涵洞地基處理方式探討

王晉斌

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院)

1 概述

涵洞是公路工程建設(shè)中重要的通行、排水設(shè)施，是公路工程建設(shè)中數(shù)量最多的構(gòu)造物。涵洞都是建造在一定的地層上，地層承擔(dān)著來自構(gòu)造物的全部荷載?；A(chǔ)是構(gòu)造物安全的最重要的組成部分，涵洞地基與基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量的好壞，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及正常使用起著關(guān)鍵作用。而從已建公路的反饋來看，涵洞的病害特征最為顯著的是基礎(chǔ)錯(cuò)臺(tái)和頂板及洞身開裂。涵洞產(chǎn)生病害的原因主要包括:(1)地基承載力不足;(2)地基處理方式不當(dāng);(3)地基沉降或地基不均勻沉降;(4)涵洞頂部土壓力過大;(5)施工質(zhì)量差。

公路工程建設(shè)中，一般都會(huì)遇到地質(zhì)條件差或軟弱的地基，這樣的地基不能保證結(jié)構(gòu)物的安全，需要先經(jīng)過人工加固后才能建造基礎(chǔ)，合理選擇基礎(chǔ)處理方式不僅能節(jié)約造價(jià)，還能提高涵洞的穩(wěn)定性。

2 地基處理前的調(diào)查研究

在進(jìn)行地基處理方案選擇前必須先進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)地勘察，了解涵位處地質(zhì)條件，除查明填土分布外，還需通過試驗(yàn)確定土的組成狀況、物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo);如果實(shí)測(cè)軟弱土土層厚度較大，靠挖換土已明顯不經(jīng)濟(jì)或不允許時(shí)，則需要考慮其它處理方法，此時(shí)應(yīng)根據(jù)其它處理方法所需的土質(zhì)情況，掌握土層中硬性雜質(zhì)的含量以及埋藏深度。此外，還應(yīng)收集涵位附近隱蔽工程的分布情況;了解涵位處環(huán)境，地基處理施工時(shí)會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成很大影響，噪音過大會(huì)影響居民休息和工作;強(qiáng)夯和擠壓會(huì)導(dǎo)致附近房屋和地下管線的破壞開裂及沉降;現(xiàn)場(chǎng)確定滿足承載力要求時(shí)地基需要處理的范圍，通常情況下只處理涵洞基礎(chǔ)輪廓線以內(nèi)是不夠的，為滿足土體應(yīng)力擴(kuò)散、地基土變形、抗?jié)B及抗液化的要求，處理范圍往往需要向外擴(kuò)大若干尺寸;此外，若涵位周圍存在相似場(chǎng)地，還應(yīng)調(diào)查該場(chǎng)地的實(shí)地處理經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)該地區(qū)的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，調(diào)查所用材料出處，施工采用的機(jī)具、施工工期、工程造價(jià)和加固后的效果，這些都至關(guān)重要。

3 按以下步驟確定地基處理方案

(1)根據(jù)橋涵的結(jié)構(gòu)類型及填土高度，結(jié)合涵位處地質(zhì)揭示資料，初選幾種可行的地基處理方案;管涵、箱涵及波紋管涵整體性好，需要的地基承載力較低;拱涵對(duì)基礎(chǔ)抗變形要求較高;選擇處理方案時(shí)應(yīng)考慮涵洞的特點(diǎn)。

(2)擇優(yōu)選取初步選定的幾種地基處理方法:根據(jù)材料選取地點(diǎn)、施工用到的機(jī)具和時(shí)間要求，預(yù)想施工后的效果，對(duì)環(huán)境是否有影響以及會(huì)不會(huì)超預(yù)算等各種因素，綜合后做出技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表，從中對(duì)比選擇最優(yōu)的處理方案，如有必要，可以結(jié)合多種方案進(jìn)行處理。

(3)最終的地基處理方案，還應(yīng)驗(yàn)算對(duì)上部結(jié)構(gòu)的整體性和剛度的影響。涵頂填土、涵身和地基三者協(xié)調(diào)變形，融為一體，經(jīng)處理后地基的特性對(duì)涵洞的工作性狀有很大影響。軟弱地基處理的范圍和剛度會(huì)對(duì)涵洞的受力狀態(tài)產(chǎn)生影響。現(xiàn)有的理論研究中，往往只關(guān)注涵洞本身結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形特性，而對(duì)涵洞地基特性對(duì)其工作性狀的影響關(guān)注不夠。

4 地基處理方式探討

4.1 地基承載力及變形滿足涵洞要求

若地基承載力及變形檢測(cè)結(jié)果滿足，可在天然地基上直接建造基礎(chǔ)。直接設(shè)置在天然地基上的橋涵基礎(chǔ)，應(yīng)滿足下列要求:(1)置于冰凍線以下不小于0.25m;(2)應(yīng)避免基礎(chǔ)受到?jīng)_刷;(3)若基底下存在軟弱層，則需要做深挖處理;(4)臺(tái)階基礎(chǔ)時(shí)，階高與階長(zhǎng)之比不宜小于1∶2。

4.2 地基承載力與要求相差不大

當(dāng)?shù)鼗恋娜菰S承載力與涵洞地基所需壓應(yīng)力接近時(shí)，一般做整體式基礎(chǔ)，由于整體式基礎(chǔ)與地層接觸面增大，從而分散涵洞基礎(chǔ)的平均壓應(yīng)力達(dá)到地基土的容許承載力，見圖1。

