简述瓮马铁路涵洞地基承载力设计问题

兰定忠

（中铁二院贵阳勘察设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550002）

0 引言

新建瓮安至马场坪铁路，是贵州省铁路规划网中的资源开发铁路，自既有沪昆线福泉站凯里端增设马场坪车站引出，北至瓮安县城附近，按国铁II级单线电气化货运专线建设，设计时速120km。是全国路网首条采用“PPP模式+自建自营”的地方资源型铁路，对中国铁路建设引入社会资本的PPP模式推广意义重大。由于社会投资人对铁路现行规范不熟悉，在实际施工过程中关于技术问题容易产生分歧。关于涵洞地基承载力问题主要有以下两个方面。

（1）现行规范中地基基本承载力相对于极限承载力的安全系数。

（2）涵洞地基承载力要求为大于或等于150kPa的依据。

1 涵洞设计与施工中地基承载力论述

1.1 现行规范地基承载力设计方法

通过对比公路及铁路各行业的地基设计规范，发现地基承载力设计的理念基本相同，均是基于某一特定深度及宽度的基础地基容许承载力。该地基容许承载力被称为地基基本承载力，在铁路和公路行业规范中以宽度小于等于2m，埋深小于等于3m的地基容许承载力作为基本值。实际使用时对基本承载力做深度宽度修正，得到相应基础的容许承载力[1]。

地基基本承载力的获取有很多种方式，最为准确的是平板荷载试验。然而针对一般铁路工程来说，不采用平板载荷试验来确定承载力，因其成本极大且耗时较长，一般采用室内试验、标准贯入、静力触探或其他原位测试等易于操作的试验手段来确定。例如，可以通过原位测试数据，如SPT击数、LDPT击数等，依据相应的公式或表格获取；也可以通过室内试验数据，如密实程度、孔隙比e、天然含水率ω、液限ωL等，根据测试数据从规范中的表格中查取获得。地质工程师在现场对涵洞地基承力进行标准贯入法测试如图1所示。

图1 地质工程师在现场对涵洞地基承力进行标准贯入法测试

瓮马铁路工程中，地基土的土体为非连续介质，其性质的影响因素很多。因此不能通过单一方式给出地基土的基本承载力[2]。地质专业工程师在实际操作中往往是结合自身经验，采用多种方式相互验证。一般在勘察设计阶段给出的基本承载力值，开工前仍需通过现场试验来验证。

1.2 现行规范中地基基本承载力的安全系数

因为现行规范采取了上述设计理念，因此规范没有明确指出何种土质采用了何种安全系数。另一方面也是因为地基承载力存在地区差异性，人为限定安全系数取值也有不合理之处。毋庸置疑的是，现行铁路规范基本承载力取值存在可靠的安全度，这可以从一些规范条文中看出。

《铁路工程地质原位测试规程》（TB 10018—2003）[注：最新版为2018年版，因瓮马铁路建设跨度为2015—2019年度，执行勘察设计施工过程阶段标准]有通过平板荷载试验取得地基基本承载力的相关规定。从中可以看出，地基基本承载力取值的安全系数一般大于2。另外，对于高压缩性土体，P-S曲线往往无明显拐点，因此按照一定的相对沉降量对应的荷载值为基本承载力。采用双曲线拟合法获得基本承载力时的安全系数F为2～3[3]。

《铁路工程地质勘查规范》（TB 10012—2007）[注：最新版为2019年版，执行勘察设计施工过程阶段标准]附录D给出了通过室内试验参数获取基本承载力及极限承载力的参考表格。可以看出，岩石地基极限承载力与基本承载力为2.5～3倍关系；碎石类土地基的极限承载力与基本承载力关系一般为2～3倍，松散的角砾土为1.7倍关系；砂类土地基的极限承载力与基本承载力关系一般为2倍关系；粉土地基的极限承载力与基本承载力约为1.86倍的关系[4]；Q4冲、洪积黏性土地基的极限承载力与基本承载力关系一般为1.86倍；残积黏性土地基的极限承载力与基本承载力一般为2倍关系；软土地基的极限承载力与基本承载力的关系约为1.8倍关系。

《铁路工程地质原位测试规程》（TB 10018—2003）给出了通过动力触探试验获取基本承载力及极限承载力的参考表格。可以看出黏性土地基极限承载力与基本承载力为1.8～1.86倍关系；砂类土地基极限承载力与基本承载力为2倍关系；碎石类土地基极限承载力与基本承载力关系为2.3倍左右。

地基基本承载力影响因素较多，具有一定的地区差异性。中国规范积累了几十年的铁路建设经验，在应用过程中不断完善修订。并且地域广泛，对各种地形地貌及自然条件下的地基土特性均有经验可依。

2 瓮马铁路整体式基础涵洞地基承载力要求为150kPa阐述

2.1 瓮马铁路涵洞基底压应力计算

对于涵洞基底所承受的压应力，应根据不同涵顶填土高度计算。在采用的标准图集中，都包含了不同涵洞基底压应力的计算。计算涵洞基底压应力应包括涵洞填土重、列车活载及涵身自重[5]。根据瓮马铁路涵洞设计参考图及个别设计图计算的基底容许承载应力。

