高填方涵洞設(shè)計(jì)問題研究

摘要：高填方涵洞是山區(qū)高等級(jí)公路的特殊排水結(jié)構(gòu)物之一。隨著高填方涵洞的日益增多，高填方涵洞問題越來越多地出現(xiàn)，高填土涵洞的研究也越來越多地引起重視。

關(guān)鍵詞：高填方涵洞；建筑；設(shè)計(jì)

1 引言

根據(jù)高填方涵洞所處的地形地質(zhì)條件、受力特點(diǎn)和排水要求，山區(qū)公路高填方涵洞多采用蓋板涵和拱涵兩種結(jié)構(gòu)型式。與涵頂填土高度較低的涵洞相比，高填土條件下的涵洞具有填土高度大、土壓力大但不隨填土高度線性增加的特點(diǎn)，很明顯，現(xiàn)有的涵洞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)圖已不能滿足這種高填土條件下的涵洞設(shè)計(jì)需要，而要使其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理，首先必須正確評(píng)價(jià)和計(jì)算高填土條件下的涵頂拱效應(yīng)及拱效應(yīng)對(duì)土壓力的影響，過高或過低地估計(jì)拱效應(yīng)對(duì)土壓力的影響將會(huì)使涵洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不安全或不經(jīng)濟(jì)。

2 高填方涵洞的特點(diǎn)

與低填方涵洞和其它填埋式涵管相比，公路高填方涵洞具有以下特點(diǎn):

高填方涵洞對(duì)地基沉降要求高。高填方涵洞一般為鋼筋混凝土拱涵或蓋板涵，基礎(chǔ)的不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致涵臺(tái)的開裂或拱圈的開裂與塌陷，同時(shí)涵洞的坍塌會(huì)引起路面的沉降破壞。因此，高填方涵洞對(duì)地基土容許承載力及均勻性要求較高，一般要求地基為基巖。

工程量大，造價(jià)高。由于填土高度大，高填方涵洞洞身較長(zhǎng)，造價(jià)較高，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理結(jié)構(gòu)尺寸偏大，則使高填方涵洞的造價(jià)劇增，造成浪費(fèi)，例如阜朝高速一拱涵前墻頂寬達(dá)到4.8m，底寬達(dá)到6.67m，全涵工程造價(jià)達(dá)到270多萬;反之，結(jié)構(gòu)尺寸偏小，可能會(huì)使結(jié)構(gòu)承載力不能滿足荷載要求而導(dǎo)致涵洞的開裂坍塌，釀成質(zhì)量事故，并增加加固維修工程費(fèi)用。

承受的土壓力大。由于填土高度大，使其承受的土壓力隨填土高度的增加而增加，結(jié)構(gòu)尺寸也隨填土高度而增大。

加固維修難度大。高填方涵洞填土高度大，長(zhǎng)度大，通風(fēng)采光條件差，工作面狹窄，一旦產(chǎn)生破壞，加固維修較為困難，費(fèi)用也較高。

3設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)方法

3. 1降低填土高度

高填方涵洞受力復(fù)雜，各構(gòu)造尺寸技術(shù)指標(biāo)要求很高，并且工程量巨大，設(shè)計(jì)是首先應(yīng)考慮能否降低填土高度。

山區(qū)沖溝一般頂寬較大而底寬較小，布設(shè)時(shí)不必拘泥于原位設(shè)涵，可以考慮適當(dāng)移動(dòng)涵洞設(shè)置，將涵洞設(shè)在溝坡上，如圖1。

涵1設(shè)置在原溝位置，涵2設(shè)置在溝坡上，按兩種方案分別設(shè)計(jì)，主要參數(shù)見表1

涵2的涵長(zhǎng)僅為涵1的1/3，大大降低了造價(jià);填土高降低5倍以上，可減小各構(gòu)造尺寸，降低基底承載力要求，避免復(fù)雜的地基處理;涵2進(jìn)出口需要處理，進(jìn)口應(yīng)將原溝底填起至洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高，出口應(yīng)砌槽將水引至原溝，因此需增加征地，但山區(qū)溝中多為雜木，填起后亦可恢復(fù)植被，對(duì)周圍環(huán)境影響較小。因此涵2具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

此外，還可考慮將原溝填起至理想標(biāo)高，然后在填土上設(shè)置涵洞，出口設(shè)置急流坡，也可減小涵長(zhǎng)，降低填土高度，但填土需要特殊壓實(shí)處理，避免地基不均勻沉降導(dǎo)致涵洞開裂。

3.2 減小涵頂土壓力

涵洞建成后，與周圍路基均會(huì)有沉降。當(dāng)周圍土體相對(duì)于涵洞無位移時(shí)，涵頂上的土壓力σ=γh;土體相對(duì)于涵洞下沉?xí)r，σ>γh;涵洞相對(duì)于土體下沉?xí)r，σ<γh。因此，設(shè)計(jì)中可利用此變化規(guī)律減小涵頂土壓力，如:適當(dāng)降低涵底地基剛度，使涵洞相對(duì)于周圍土體下沉;或利用兩岸邊坡，阻止土體下沉等。

