山區公路高填土涵洞設計與加固要點分析

吳淀杭

（浙江數智交院科技股份有限公司，杭州 310000）

1 山區高填土涵洞裂縫概述

造成山區涵洞出現裂縫的原因較多，主要原因有：設計方案中的涵洞結構形式與工程地質條件不符、結構尺寸偏小、結構配筋不足、涵洞基礎荷載設計值不合理、沉降縫設置不合理等。施工階段有地基處理不當、臺背回填工序錯誤和壓實不夠等。高填土涵洞相對于低填土涵洞，其承受的土壓力大、對地基沉降要求更高。

2 山區公路高填土涵洞設計要點

2.1 重視涵洞基礎結構設計

對山區公路高填土涵洞進行設計時，設計人員應結合涵洞基礎結構設計確定設計方案。基礎結構設計中，涵洞臺背填土、換填設計、土拱效應控制都會改變涵洞基礎結構的應力值，使設計中的結構主體產生改變。

1）高填土涵洞基礎結構中，臺背填土會形成負摩阻力，使地基應力改變。設計人員應按照地基壓應力值設計要求，分析涵洞填土高度不同時的地基形式、預拱度[1]。

2）山區涵洞在山坳低洼處的地基本身的承載力較弱，基礎結構設計中，還應通過換填的方式增強涵洞基礎區域地基承載能力。對此，設計人員可將抗侵蝕、穩定、強度高的材料換填至地基中，改變涵洞基礎結構的大變形模量、抗壓強度。

3）涵洞填土高度大于16 m時，高填土涵洞上方會形成土拱，產生土拱效應。設計人員應充分利用土拱效應中填土高度與涵洞頂部壓力的非線性變化來計算涵洞頂部土壓力，優化高填土涵洞結構尺寸，從而減少工程造價。

2.2 明確基礎換填處理要求

山區中的地質一般為沉積土，基礎土層相對軟弱，高涵洞地基承載力低。修正高涵洞地基承載力的難度大，所以，可以通過換填地基土層的方式，使基礎層承載力符合高涵洞荷載能力、穩定性的控制要求。基礎換填是近年來提高高填土涵洞地基承載力的常用手段，主要原理是將抗侵蝕、高強度、穩定性好的材料換填到涵洞基礎下的軟弱層內，然后通過分層壓實，提高基礎層的密實度，使其滿足涵洞承載要求。但基礎換填層范圍需要控制在0.5～3.0 m，可采用的換填材料包括砂石、碎石、素土、灰土等。為保證換填后土層的壓實效果，還應控制好墊層內的含水量，以及換填后的碾壓次數。

2.3 合理選擇高填土涵洞結構形式

目前，山區高填土涵洞結構設計中，箱形涵洞和拱形涵洞較為常見。設計人員可基于山區地形條件，評估涵洞橫向、豎向荷載，確定涵洞頂部填土高度。實踐證明，相同孔徑下，拱形涵洞的結構承載力大于箱形涵洞。根據此涵洞結構特點，可以設定10 m以下填土高度以箱形涵洞較為適用，反之，10 m以上填土高度以拱形涵洞較為適用。相較于其他加固方案，箱形結構可作為涵洞中的剛構支撐構件進行加固，能夠與涵洞原結構成為整體，有利于增強涵洞穩定性，降低涵洞內裂縫、結構變形風險，同時確保加固后的涵洞結構符合山區高填土涵洞行車、過水的基本要求。

同時考慮到山區公路工程的施工便捷性，高填土涵洞結構設計多以箱形涵洞為主。箱形涵洞的結構呈箱形，可應用鋼筋混凝土現澆成整體結構，由底板、側墻、頂板、沉降縫、洞口擋塊、八字墻等組成。涵身一般為鋼筋混凝土構成的閉合式框架結構，橫截面為長方形、正方形。翼墻和涵洞洞身連成整體，運用八字式翼墻時，還應提前在洞身、翼墻的間隙布設沉降縫。涵洞洞身底由混凝土、砂礫墊層組成，沉降縫需要貫穿涵身整個斷面，方向和涵身軸線相互。高填土箱形涵洞的涵身同樣需要設置1道沉降縫，涵身長度大于20 m時，還應按照項目的實際情況，每6 m設置1道沉降縫。

2.4 加強地基荷載設計值的控制

設計山區公路高填土涵洞時，地基荷載設計值同樣會使涵洞結構變形值改變，所以，設計人員還應加強地基荷載設計值的控制。對于山區高填土涵洞區域的軟弱下臥層，其承載力驗算一般可通過平均基底壓力求解下頂面的壓力，確定該區域的偏心荷載。具體來說，設計人員應結合高填土涵洞的特點明確其變形控制要求，然后以此為依據計算地基荷載設計值、地基承載力。通常情況下，高填土涵洞荷載具體包括土壓力、填土自重，汽車活載效應較小。對于山區一級公路荷載，可結合涵洞填土厚度將涵洞活載換算為等代均布土層厚度，具體見表1。

表1 高填土涵洞填土高度及其活載情況

由表1可知，填土高度超過10 m后，涵洞活載變化值浮動較小，所以，計算涵洞地基荷載設計值時，設計人員僅需考慮土壓力、填土自重即可[2]。按照山區公路橋涵設計的相關規范可知，分離式、整體式橋涵基礎結構的地基承載力都應大于350 kPa。

