公路高填方涵洞設(shè)計中的應(yīng)力分析

亓麗媛，楊佳新，王秀麗

（1.肇東市水利勘測設(shè)計隊，黑龍江肇東 151100;2.黑龍江省公路勘察設(shè)計院，哈爾濱 150080;3.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080）

1 概述

近年來隨著我國公路建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，高填方路堤下設(shè)置的涵洞工程越來越多，同時產(chǎn)生的問題也相應(yīng)的越來越多。這就應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計與施工人員的高度重視，從而避免在今后的設(shè)計與施工中出現(xiàn)類似的問題，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

產(chǎn)生高填方涵洞的主要原因是：山區(qū)公路當(dāng)上游匯水區(qū)面積不大時，為了滿足縱斷面線形標(biāo)準(zhǔn)要求和利用附近路塹開挖的棄方，在某些地形高差大的地段不得不采用高路堤或把橋梁方案改為高路堤通過，而采用涵洞排水。

2 高填方涵洞存在的問題

目前橋涵設(shè)計手冊、路基設(shè)計規(guī)范等均對暗涵最大填土高度以及路基填方高度超過20 m的路基定義為高邊坡路堤。

在確定高填方涵洞與低填方涵洞的填土高度界限時，根據(jù)高填方涵洞產(chǎn)生拱效應(yīng)的填土高度，同時考慮到施工中填土性質(zhì)和填土壓實度變化對土壓力的影響及涵洞結(jié)構(gòu)的安全性，建議將涵頂填土高度H≥18 m的涵洞定義為高填方涵洞。

高填方涵洞屬暗涵，其涵洞上的填土壓力并非隨填土高度的增加而線性增加，當(dāng)填土達(dá)到一定高度后將在涵洞上方產(chǎn)生拱效應(yīng)，使得土壓力小于土柱的重量。若此時進(jìn)行涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計不考慮拱效應(yīng)作用而減少的土壓力，所得出的涵洞結(jié)構(gòu)尺寸將會很大，而使得結(jié)構(gòu)設(shè)計不經(jīng)濟(jì)甚至浪費(fèi);反之，若過分強(qiáng)調(diào)拱效應(yīng)作用，低估高填土下作用于涵洞上的土壓力，則可能會使設(shè)計的涵洞尺寸太小而不安全。由此可知，當(dāng)填土達(dá)到多大高度才考慮拱效應(yīng)和如何考慮拱效應(yīng)是高填土條件下涵洞設(shè)計的關(guān)鍵，也是高填方涵洞與低填方涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要區(qū)別。

導(dǎo)致高填方涵洞問題的原因是多方面的，最主要的不外乎以下5個方面：

1）涵洞的設(shè)計與計算理論至今仍不完善，導(dǎo)致設(shè)計計算結(jié)果和實際結(jié)果相差很大。

2）施工過程中，由于施工工藝不當(dāng)，導(dǎo)致涵洞結(jié)構(gòu)體尚未運(yùn)營就遭到人為破壞。

3）公路行業(yè)一般將涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全等級定為三級，按用途或習(xí)慣將其歸在與小橋同類按規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。這就忽視了涵洞與土共同工作的特點(diǎn)。

4）公路規(guī)范對涵洞地基和基礎(chǔ)的確定，基本套用工民建的地基與基礎(chǔ)理論或橋臺地基與基礎(chǔ)的理論，忽視了涵洞與土體共同工作的特點(diǎn)。

5）施工方法上的差異對涵洞的受力影響較大，因問題復(fù)雜，規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)并未提出一套相應(yīng)的受力分析方法。

3 高填方涵洞的特點(diǎn)

包括：

1）高填方涵洞對地基沉降要求高。

2）高填方涵洞工程量大、造價高。

3）涵洞所處地形條件變化較大，受力復(fù)雜。

4）承受的土壓力大。

5）加固維修難度大。

4 高填方涵洞的受力分析方法

1）傳統(tǒng)方法設(shè)計出的涵洞多數(shù)開裂，說明現(xiàn)行公路設(shè)計手冊計算方法是偏于不安全的。影響涵洞內(nèi)力計算的主要因素是：垂直土壓力的計算和內(nèi)力計算模型的選取這兩大因素。

2）《公路規(guī)范》對涵洞承受不同類型的土壓力沒有提出相應(yīng)不同的確定方法。《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）規(guī)定，作用在涵頂上的豎向土壓力值為P=γH，即等于上覆土柱的重力，這個公式僅適用于較低填土條件下的涵洞土壓力計算。涵洞的地基承載力的大小與基礎(chǔ)寬度、基礎(chǔ)埋深或均布超載q=γ0d、土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ成正比。事實上，目前就是按地基的沉降量來確定地基承載力。

套用橋梁地基承載力的方法除了在引用上不合適外，還可能對設(shè)計產(chǎn)生負(fù)面影響，很多情況下為了滿足地基承載力的要求，設(shè)計上就加大基礎(chǔ)的剛度和寬度。認(rèn)為基礎(chǔ)的剛度越大、越寬（基底壓力越小，地基沉降越小，或相當(dāng)于地基剛度越大），則作用在涵頂?shù)耐翂毫蜁酱?，這是設(shè)計概念上的錯誤。

3）根據(jù)有關(guān)實驗成果表明，當(dāng)填土高度H＜16 m時，實測土壓力與理論計算土壓力較接近，在此高度范圍內(nèi)，可近似用P=γH計算（略小于理論值）涵頂土壓力;隨著填土高度的增加H＞16 m，實際傳遞到涵頂上的土壓力減小，理論計算值與實測值相差較大，此時應(yīng)考慮采用拱效應(yīng)的土壓力理論進(jìn)行土壓力計算，以使高填方涵洞結(jié)構(gòu)安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

4）高填方涵洞結(jié)構(gòu)驗算方法主要有兩種：有限元法和結(jié)構(gòu)荷載法（傳統(tǒng)方法）?；趯嵺`，對高填方涵洞不宜單純按公式計算，而采用數(shù)值分析方法是比較好的解決途徑之一。目前，比較常用的方法有有限元法，大型有限元軟件如：MARC、ANSYS等。也可使用平面桿系及空間梁格有限元的橋梁博士進(jìn)行分析計算。

5）采用有限元方法進(jìn)行分析可以得出3個結(jié)論：①圓管涵不適合高填土工況設(shè)計;②蓋板涵不適宜于填土＞20 m的工況設(shè)計;③箱涵和拱涵，當(dāng)填土高度高于30 m時，拱涵的受力優(yōu)越性更明顯。

綜上，設(shè)計高填方涵洞時，首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)其受力特點(diǎn)采用正確的設(shè)計方法，得出正確的結(jié)果。其次針對結(jié)果決定是否采用在涵頂鋪設(shè)EPS板或做加筋橋等減載措施，這樣設(shè)計出的高填方涵洞在實際使用中才能經(jīng)得起檢驗。

[1]中交公路規(guī)劃設(shè)計院.JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]楊錫武.山區(qū)公路高填方涵洞土壓力計算方法與結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]謝永利.公路涵洞工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

[4]毛瑞祥，程翔云.公路設(shè)計手冊——涵洞[K].北京：人民交通出版社，1998.