高填方涵洞地基的处理技术分析

王 森 绵阳市川交公路规划勘察设计有限公司，四川 绵阳 621000

在山区公路的设计和建设过程中，为了减少山区雨水冲刷对道路的影响，设置涵洞是一种非常有效的方式，目前的涵洞地基设计多通过增加结构尺寸来保证安全，没有采取有效的减载措施，而高填方涵洞的上部荷载大，对涵洞和地基承载力都提出了更高的要求，因此，常规的涵洞设计和施工方案对高填方涵洞的安全构成了较大的影响。

1 涵洞与地基承载力

1.1 涵洞的作用于类型

南方雨季降水量充沛，山区在暴雨冲刷下很容形成明显的冲沟，山区公路在跨越该冲沟或流量不大的小河沟时，应根据自然条件在尽量保持冲沟或小河沟水流天然状态的前提下，在适当的位置加设涵洞。通常情况下，在地势起伏、峰谷交替的低洼(沟谷)处、路线纵坡由下坡变为上坡的凹形竖曲线处等特殊地段都是考虑涵洞设置的重点路段。

根据山区地形和工程项目路段的具体特点，山区公路高填方涵洞的典型涵洞有以下几种:一是狭窄沟谷、沟心处设置的涵洞，其特点是胸腔较窄，涵洞受力与位移受填土高度、边坡角度等因素的影响较大;二是狭窄沟谷坡脚设置的涵洞，其特点是涵洞位于岸坡脚，偏载效应影响显著，涵洞主体受力不均，不均匀沉降较大;三是宽坦地形的沟心处设置的涵洞，其特点是涵洞位于岸坡上，基底刚度较大，涵洞顶部的土压力易集中;四是半填半挖或半软半硬高填方路基，其特点是基础易产生不均匀沉降或基底土体的剪切破坏;五是高填土(软基)上设涵，其特点是涵洞基础置于软基上，基底沉降较大，易产生基础基底土体的剪切破坏。

1.2 地基承载力的确定

公路路基在承载力设计时，应当在保证地基不发生强度破坏而丧失稳定性的前提下保证构造物不发生影响其安全与正常使用的过大位移或不均匀沉降。目前常用的路基承载力设计方法是通过计算地基的临塑荷载、临界荷载或者极限荷载再除以安全系数，可以得到考虑埋深效应的地基承载力设计值。常用的公式有以下两个:

(1)太沙基公式。太沙基公式将基底压力视为均匀分布，因此，该公式特别适用于地基土较密实的场合。太沙基地基极限荷载公式为:

其中:Pu为地基的极限荷载，γ 为土的重度，B 为基础宽度，c 为土的黏聚力，q 为傍载压力，Nr、Nc、Nq 为与土体内摩擦角有关的系数，这三个参数可以通过查太沙基极限荷载系数表得到。

(2)斯凯普顿公式。斯凯普顿公式该公式适用于基础埋深d≤2.5b 的浅基础，对于高速公路构造物基础宽度一般为6 m 以上，15 m厚(从基底至路基顶面)的填方地段，该公式仍然适用。该公式如下:

式中:d 为基础埋深，b 为基础宽，l 为基础长。当以无限长条形基础为对象，取l=∞。

在高填方涵洞的设计要求中，随着路基的填筑，地基的基本承载力也得到相当程度的提高，其承载力大多在600 kPa 以上，因此按照常规的路基设计标准，地基承载力很难达到要求，同时也会造成涵顶的应力集中加剧，使涵洞构造物受力不合理。因此，在高填方涵洞路基设计中还需要对地基承载力的修正进行必要的考虑。

2 地基处理的原则

在进行高填路方涵洞设计时，设计人员经常在没有正确认识高填方路段涵洞构造物及其地基特点的情况下对地基的承载力提出了过高的要求，因此，设计处的方案偏于保守，不利于经济的最大化和效益的最高化。实践和理论表明，涵洞地基压缩模量越大，涵洞顶部受到的土压力越大，涵顶应力集中现象越严重，同时对涵洞构造物强度的要求就越高，涵洞地基处理时只需满足合理的承载力要求，不必将承载力要求提得过高。此外，对高填方路段涵洞的地基处理宜适当考虑固结、压密等作用引起的地基承载力增长，对地基承载力修正计算后再确定合理的处理方案。此外，根据各类工程对地基土强度和变形的不同要求，地基土的处理应该按照如下原则进行:一是对地基强度和变形要求较高的高填涵和高填土路基应该采用深层处理，二是对地基强度和变形要求较小的一般涵洞和低路堤可以采用浅层处理，三是桥头、高填涵两侧路基和填挖结合部路基等易产生不均匀沉降的路段也采用深层处理。

涵洞顶部的土压力大小直接取决于涵顶平面沉降差，在对软弱地基仅做涵底范围的处理时，涵体沉降将小于涵周土沉降，这将导致涵顶应力的集中。因此，在具体的地基处理过程中，应当从减小涵顶平面沉降差的观点出发，依据涵洞构造物软基路段的典形特征，建立相应的力学模型，进行沉降近似计算分析。

3 对高填方涵洞的加筋减载处理

3.1 高填方涵洞的地基病害及常用解决措施

高填方路段的涵洞上方覆填土的高度大多都在10m 以上，甚至会超过50m，因此填土荷载大，受到复杂地形条件的影响，涵洞的受力及变形特性十分复杂，因此山区高等级公路中许多高填方涵洞均已开裂甚至垮塌，严重影响到公路的正常使用。通过前面叙述可知，涵洞主体存在应力集中和不均匀沉降的问题很容易引起各种不同程度的病害。针对高填方涵洞土压力过大的问题，国内外学者对涵洞减载措施进行了研究。