利用涵洞基礎(chǔ)兩側(cè)地基共同分擔(dān)土壓力，如圖2。

涵洞上方一定高度和寬度范圍內(nèi)用比周圍填土壓實(shí)度低的土填筑，形成一個(gè)內(nèi)松外實(shí)的軟弱土區(qū)域。然后在此區(qū)域的上方設(shè)置鋼筋，鋼筋上鋪設(shè)土工布等，鋼筋兩端錨固在周圍高壓實(shí)度的密實(shí)土體內(nèi)。通過軟弱土區(qū)域內(nèi)較軟弱土體與其周圍密實(shí)土體的沉降差，使區(qū)域上方鋼筋在涵頂填土壓力作用下產(chǎn)生下?lián)?，通過鋼筋的錨固作用與被動(dòng)受力，把涵頂垂直土壓力荷載傳遞到涵臺(tái)外側(cè)的密實(shí)土體上，達(dá)到減小涵頂土壓力的減載目的。

此種減載結(jié)構(gòu)由軟土區(qū)域、鋼筋和周圍密實(shí)填土構(gòu)成，利用鋼筋在涵洞上方形成一個(gè)穩(wěn)定的承力減載結(jié)構(gòu)，可以避免軟弱土區(qū)域內(nèi)軟質(zhì)填料沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，其鋼筋、土工布等均為工業(yè)產(chǎn)品，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，施工工藝簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，且計(jì)算模型簡(jiǎn)單明確，方便計(jì)算。

3.3 提高地基承載力

3.3.1強(qiáng)夯置換

強(qiáng)夯處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于碎石、砂土、低飽和度的粉土與粘性土、濕陷性黃土、雜填土、素填土等地基。置換材料采用級(jí)配良好的碎石、塊石等堅(jiān)硬粗顆粒材料，粒徑大于300mm的顆粒含量不大于全重的30%。夯點(diǎn)間距3m，并保證外緣的夯點(diǎn)距基礎(chǔ)邊緣不小于3. 5m，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)計(jì)算墩長(zhǎng)及墩體直徑，并保證墩底穿透軟弱土層。一般單擊夯擊能不小于3000kN·m，夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)試夯確定，最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm。實(shí)踐證明，采用強(qiáng)夯擠密碎石樁工藝處理濕陷性黃粘土涵洞地基，投入少，周期短，保證了施工質(zhì)量，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.3.2 水泥旋噴樁

水泥旋噴樁加固涵洞地基的效果比較明顯，常用水泥旋噴樁是用單層注漿管噴射水泥漿液，用此漿液的噴射流沖擊土體，使被沖下來的部分土顆粒與水泥漿攪拌、混合、凝固，形成旋噴樁。施工時(shí)用旋噴鉆機(jī)自下而上高壓旋轉(zhuǎn)噴射水泥漿，噴頭提升速度為0.2m /min，噴頭轉(zhuǎn)速一般為20r/min為宜，噴漿壓力一般不小于20 MPa。為確保水泥漿在地基中充分均勻和飽滿、保證旋噴效果和旋噴樁質(zhì)量以及樁徑滿足設(shè)計(jì)要求，可以采用提高噴射壓力、泵送或降低回轉(zhuǎn)與提升速度等措施，也可采用復(fù)噴工藝。這種方法日本稱為CCP工法，已經(jīng)在我國山區(qū)涵洞地基處理中得以應(yīng)用。

3.3.3 壓力注漿

壓力注漿法加固地基是通過一定的壓力將可固化的化學(xué)漿液或水泥漿液注入地基上的裂隙或孔隙，以改善地基的物理力學(xué)性能。壓力注漿一般是對(duì)地基垂直鉆孔，在孔內(nèi)注入漿液。在注漿孔附近一定影響半徑范圍內(nèi)，固化的漿液和土顆粒凝聚成圓柱狀的固結(jié)體，該固結(jié)圓柱體的抗壓強(qiáng)度和抗壓縮變形能力高于未注漿的土體，密布排列的固結(jié)圓柱體形成了群樁效果，提高了地基的物理力學(xué)性質(zhì)。漿液的擴(kuò)散半徑受加固范圍地層的孔隙率、土層的滲透系數(shù)、灌漿壓力、漿液的粘度比等因素有關(guān)，應(yīng)選擇合理的注漿孔距保證工程質(zhì)量。注漿采用跳孔注漿的方法，先灌外圍注漿孔，然后灌注內(nèi)部注漿孔。注漿速率與被注土體的性質(zhì)有關(guān)，一般起始注漿速率為60L /min，最終注槳速率為35L /min。

4 結(jié)語

山區(qū)公路高填方涵洞由于數(shù)量較多，工程量較大，施工時(shí)有一定的難度。設(shè)計(jì)中應(yīng)首先考慮變高填土涵洞為低填土涵洞，改成常規(guī)涵洞設(shè)計(jì)，既能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、方便施工，也可以大大降低工程造價(jià)。高填土涵洞荷載很大，對(duì)基礎(chǔ)要求較高，因此應(yīng)設(shè)法減小涵頂荷載，并加強(qiáng)地基處理，保證涵洞的穩(wěn)定性，使構(gòu)造物耐久、安全。

在交通工程設(shè)計(jì)中，涵洞的設(shè)計(jì)和橋梁及其它建筑物的設(shè)計(jì)比較相對(duì)簡(jiǎn)單一些，在很多時(shí)候一些設(shè)計(jì)人員就會(huì)因?yàn)楹唇Y(jié)構(gòu)尺寸小而忽略了附近路線工程對(duì)它的影響。在實(shí)際施工中，涵洞施工一般在路基施工以前進(jìn)行，如果涵洞長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不夠，路基填方施工后將填埋涵洞出入口，造成廢棄工程、增加變更及延誤工期等不良后果，在設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況考慮增加一些防護(hù)工程來避免附近路線工程對(duì)涵洞的影響。

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