圖1 涵洞地基

4.3 地基承載力滿足要求抗傾覆或滑動(dòng)不足

當(dāng)?shù)鼗休d力滿足要求，傾覆穩(wěn)定性或滑動(dòng)穩(wěn)定性不足時(shí)，可采用不對(duì)稱臺(tái)型布置，在臺(tái)后用干砌石來減輕土壓或結(jié)合基礎(chǔ)利用底板上的土重來抵抗。還可將基礎(chǔ)底面改變形狀，增大抗滑阻力，從而增加基底穩(wěn)定性，見圖2。

圖2 抗滑措施

4.4 地基承載力不滿足要求

若天然地基較為軟弱，不能滿足地基強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定分析時(shí)，則要經(jīng)過地基處理后再建造基礎(chǔ)。地基處理對(duì)象主要是軟弱地基及特殊土地基。選擇處理方法時(shí)應(yīng)考慮各類涵洞的受力特點(diǎn)及地基處土層的特性。軟土地基的特性主要表現(xiàn)為高壓縮性，低強(qiáng)度，含水量大，孔隙比大，還往往含有較多不穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)。特殊土主要包含濕陷性黃土及膨脹土地基。

(1)換土墊層法:用砂墊層法加固地基，就是挖除基底下淺層軟弱土或不良土，而換以分層夯實(shí)的低壓縮性砂(或摻加礫石、卵石、碎磚等)，這樣可提高持力層的承載力，減少沉降量，消除或部分消除土的濕陷性和脹縮性，改善土的抗液化性，從而滿足地基穩(wěn)定和變形的基本要求。換土墊層法的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)易可行，但僅限于淺層處理，一般不大于3m，對(duì)濕陷性黃土不大于5m;且如果地下水位較淺，在處理過程涌水，需要降低地下水。

(2)強(qiáng)夯擠淤法:采用邊強(qiáng)夯、邊填碎石、石渣擠淤的方法，在土層中形成堅(jiān)固的碎石體，從而提高地基承載力。適用于厚度較小的淤泥和淤泥質(zhì)土地基。此法通常需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

(3)強(qiáng)夯法:根據(jù)計(jì)算確定所需夯擊能，利用起重機(jī)將重錘吊至一定高度后讓其自由下落，從而迫使土體密實(shí)，進(jìn)而提高地基承載力，減小基底沉降，消除土的脹縮性、液化性及濕陷性。適用于砂土、素填土、雜填土、低飽和度的粉土與粘性土、濕陷性黃土。強(qiáng)夯法施工速度快，施工質(zhì)量容易保證，經(jīng)處理后土體性質(zhì)較為均勻，大面積場(chǎng)地施工時(shí)造價(jià)經(jīng)濟(jì)，不宜在鬧市區(qū)及靠近村莊的地方施工。

(4)強(qiáng)夯置換法:若軟弱土層為軟粘土，且厚度小于6m，可進(jìn)行強(qiáng)夯置換，邊夯邊填筑碎石，從而形成復(fù)合地基。

(5)砂土樁擠密法:先在軟土地基內(nèi)成孔，然后向孔內(nèi)灌入砂或土(用石灰或石灰砂效果更佳)后，再加以夯實(shí)使其成為樁體，從而使地基土密度加大，提高承載力。砂樁可用來加固粉砂、細(xì)砂、砂質(zhì)粘土、淤泥及軟粘土等，擠密法需要注意下述問題:①加固范圍;②范圍內(nèi)需要砂樁的數(shù)量;③樁數(shù)及樁的排列方式;④樁長(zhǎng)及管砂總量。

(6)排水固結(jié)法:在地基中設(shè)置垂直排水井，使地基土排水順暢，采取加壓、抽氣、抽水等方法，以加速地基土的固結(jié)及強(qiáng)度增長(zhǎng)，提高土的穩(wěn)定性，并加速沉降時(shí)間。在厚度較大的飽和軟土和沖填土地基建造構(gòu)造物時(shí)，地基由于剪切變形和固結(jié)可能產(chǎn)生較大沉降，甚至由于強(qiáng)度不足而失穩(wěn)破壞，在這種情況下采用排水固結(jié)法較為有效，但對(duì)于厚的泥巖層要慎重對(duì)待。

5 地基處理工程的施工管理

由于地基處理的隱蔽性及其難修復(fù)性，因此必須重視施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)以及質(zhì)量檢驗(yàn)方法。在施工過程中，監(jiān)督管理不得間斷，并且在發(fā)現(xiàn)問題時(shí)要在第一時(shí)間解決。

施工單位在施工前要制訂好組織計(jì)劃及施工過程中管理方式，質(zhì)量控制及檢測(cè)必須交給有經(jīng)驗(yàn)及負(fù)責(zé)的工程師。測(cè)試工作是地基處理重要的組成部分，應(yīng)定制監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，控制不良態(tài)勢(shì)衍生。

沉降和位移觀測(cè)是地基處理質(zhì)量檢驗(yàn)的主要依據(jù)，也是判斷處理方式是否合適和進(jìn)行科學(xué)研究的重要資料;周期性觀測(cè)沉降、位移及變形速率更為有效;對(duì)于某些場(chǎng)地還應(yīng)將監(jiān)控延長(zhǎng)至工程完成以后，直至沉降穩(wěn)定。

[1] 劉培文，周衛(wèi)，張君緯，等.公路小橋涵設(shè)計(jì)示例[M].北京:人民交通出版社，2005:208-216.

[2] 陳保國(guó)，董佳竹.軟土地基上高填方剛性涵洞地基處理及其設(shè)計(jì)原則[J].土木工程與管理學(xué)報(bào)，2012，(3):11-16.