高填方路段的土压力集中使得涵洞时常产生纵向开裂现象，成为山区高填方涵洞工程的典型病害。目前采取的减载措施主要是通过改变填土体的沉降特性，即在涵洞上方进行人工的土拱效应，使作用在涵洞顶部的填土向涵洞两侧传递，譬如中松侧实法、柔性填料法等。但是这种减载方法没有考虑到沉降引起的地面变形，且质量和效果难以得到保障，因此，这些减载措施难以在实际的工程实践中得到应用。现阶段更多的工程仍是通过加大结构尺寸以保证涵洞的安全，而不是应用减载的方法。

3.2 加筋减载技术

加筋减载法的核心思想是在涵洞上方设置装有压实度较低的松散填料减载孔，并对减载孔两侧的土体进行分层压实，此外，通过在减载孔上方铺设土工格栅，格栅在上部土体的沉降过程中发生向下的挠曲变形，土工格栅需要铺设多层，格栅两端分别锚固于减载孔外侧密实度较高的填土中，形成加筋桥，各层格栅间的填土采用路基开挖的原位土填筑，最大粒径不大于0.6 倍格栅间距，压实度和压实方法与周围土体相同。此时，涵顶部分荷载将通过格栅的拉力传递给减载孔两侧的土体，由于涵洞上方的土体沉降量大于周围土体的压缩量，从而产生一个向下的相对位移，导致周围土体给涵洞上方土体提供了一个向上的摩擦力，以抵消该部分土体的自重荷载，减小涵顶土压力，该过程中铺设的格栅有利于控制由松散填料压缩量过大造成的上部路堤的不均匀沉降，避免引起路面结构的破坏。

这种减载技术虽然能对高填方涵洞地基起到一定的加固保护作用，但是也存在自身的缺陷，首先就是涵洞受力及变形特性受复杂地质影响大，涵洞受力不对称，易引起涵洞涵顶与墙身分离开裂，涵顶加筋减载效果有限，涵顶开裂现象仍然存在，且该方案容易将涵顶荷载转移至侧墙，使得涵洞侧墙开裂现象有所增加;

3.3 注浆加筋技术

为了有效克服原有普通减载措施的以下不足，减少涵洞上侧的负荷条件，降低涵体所受到的土压力，并涵洞的受力进行优化，让涵体的受力更加合理，本文针对性的提出了一种涵洞注浆加筋减载方法。注浆加筋减载方法在原有加筋减载方法的基础上，通过对涵周填筑碎石并注浆来提高涵侧土体刚度，注浆加筋减载结构由加固区、筋材、碎石垫层和减载孔组成，加固区位于涵洞的两侧，减载孔位于涵顶的正上方，筋材和碎石垫层位于减载孔上方。加固区、筋材、碎石垫层和减载孔组成一个减载体系，通过加固区上填土的土拱效应和筋材的张拉膜效应，使大部分填土荷载传递至加固区，并沿加固区传递至地基。

(1)栅格强度。通过对涵洞进行注浆加固结合加筋减载时所采用的格栅刚度对减载效果的影响进行了算分析可知，不同格栅刚度下涵顶土压力分布和拱圈内力分布相差不大。一般情况下，随着格栅刚度的增大，涵顶土压力变化不大。例如，格栅刚度从10kN/m 增大到5000kN/m，涵顶土压力大约增大2kPa，增幅只有0.9%左右。由此可知，在选取格栅时，可以不以减载效果作为格栅刚度的确定依据，而根据格栅变形要求来选择刚度合适的格栅。

(2)注浆区模量。随着注浆区模量的增加，涵顶最大土压力和拱圈最大轴力都将逐渐减小。例如，注浆区模量从10MPa 增大到150MPa，涵顶土压力减幅约为11%，而拱圈最大轴力减幅约16%。当注浆区模量达到一定数量以后，注浆区模量的提高将对涵顶土压力和拱圈最大轴力的影响都将变的很小。但是初始阶段随着注浆区模量的增加，拱圈最大剪力和拱圈最大弯矩都将急剧减小，减幅可达23%

综上可知，随着注浆区模量的增大，总体上涵顶土压力及拱圈内力均呈减小趋势，并最终趋于稳定，当注浆区模量达到一定范围后，涵顶土压力和拱圈的内力达到较小值，进一步提高注浆区模量对涵顶土压力和拱圈内力的减小并不明显，因此在对注浆区进行换填或加固时，注浆区的模量达到一定量时即可获得较好的减载效果。

4 结束语

本文主要对山区高速公路高填方涵洞的地基处理技术进行了探讨和研究，主要对当前常用高填方涵洞地处处理技术进行了介绍，对加筋减载技术做了分析说明，指出了当前处理高填方涵洞方法的不足和常遇到的一些问题。最后通过对注浆加筋技术的介绍，指出通过在注浆加固区顶部铺设土工格栅能够进一步降低涵顶土压力和拱圈内力，且在选择格栅时，可不考虑刚度对减载效果的影响，只需格栅刚度满足格栅抗拉和变形要求。而在对注浆区进行换填或加固时，适当提高注浆区的模量至一定量时即能获得较好的减载效果。本文的研究成果具有一定的理论意义和实际价值，可为工程设计提供参考。

［1］郑俊杰，马强，陈保国.高填方涵洞地基承载力分析［J］.华中科技大学报自然科学版，2009，37(4):115-118.

［2］杨锡武，张永兴.山区公路高填方涵洞加筋桥减载方法及其设计理论研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(9):1561-1571.

［3］Garg A K，Abolmaali A，Fernandez R.Experimental Investigation of shear capacity of precast reinforced concrete box culverts.Journal of Bridge ngineering，2007，12(4):511-517.