软土地基涵洞两侧填土对洞身基底应力影响分析

顾 海 荣

(江苏省送变电公司，江苏 南京 211102)



软土地基涵洞两侧填土对洞身基底应力影响分析

顾 海 荣

(江苏省送变电公司，江苏 南京 211102)

介绍了现有沟埋式涵洞顶部土压力理论计算方法，并探讨了软土地基中考虑涵洞洞身两侧回填土体影响后的基底应力计算方法，指出沟埋式涵洞设计过程中应充分考虑涵洞两侧回填土体附加应力对基底应力的影响。

软土地基，沟埋式涵洞，回填土，基底应力

0 引言

涵洞是电力、水利、铁路、公路工程项目中一种常用的构筑物，按埋置方式有沟埋式、填埋式和隧洞式，在电力工程中又常根据埋置深度分高涵、低涵。涵洞的施工方案均采用明挖形式。通常认为涵洞顶部的垂直土压力是涵洞地基处理、结构计算中的主要荷载。确定洞顶的垂直荷载公式较多，但均没有成熟的理论。在一些软土基础上，由于承载力要求，通常对洞身基础范围内地基进行处理，处理方式通常采用刚性桩基础或复合地基，而又由于基础处理过程中施工机械要求，涵洞基底开挖宽度要远大于洞身断面尺寸，而为满足新填土与原堤(坝)身相接要求，两侧边坡开挖坡比通常不能陡于1∶3，这样，整个开挖就是一个大的倒梯形断面，开挖断面相比洞身断面而言，往往是几倍甚至几十倍的关系。在软土地基上，涵洞两侧填土的沉降会对涵洞的基底应力及沉降产生不利影响。

1 现有沟埋式涵洞顶部土压力理论计算

根据文献[1],对于夯实良好的土，当沟槽为梯形断面时，作用于沟埋式涵洞单位长度洞顶的垂直土压力采用式(1)计算：

(1)

其中，B1为涵洞宽度；B0为洞顶处槽宽；Hd为洞顶距地面深度或填土高度；Kg为垂直土压力系数，依据填土类型和参数Hd/B1查表求得，对于松散砂类土或软土，取值为0.5～1.0，对于基岩，取值为0.4～1.0。

对于沟槽过宽时，若按式(1)计算的垂直土压力大于上埋式的计算值时，则应按上埋式式(2)计算：

q=KgγHd

(2)

其中，Kg为垂直土压力系数，对于松散砂类土或软土，取值为1.0，对于基岩，取值为1.42～1.0。

现行《水工建筑物荷载设计规范》对上埋式埋管的土压力计算

做了如下规定:作用在单位长度埋管上的垂直土压力标准值可按式(3)计算：

Fsk=KγHD

(3)

其中，Fsk为埋管垂直土压力标准值，kN/m;K为埋管垂直土压力系数，与地基刚度有关，可根据地基类别查取；γ为填土的重度，kN/m3；H为埋管以上填土高度，m；D为埋管外直径，m。

2 软土地基中考虑涵洞洞身两侧回填土体影响后的基底应力计算

对于软土地基，为满足承载力的需求，需对地基进行加固处理，加固区刚度比较大，洞身范围以外为天然地基，在土体回填过程中，在涵洞两侧回填土以及上部回填土自重等荷载的作用下，发生沉降变形，涵洞基础范围内沉降量小于涵管两侧地基的沉陷量，导致顶部填土与侧填土的沉降不同，箱涵基础与两侧地基之间的沉降差，使得箱涵除了承受顶部填土的自重外，还承受由于侧填土沉降大于顶部填土沉降而产生的向下的摩擦力，该摩阻力使涵洞顶部产生土压力集中现象，因而涵洞顶垂直土压力大于同高度土柱自重。

文献[3]依据Marston-Spangler理论的基本原理，将涵洞顶土压力分为洞顶土体自重应力和两侧填土对洞顶产生的附加应力进行计算。假设涵洞为完全刚性，建立简化计算模型，取单位长度进行讨论，涵洞高宽比h/D=1。计算简图见图1，根据微元沿垂直方向的力的平衡，列平衡方程。

(4)

将式(4)化简得：

(5)

解此微分方程得：

(6)

由h1=0，q1=0的边界条件确定常数C，得：

(7)