通过与咨询计算结果对比发现，基底压应力计算结果双方差异不大，这是因为计算方法略有差别。一般来说，涵洞基底压应力接近于基底标高处路基填土压力。大量的工程实践及规范证实，对一般路基工程，I级铁路地基基本承载力只要达到150kPa，并且满足沉降设计要求即可，对于软基段落才进行检算及特殊设计。例如，《铁路路基设计规范》（TB 10001—2005）第7.1.5条：“地基表层为软弱土层，当其静力触探比贯入阻力Ps值：I级铁路小于1.2MPa，II级铁路小于1.0MPa时；或天然地基基本承载力σ0：I级铁路小于0.15MPa，II级铁路小于0.12MPa时，应根据软弱土层的性质、厚度、含水率、地表积水深度等，采取排水疏干、挖除换填、抛石挤淤或填砂砾石等地基加固措施[6]。”

2.2 从地基破坏原理说明基础埋深、侧填土荷载对地基承载力的影响

土质地基在荷载作用下地基呈整体破坏模式，在荷载作用下，基础两侧一定范围内土体逐渐达到塑性，形成贯通破裂面并向上挤出。依据极限平衡状态推导出地基极限承载力，基础极限破坏理论考虑了基础宽度及地面超载对承载力的影响[7]。

铁路作为沿长度方向的带状工程，涵洞两侧路基填土压力可以防止土体挤出破坏，因此对地基土的破坏起到稳定作用。其容许承载力还需考虑涵洞侧填土的影响。依据《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093—2005）第4.1.3条和第4.1.4条，考虑基础宽度、深度修正[8]，计算得出瓮马铁路具代表性明挖基础的地基容许承载力，容许承载力计算公式如下。

当基础宽度b≤2m、埋置深度h＞3m时，涵洞基础的基底容许承载力计算公式如下。

式中：[σ]——地基容许承载力，kPa；H——涵洞基础底面埋置深度，m；γ2——基底以上填筑土的容重，kN/m3。

显然，对于涵顶填土小于3m的涵洞，其基本承载力不做修正，即可满足要求。涵顶填土5m的涵洞，基底压应力为200kPa左右，对基本承载力按要求进行修正后也容易满足要求。以下主要对涵顶填土大于5m的涵洞地基土承载力进行修正计算。通过计算可知，路基填土越高，涵洞基底压应力越大，但是，填土荷载对地基土的稳定作用也会越大，容许承载力也越高。铁路工程地涵洞地基基础规范所提150kPa承载力要求，是指未经修正的基本承载力。该要求满足地基受力及沉降要求，且经济合理。

需要说明的是，在瓮马铁路涵洞施工图设计过程中，对于涵洞基础对地基的基本承载力要求未特别说明，只说明了基础对地基容许承载力的要求，这容易误导地以为是对地基基本承载力的要求，特别如前表DK9+320和DK59+510两涵洞，实际地基基本承载力己满足涵洞基础所要求的地基容许承载力，施工过程中若不进行检算误以为是要基本承载力要求而不满足要求，采用基础处理措施加强，将会造成不必要的浪费[9]。所以，涵洞基础对地基的容许承载力要求，在设计过程中通过计算满足要求即可，不必在施工图中说明，但基础对地基基本承载力的要求必须加以说明。

另一种情况，当同一涵洞节段基础存在软硬不均现象时，需要对其进行特别处理，否则涵洞基础在列车运营荷载和填土压力长期作用下，涵洞基础受力不均将产生断裂的不利情况，一般软弱部分基础深度较小时直接清除采用换填砂石或片石混凝土及混凝土处理，软弱部分基础较深并能满足设计基底应力要求时，将软硬基础均同时下挖一部分进行换填处理，这也分多种情况需要现场工程师根据实际地基进行判断做出具体措施[10]。如涵洞基础存在土夹石现象，软硬不均，则需作处理，如图2所示。

图2 涵洞基础存在土夹石现象，软硬不均需作处理

涵洞设计过程中一般都充分考虑不使同一涵节基础位于不同地层上，但实际情况难以避免，这就需要有经验的工程师在施工过程中核实处理。

为避免板顶以上路堤压力不均匀，应按照《铁路路基设计规范》；《新建客货共线铁路设计暂行规定》的要求，设置过渡段，回填土时应水平地分层填筑，每层厚20cm，涵洞两边墙外的回填土施工中应予分层夯实，最佳密实度的要求按路基设计办理，使之对两边墙内洞顶以上的土体起减载作用，如图3所示。

图3 涵洞与路基填筑的过渡段方式

2.3 涵洞地基承载力过高的不利影响

地基土基本承载力并非一成不变的，按照现行铁路规范要求，《铁路桥涵设计基本规范》（TB 1002.1—2005）允许涵洞在土质地基基础上有不超过10cm的沉降，涵洞的工后沉降不满足上述要求时，应进行地基处理[11]。经过处理后的地基土将在荷载作用下形成固结，承载力会有所提高。

3 结语

综上所述，在铁路涵洞设计与施工过程中，由于涵洞的存在会使涵洞与两侧路基沉降有所差别。两侧路基填筑土的沉降量大于涵洞处沉降，由于涵洞两侧路基的沉降，对涵洞产生向下的拖拽力。造成涵顶土压力集中和路基拉裂破坏，且随着填土高度增加而更加严重。特别是当涵洞地基承载力过高时，会对涵洞基础进行加强处理，使用涵洞与两侧路基的差异沉降越大，该现象越严重。另外，对涵洞过高的承载力要求将造成不必要的浪费。因此，现行铁路规范合理考虑了路基-涵洞-地基协同受力，及填土对地基承载力的稳定作用，提出一般情况下涵洞工程地基基本承载力达到150kPa的要求即可。