+510兩涵洞，實際地基基本承載力己滿足涵洞基礎所要求的地基容許承載力，施工過程中若不進行檢算誤以為是要基本承載力要求而不滿足要求，采用基礎處理措施加強，將會造成不必要的浪費[9]。所以，涵洞基礎對地基的容許承載力要求，在設計過程中通過計算滿足要求即可，不必在施工圖中說明，但基礎對地基基本承載力的要求必須加以說明。

另一種情況，當同一涵洞節段基礎存在軟硬不均現象時，需要對其進行特別處理，否則涵洞基礎在列車運營荷載和填土壓力長期作用下，涵洞基礎受力不均將產生斷裂的不利情況，一般軟弱部分基礎深度較小時直接清除采用換填砂石或片石混凝土及混凝土處理，軟弱部分基礎較深并能滿足設計基底應力要求時，將軟硬基礎均同時下挖一部分進行換填處理，這也分多種情況需要現場工程師根據實際地基進行判斷做出具體措施[10]。如涵洞基礎存在土夾石現象，軟硬不均，則需作處理，如圖2所示。

圖2 涵洞基礎存在土夾石現象，軟硬不均需作處理

涵洞設計過程中一般都充分考慮不使同一涵節基礎位于不同地層上，但實際情況難以避免，這就需要有經驗的工程師在施工過程中核實處理。

為避免板頂以上路堤壓力不均勻，應按照《鐵路路基設計規范》；《新建客貨共線鐵路設計暫行規定》的要求，設置過渡段，回填土時應水平地分層填筑，每層厚20cm，涵洞兩邊墻外的回填土施工中應予分層夯實，最佳密實度的要求按路基設計辦理，使之對兩邊墻內洞頂以上的土體起減載作用，如圖3所示。

圖3 涵洞與路基填筑的過渡段方式

2.3 涵洞地基承載力過高的不利影響

地基土基本承載力并非一成不變的，按照現行鐵路規范要求，《鐵路橋涵設計基本規范》（TB 1002.1—2005）允許涵洞在土質地基基礎上有不超過10cm的沉降，涵洞的工后沉降不滿足上述要求時，應進行地基處理[11]。經過處理后的地基土將在荷載作用下形成固結，承載力會有所提高。

3 結語

綜上所述，在鐵路涵洞設計與施工過程中，由于涵洞的存在會使涵洞與兩側路基沉降有所差別。兩側路基填筑土的沉降量大于涵洞處沉降，由于涵洞兩側路基的沉降，對涵洞產生向下的拖拽力。造成涵頂土壓力集中和路基拉裂破壞，且隨著填土高度增加而更加嚴重。特別是當涵洞地基承載力過高時，會對涵洞基礎進行加強處理，使用涵洞與兩側路基的差異沉降越大，該現象越嚴重。另外，對涵洞過高的承載力要求將造成不必要的浪費。因此，現行鐵路規范合理考慮了路基-涵洞-地基協同受力，及填土對地基承載力的穩定作用，提出一般情況下涵洞工程地基基本承載力達到150kPa的要求即可。