作用于土体上的附加土压力为：

(8)

涵洞顶部总土压力为P1=DHγ+F1。

根据前述计算公式，涵洞洞顶的垂直土压力不仅与填土高度、基底宽度、地基刚度及填土性质有关，而且与洞身两侧填土产生的附加应力有关，根据笔者多年设计经验，对于地基均匀，刚度较大的地基，天然地基承载力能够满足设计要求的情况，采用荷载规范推荐的公式进行计算，得出的结论与实际情况基本相符。但对于部分软土地基，如果在涵洞基础处理、结构计算时，忽略洞身两则回填土所产生的附加应力对洞身的影响，往往会导致工程的失败。

3 某软土地基上涵洞两侧回填土体附加应力对基底应力影响分析

导致以上地下连续墙墙面露筋事故的原因较为复杂，总体可以分为地质条件原因、场地环境原因、施工技术原因等。收集所研究车站现场的各项施工相关数据，包括：泥浆参数(配合比、物理性质)、混凝土参数(配合比、充盈系数)、成槽机械设备、成槽施工速度、导墙参数、监测数据对比等，研究各种因素对地下连续墙露筋事故产生的影响。

3.1 工程概况

该工程位于长江江堤上，为一自排低涵，洞身采用钢筋混凝土结构，孔口尺寸2m×2m，洞身纵剖面图如图2所示。

根据原地质勘察结果，涵洞基础持力层为②层淤泥质软土层，承载力特征值为60kPa～80kPa，基础以下层厚12.80m～13.80m，Es=3.3MPa。

根据原施工图设计成果，在未考虑原涵洞两侧回填土体附加应力影响下，涵洞基底最大应力为144.7kPa，基础处理采用水泥土搅拌桩处理，桩距为1.0m，方形布置，桩径0.5m，桩底高程-15m，桩身水泥掺量为15%。加固后地基承载力及最大沉降量和沉降差能够满足设计要求。

工程于2002年11月开工建设，2003年8月完工，工程投入运行后，洞身沉降一直增加，到2012年由于沉降量过大，涵洞出口闸门已无法启闭，根据现场测量结果，涵洞最大沉降量为908mm，最大沉降差375mm，2012年，工程彻底报废。

3.2 附加应力计算

涵洞基底应力分析，根据原设计成果，涵洞洞身加固区范围内地基承载由80kPa提高到140kPa，加固区土体压缩模量由3.3MPa提高到28MPa，但洞身两侧土体回填在天然地基上，根据计算，涵洞底宽2.8m，基底开挖宽度6m，取回填土自重γ=18kN/m3，c=5kPa,φ=25°,泊松比μ=0.30，对应于不同高度的填土，附加应力及自重应力计算结果如表1所示。

表1 涵洞基底应力计算

根据计算结果，两侧填土沉降对涵洞顶部产生的附加应力大于洞顶土柱产生的自重应力，总应力增加1倍多，原水泥桩地基处理方案不能满足承载力要求。

4 结语

在软土基础上，涵洞两侧填土较高对涵洞基底应力影响较大，在通常设计中，如果单纯考虑涵洞顶部回填土的影响，而忽略两侧填土对洞顶土体产生的附加应力，往往会导致工程的失败。

[1] 管枫年,洪仁济.涵洞[M].第2版.北京:水利电力出版社,1989:35-47.

[2]DL5077—1997，水工建筑物荷载设计规范[S].

[3] 李永刚,李 珠,张善元.矩形沟埋涵洞顶部垂直土压力[J].工程力学,2008(1):155-160.

[4]GB50217—2007，电力工程电缆设计规范[S].

On influence of soft soil foundation culvert’s two-side filler on tunnel base stress

Gu Hairong

(JiangsuPowerTransmissionandDistributionCompany,Nanjing211102,China)

The paper introduces the calculation method of the buried culvert top soil pressure, explores the base stress calculation methods by considering the culvert two-side refilling of the soft soil foundation, and points out the influence of the added stress of the culvert two-side refilling on the base stress should be considered in the buried convert design process.

soft soil foundation, buried culvert, refilling, base stress

1009-6825(2016)31-0076-02

2016-08-27

顾海荣(1975- )，男，硕士，高级工程师，注册一级建造师

TU447

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