高填方涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初探

吳桂蘭，遲守旭

（中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

1 引言

山區(qū)修建渠道時(shí)，常常在跨越洪溝處修建涵洞排泄洪水，其中高填方涵洞占有相當(dāng)大的比例。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路露出很多不足，并可能出現(xiàn)下列問題：①垂直土壓力過大，引起軸向開裂；②斷面設(shè)計(jì)不合理，經(jīng)驗(yàn)配筋過多；③涵洞采用大體積混凝土澆筑易開裂；④垂直土壓力計(jì)算過大，導(dǎo)致對(duì)地基承載力的要求高；⑤容易發(fā)生地基不均勻沉降。在實(shí)際工作基礎(chǔ)上，針對(duì)高埋深涵洞設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的一些問題，提出了初步的解決思路，并給出了相應(yīng)的工程處理措施。

2 涵洞的受力分析

涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載是垂直土壓力。作用于涵洞上的垂直土壓力大小不僅取決于填土高度，還與涵洞的埋置方式有關(guān)。涵洞埋置方式主要有上埋式和溝埋式2種，見圖1-2。上埋式涵洞兩側(cè)填土的可壓縮性較剛性管本身的可壓縮性大得多，而且涵洞兩側(cè)的填土厚度也大于管頂填土厚度，其壓縮變形大于涵洞頂部土體的壓縮變形，兩側(cè)填土對(duì)洞頂填土產(chǎn)生下拉的剪切應(yīng)力。故涵洞承受的壓力大于其上覆土的自重，巨大的壓力容易使涵洞混凝土開裂、破壞。溝埋式覆土壓縮變形受兩側(cè)土體向上的剪切力作用，故涵洞承受的壓力小于其上覆土的自重。綜上所述，溝埋式比上埋式理想。

圖1 上埋式

圖2 溝埋式

垂直土壓力計(jì)算方法，主要有公式法和有限元法2種。采用公式法計(jì)算時(shí)，雖然影響涵洞土壓力的因素很多，但各種因素變化最終都將引起涵頂平面內(nèi)土柱與平面外土柱間的沉降差（δ），各種土壓力的計(jì)算推導(dǎo)均可歸結(jié)為對(duì)土柱沉降的分析和研究。若以土壓力集中系數(shù)表示，不同計(jì)算公式最終可簡化為：

式中：σ為土體實(shí)力；Kz為土應(yīng)力集中系數(shù)；γ為填土容重；H為填土高度。

當(dāng)涵頂面內(nèi)土柱沉降大于面外土柱沉降（σ＜0）時(shí)，將產(chǎn)生土拱作用，涵洞實(shí)際承受的垂直土壓力將小于土柱重量，此時(shí)Kz＜1；反之（σ＞0）時(shí)，則產(chǎn)生應(yīng)力集中，Kz＞1；當(dāng)面內(nèi)外土柱沉降相等（σ=0）時(shí)，則Kz=1。為此，在涵洞設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)場地地形條件、地基的地質(zhì)條件、地基處理方法、結(jié)構(gòu)本身特性及填土土質(zhì)和施工工藝等因素，定性確定涵洞平面內(nèi)與平面外土柱間的沉降差的正負(fù)，從而判斷Kz＞1、＜1或=1。

3 高埋深涵洞設(shè)計(jì)的特殊性

高埋深涵洞由于上覆土層厚度大，垂直土壓力大，巨大的壓力容易使混凝土開裂、破壞。上覆土層厚度大，對(duì)地基承載力的要求也高，而且容易發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致涵內(nèi)積水甚至裂縫，嚴(yán)重影響了涵洞的正常使用。由此可見，在設(shè)計(jì)高埋深涵洞時(shí)，如何有效地減小涵洞上的垂直土壓力，提高地基承載力，避免不均勻沉降是首要解決的問題。

