高填方涵洞设计关键技术浅析

刘 洋

(军博展览大楼加固改造工程管理办公室，北京 100000)

高填方涵洞设计关键技术浅析

刘 洋

(军博展览大楼加固改造工程管理办公室，北京 100000)

涵洞是公路工程建设中数量最多的构筑物，而高填方涵洞不同于一般的结构物，由于涵土间共同作用，其受力机理较为复杂，从该类型涵洞特点出发，探讨了高填方涵洞设计及施工几个关键性技术问题，重点分析了高填方涵洞垂直土压力计算取值、地基处理方案以及涵洞土压力减载措施，为高填方涵洞的工程设计实践提供了参考。

高填方，涵洞，减荷，地基处理

1 概述

高填方涵洞填土较高，洞顶承受较大的压力荷载，国内外对高填涵洞的研究已有较为丰富的成果。高填方刚性涵洞在高速公路建设中的应用非常广泛，尤其是在西北，西南地区，高填方刚性涵洞尤为普遍。主要有以下特点:

地形条件变化大，涵洞顶填土高度大；结构承受荷载大，受力复杂，在我国西部地区的高填方涵洞的填土高度一般会达到20 m～30 m，同时涵洞本身结构形式不同，使得涵洞结构受力更为复杂。对地基承载力和沉降控制要求高，由于涵洞结构与土体之间的刚度差异，尤其是上埋式涵洞，涵洞顶会产生较大的土压力集中。

高填方涵洞常见病害[1]主要表现在：地基承载力不够；地基处理不当；地基沉降和不均匀沉降；洞顶土压力计算偏小；其他施工质量缺陷。

高填方涵洞尤其是位于软土地区的涵洞是涵洞设计难点，由于涵洞结构与填土之间复杂共同作用，涵洞土压力与涵洞结构构型以及地基方案相互影响，同时也影响涵洞结构本身的受力。如不能重视土压力计算或采用合理的地基方案，往往造成涵洞截面及配筋过大，施工困难，或引发各种涵洞病害。因此，如何合理设计进行涵洞设计，本文重点对高填方涵洞在设计过程中的关键技术问题进行了探讨。

2 高填方涵洞土压力计算

目前，涵洞竖向土压力的计算有三种计算方法[2]：1)“等沉面”理论；2)“卸载拱”理论；3)“土柱”法。其中“等沉面”理论应用比较广泛，计算结果得到的土压力最大，比较适用于新填土上埋式涵洞。“卸载拱”理论，只适用于沟埋式涵洞或者顶管法施工的涵洞，所计算的竖向土压最小。“土柱”法计算比较简单，计算结果则介于上述两者之间。

我国现行铁路规范[3]涵洞顶土压力采用了集中系数法，实际采用的是马斯顿“等沉面”理论的基本概念。从国内外一些上埋式涵洞土压力实测资料以及病害来看，竖向力都大于土柱自重，因此，新填土上埋式涵洞采用“土柱”法显然偏不安全，公路部门于2007年出台的涵洞设计细则[4]则基本借用了铁路的集中系数法。现行水工荷载规范[5]对上埋式埋管土压力同样采用集中系数法，集中系数大小则根据地基刚度(地基土类型)及管沟尺寸及覆土高度确定，对基岩地基集中系数最大约1.42。

美国公路桥涵设计规范(AASHTO 2010)则认为涵土相互作用的效应取决于涵洞的埋设类型及两侧填土的压实度，对上埋式涵洞，涵顶土压力集中系数在1.15～1.4范围。

加拿大公路桥涵设计规范(Canadian Highway Bridge Design Code)对上埋式涵洞同样采用集中系数法，对圆管集中系数在1.35～1.45之间，对方涵集中系数在1.2～1.35之间。

高填方涵洞洞顶压力影响因素较为复杂，且压力值会随着时间及水文环境的变化而变化。目前各种土压力计算方法都是在各种假定基础上推导出来的，与实际有一定的出入。设计者应该根据不同的边界条件、涵洞洞型尺寸以及填料要求等选择合适的计算理论。