3 山區公路高填土涵洞加固設計方案比選

3.1 箱形結構內嵌加固方案

1）采用箱形結構內嵌加固方案時，設計人員應詳細驗算箱形結構的最大覆土高度、填土高度等設計參數，同時在不計沖擊效應的情況下，根據箱形結構的受力情況計算其沖擊系數，分別驗算加固設計中箱形結構的截面抗彎、裂縫寬度、抗剪強度設計的可靠性。

2）基于箱形結構內嵌加固設計方案，山區公路橋梁的常見荷載組合較為特殊，應重視內嵌加固結構在承載極限狀態、正常使用狀態下的荷載要求。同時驗算內嵌加固時，涵洞正截面抗彎驗算要求，并根據主筋類型、截面抗彎要求，估算箱形結構正面抗彎承載力所需的配筋量。

3.2 增加截面加固方案

3.2.1 加固設計原理

增大截面加固方案可有效提高涵洞截面的承載力，使其抗拉、抗壓、抗彎性能符合加固設計要求。設計人員可結合山區高填土涵洞基礎結構設計、涵洞結構中裂縫類型加固處理高填土涵洞。但在通過增大截面法滿足高填土涵洞加固要求時，新澆混凝土級別應高于原有結構，且混凝土標號應不小于C30[3]。

加固過程中，各截面所用的受力鋼筋直徑應在12～25 mm，構造鋼筋直徑應在10～8 mm。焊接原有受力結構、新增縱向受力鋼筋時，短筋直徑應大于12 mm，短筋間距應小于500 mm。截面兩側同時加固處理時，還應用U形箍筋連接新增結構與原結構。在此過程中，設計人員還應準確計算高填土涵洞加固時，受彎、裂縫區域結構的抗裂性、承載力，同時根據疊合區域的構件受力特征，加固混凝土結構，使其承載力小于整澆結構。在上述橋梁工程中，截面加固方案的關鍵在于增加腹板厚度，加設后涵洞梁結構抗彎強度、抗剪強度分別提升27%、25%。

3.2.2 加固效果分析

增加截面加固方案在山區高填土涵洞工程中的應用，可減少加固設計對原結構的影響，更靈活地改變涵洞內部結構的受力情況，處理涵洞裂縫風險，使其穩固性、安全性符合山區公路橋梁工程運行要求。但是對于不同的高填土涵洞工程，增加截面加固設計的側重點會有明顯的差異性，設計人員還應根據涵洞工程的實際情況制訂增加截面加固方案。

3.3 托梁拔柱加固方案

3.3.1 加固設計原理

山區高填土涵洞加固設計中，托梁拔柱是在不拆除涵洞上部結構的基礎上，將涵洞下部結構拆除，以此通過調整涵洞結構設計的方式加固處理高填土涵洞。采用托梁拔柱加固設計方案時，相關人員可用頂升設施將涵洞上部結構頂升，并搭設臨時支護結構，然后拆除涵洞裂縫區域的襯砌結構。在此過程中，為避免出現上部結構塌落，設計人員還應在加固設計中嚴格控制拆除長度，同時在處理完臺身裂縫后，通過現澆混凝土層的方式，對涵洞結構進行加固處理。

設計人員在加固設計時，應提前確定下部結構的拆除長度和拆除范圍，同時設計裂縫區域加固處理時的混凝土配比，以及混凝土強度等級、主筋分布情況、布筋型號。對于跨河橋梁工程，其涵洞加固設計時還應考慮涵洞的排洪功能，重點改變基礎結構、涵洞豎墻的受力狀態。

3.3.2 加固設計方案

1）山區高填土涵洞加固過程中，涵洞加固結構包括基礎結構、豎墻結構、蓋板結構。蓋板厚度應不小于85 cm、基礎結構厚度不小于68 cm、豎墻高度不小于5 m，各結構的凈高、凈寬分別為5 m、6 m。在此基礎上，設計人員可建立3D設計模型，整體計算各結構的裂縫加固效果、配筋率。

2）根據模型中加固前的設計荷載，計算填土高度大于3 m時產生的荷載，確定高填土涵洞設計參數。荷載參考值包括豎墻承受壓力、涵洞蓋板壓力、活載壓力、自重壓力，以及活載產生的水平及豎向壓力等。之后，設計人員在增厚豎墻、蓋板結構的基礎上，還應模擬涵洞下部結構中豎墻與蓋板的連接設計，分析加固效果。

3）通過分析托梁拔柱加固設計效果可知，利用此種加固方案，原結構荷載設計值明顯增加，同時有利于優化涵洞截面受力，控制截面彎矩，減少加固設計對涵洞原有抗洪功能的影響。設計人員可基于該加固方案，更科學地控制涵洞墻體、蓋板結構中的配筋率，保障涵洞整體結構的安全性。

4 結語

在山區公路后期運營過程中高填土涵洞出現裂縫后應及時有效加固處理，設計人員應深入分析增大截面、托梁拔柱、箱梁內嵌等加固方案的基本優勢，并結合山區地質條件、橋身裂縫成因等實際情況選擇更適用的加固設計方案。