4 高埋深涵洞設(shè)計(jì)采取措施

4.1 降低填土高度

從涵洞頂作用的垂直土壓力計(jì)算公式（1）可以看出，要減小垂直土壓力（σ），可以通過減小埋設(shè)深度（H）來實(shí)現(xiàn)。通常在布設(shè)涵洞時(shí)，都考慮布置在溝沖刷最深的地方。實(shí)際上，把涵洞布置在溝坡上，將大大地縮短涵洞的長度，降低工程造價(jià)。雖然這樣布置進(jìn)、出口需要進(jìn)行相應(yīng)的處理，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。

4.2 用“擬溝法”減小涵頂荷載

根據(jù)涵洞垂直荷載分析，溝埋式比較合理。但是，很多高埋深隧洞都只能采取上埋式，可以通過工程措施使上埋式涵洞產(chǎn)生溝埋式的荷載效果。

在涵頂埋高壓縮性材料，其變形減小涵洞兩側(cè)土體對(duì)涵頂覆土的相對(duì)變形，從而減小垂直土壓力，這就是擬溝法使上埋式涵洞產(chǎn)生溝埋式涵洞的效果。

4.3 減輕土體自重

在涵頂換填比較輕的材料，減小涵頂填土容重。

4.4 利用涵洞基礎(chǔ)兩側(cè)地基共同分擔(dān)壓力

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)域內(nèi)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。

4.5 使用整體式基礎(chǔ)暗蓋板涵

高填方涵洞對(duì)地基承載力要求很高，涵洞自身應(yīng)力也比較大，涵洞基礎(chǔ)在采用整體式基礎(chǔ)時(shí)可提高基底承載能力，減少基底內(nèi)部應(yīng)力。

整體式基礎(chǔ)涵洞的結(jié)構(gòu)型式：整體式基礎(chǔ)與臺(tái)墻固結(jié)，形成倒門式框架，蓋板與涵臺(tái)采用錨拴連接，板端與涵臺(tái)背墻間采用高標(biāo)號(hào)砂漿填塞、頂緊，使蓋板與涵臺(tái)、基礎(chǔ)形成封閉的框架結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)整體受力，非常相似于箱涵，但又與之有所區(qū)別，其差別在于整體式基礎(chǔ)蓋板涵的基礎(chǔ)采用完全剛性基礎(chǔ)，涵臺(tái)剛度也較大，涵洞整體結(jié)構(gòu)實(shí)際接近一個(gè)矩形鋼架，涵身與基礎(chǔ)沿涵軸方向每2～3 m設(shè)置一道沉降縫，其2～3 m的涵身及基礎(chǔ)自成體系，近似為剛性管節(jié)，當(dāng)?shù)鼗休d力較低（150～250 kPa）時(shí)，涵節(jié)之間可發(fā)生相對(duì)沉降，但每個(gè)涵節(jié)由于是剛性結(jié)構(gòu)，故涵節(jié)發(fā)生沉降變形后不會(huì)產(chǎn)生橫涵向裂縫破壞。

4.6 提高地基承載力的措施

若在采取上述工程措施減小垂直土壓力后地基承載力仍不滿足設(shè)計(jì)要求，可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況和施工條件，采用強(qiáng)夯、基礎(chǔ)置換、基礎(chǔ)灌漿、樁基礎(chǔ)等措施，提高地基承載力。

4.7 增設(shè)沉降縫

在涵頂垂直土壓力有變化的地方設(shè)沉降縫，可以防止由于垂直壓力引起的不均勻沉降而導(dǎo)致涵洞結(jié)構(gòu)破壞。

5 結(jié)語

深埋涵洞的破壞，主要表現(xiàn)為涵洞開裂、漏水、局部塌陷等。由于深埋涵洞填土較高，其加固和修補(bǔ)往往具有較大難度。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮其特殊性，采取有效的工程措施，盡量避免由于垂直土壓力、地基承載力、不均勻沉降等引起的涵洞破壞。