3 高填方涵洞地基处理

高填方涵洞地基与基础的受力特性与一般的建筑物地基不同，涵洞顶部及两侧的填土对涵洞基础具有约束效应，涵土共同作用的效果显著，为避免涵洞顶部土压力集中，应按照涵洞地基与两侧路基基本等强原则设计，而不宜处理成“强涵洞、弱路基”。当涵洞地基承载力不足或存在软弱土层时，可采用换填、强夯或者其他复合地基形式。

3.1换填垫层法

当涵洞位于软弱土地基时，其承载力和变形满足不了涵洞的要求,如果软弱土层的厚度不很大,可将基础底面(两侧外扩一定宽度)下处理范围内的软弱土层部分或全部挖去,然后换填强度较大的碎石、圆砾、石屑等，级配良好，并压(夯、振)实至要求的密实度为止,这种地基处理方法称为换填法。当涵洞对变形要求较高时，也可采用土工合成材料加筋垫层，即采用单层或多层土工格栅或土工织物，并在垫层边缘留设足够的锚固长度，使加筋层充分受拉，以有效约束填料的变形。工程中常用的换填碎石垫层正是利用碎石的高强度、较大的压力扩散角来换填涵洞基底软弱土层,提高地基承载力以满足设计要求。一般情况下换填深度宜控制在3.0 m以内。软弱层厚度大于3.0 m时宜采用其他措施处理。对垫层的设计,应该注意垫层具有足够的厚度和宽度，保证涵洞基底荷载有效扩散传递。

3.2强夯及强夯置换

强夯法是反复将夯锤提升到一定高度使其自由下落，给地基以冲击和振动能量，从而提高地基承载力并降低其压缩性，强夯法适用于碎石土、砂土、低饱和度的粉土和黏性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。强夯置换是将夯坑内填筑块石、碎石等粗颗粒材料，用夯锤连续夯击形成强夯置换墩，强夯置换适用于高饱和粉土与软塑～流塑状黏性土。例如：强夯碎石桩工艺处理，置换材料采用级配良好的碎石、块石等坚硬粗颗粒，粒径超过30 cm的含量不超过30%，一般单次夯击能不大于4 000 kN·m，最后两击的平均夯沉量控制在50 mm。

3.3旋喷桩复合地基

旋喷桩通过高压喷射注浆，在其连续和集中作用区域，压力和冲蚀作用下土体、注浆液充分搅拌、凝固，形成新的固结体，实践表明，该方法对淤泥、淤泥质土、流塑及软塑黏性土、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土都具有良好的加固处理效果。根据工程条件，可采用单管法、双管法和三管法三种工艺。

水泥旋喷桩加固涵洞地基的效果比较明显，常用单层注浆注射管喷射水泥浆液。当需要对局部部位扩大加固范围或者提高强度时，可以采用复喷措施。

3.4预制桩或CFG桩复合地基

该方法工艺成熟、质量有保证。桩型应根据上部结构及荷载条件确定，桩间距宜在3d～5d之间。桩顶与涵洞之间设置30 cm碎石褥垫层。

以上处理方法各有优缺点，应结合当地的施工条件和地质情况分析采用，一般对于软土厚度不大于3 m时，可采用换填、强夯或者强夯置换处理，大于3 m，可采用复合地基处理。对于淤泥厚度较大，流动速率比一般软土大时，则宜选择预制桩复合地基处理。

3.5工程实例

西部某机场场内存在3处穿货运路排水暗涵，暗涵内部尺寸为4.0 m×3.0 m，上部覆土约8.0 m～13.0 m，采用钢筋混凝土箱涵结构形式，根据工程进度要求需要采用明挖形式。该工程场地地层主要由粉质黏土、素填土及强～中风化砂质泥岩、砂岩组成，土层厚度变化较大。其中粉质黏土、素填土承载力较低，压缩模量小，不满足设计要求。涵顶主要为素填土，箱涵底主要为粉质黏土、素填土及强、中风化砂质泥岩、砂岩。由于粉质黏土、素填土承载力较低，压缩模量小，不满足设计要求，根据基底软弱土层的厚度，结合周边厂区地基处理方案，本工程主要采用了换填垫层法和强夯置换两种地基处理方案，同时对于基底落在坚硬基岩区段，对其基地超挖50 cm并回填级配碎石。其中换填垫层如图1所示。

同时，对局部基底软土在6 m～8 m厚度区域，彻底清除淤泥、耕土及生活垃圾等，且基底以下清除厚度不小于2.5 m，然后铺设1.5 m厚中风化砂岩垫层(要求级配良好，最大粒径不大于40 cm)，再用3 000 kN·m的强夯能标准进行强夯，且宽出基础垫层边缘不小于4 m。目前，工程已经全部投入使用且现场运行状况正常。

4 高填方涵洞减载措施及施工

根据土拱效应原理，填土既是荷载又是介质，通过工程措施和方法，可以达到减小上部土压力的目的，充分利用“土拱效应”，使得涵洞外侧土柱与涵洞共同承担涵顶重量。目前常用的减载方法主要是较小涵洞顶部土压力。主要包括以下方案[1,2,6,7]：

1)在涵洞顶一定厚度范围采用高压缩性填充物，如EPS板、海绵等，使得柔性材料与周围填土形成沉降差异，从而达到卸载减荷的目的；另外一种就是在涵洞上方一定高度和宽度范围填筑回填度较低的软土，形成中间松散两侧密实的状态，同时在软土上方分层加筋(钢筋或者土工布)，并在两段密实区域充分锚固，通过加载后中间的软土与周围之间形成沉降差，使得上部土压力作用经由加强筋传至两侧，从而达到减小涵洞顶土压力的减载目的。2)在地基承载力能满足要求的前提下，加强涵洞两侧地基，相对削弱涵洞地基，使得涵洞顶部填土荷载卸载至两侧土柱，进而达到减载的目标。3)在涵洞侧壁外包裹或粘贴柔性材料，减小土体传递给暗涵结构的下沉拉力。对涵顶以上的填土，每一层填土压实后，再在涵洞两侧沿纵向切割缝隙，并用EPS挤塑板或虚土回灌缝隙，如此在涵洞顶两侧基本形成土体剪切隔离面，从而减小因沉降差由外侧土传递至涵顶的竖向压力。

5 结语

涵洞结构与其他桥梁等构筑相比，形式上相当简单，尤其是高填方涵洞其受力实际上较为复杂，但是往往由于设计及施工不够重视合理，则容易造成受力不合理，容易开裂、沉降等病害缺陷。因此，设计人员在方案阶段应该仔细调研、收集相关的水文、地质环境以及施工条件和水平，根据涵洞的埋设方式、地基土性状等合理确定涵洞结构形式，结合现行土压力计算理论和规范要求，综合制定相互协调的地基处理方案。

填方路基处理涵洞地基处理和加固的好坏，直接影响涵洞地基处理强度、地基稳定性和地基变形；填方路基涵洞基础的设计直接影响整体涵洞的质量及工程造价。

[1] 谢永利,刘保健，杨晓光.公路涵洞工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2] 陈宝国.高填方刚性涵洞土压力计算理论与应用[M].北京：中国建筑出版社,2015.

[3] TB 10002D1—2005,铁路桥涵设计基本规范[S].

[4] JTG/TD 6504—2007,公路涵洞设计细则[S].

[5] DL 5077—1997,水工建筑物荷载设计规范[S].

[6] 余 扬.高填土涵洞和软土地基涵洞设计关键技术问题探讨[J].浙江交通职业技术学院学报,2009(9)：13-15.

[7] 刘保健，谢永利，程海涛，等.上埋式公路涵洞地基及基础的设计[J].长安大学学报(自然科学版),2006，5(3)：17-19.

Thekeyproblemofdesigninhighfillculvert

LiuYang

(ManagementOfficeofReinforcementandReconstructionProjectofMilitaryExhibitionBuilding,Beijing100000,China)

Culvert is the largest number of structures in the construction of highway engineering, while the high fill culvert is different from the ordinary structure. The stress mechanism of the high fill culvert is quite complex, because of soil-structure interaction. This article discussed several key technical problems in design and construction of high fill culvert, and emphatically analyzed the vertical earth pressure, foundation treatment as well as measures about reducing load. It provided reference for engineering design practice in high fill culverts.

high fill, culvert, reducing load, foundation treatment

1009-6825(2017)28-0187-02

2017-07-24

刘 洋(1977- ),男，工程师

U449.1

A