高填方涵洞土體壓力分析

劉 微

(太原市市政工程設計研究院，山西太原 030002)

0 引言

在當前的山區(qū)公路及大落差道路建設中，由于地形及其他環(huán)境條件的制約使得高填土涵洞的應用越來越多。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計高速公路每200 m就設涵洞一道，由于涵洞的數(shù)量遠遠大于橋梁，而不論何種規(guī)模的涵洞，其對路基、路面造成的影響與橋梁幾乎相當。因此，工程師們現(xiàn)在愈發(fā)的重視涵洞對道路建設的影響。而目前的涵洞設計和施工中存在著不足，特別對于高填方涵洞，這種不足在結(jié)構(gòu)本身及道路建設中的影響也更加明顯。工程設計中有關高填方涵洞土壓力計算的理論有很多，不同方法結(jié)果也不相同。在施工中，由于對高填方涵洞的認識不足，更容易造成諸多的問題。本文從高填方涵洞的設計出發(fā)，分析其適用、經(jīng)濟的工程解決辦法，供工程參考應用。

1 當前高填方涵洞的土壓力計算理論

1)馬斯頓法。

馬斯頓極限平衡狀態(tài)法假設結(jié)構(gòu)頂部填土在自重及其他荷載作用下產(chǎn)生沉降，土體逐漸壓密。此過程中，由于涵洞剛度比兩側(cè)填土剛度大很多，而不同的剛度將導致較大的沉降差。沉降差使涵洞除了承受其頂部土體自重外，還承受兩側(cè)土體向下沉降帶來的剪力。因此將使涵管頂部垂直土壓力大于涵管頂部的土柱重，其可表達為:

其中，γh為涵洞頂本身土重;Δq為沉降差引起的土壓力。

該理論是建立在兩側(cè)土體與涵洞頂部土體產(chǎn)生不均勻沉降的基礎上。而當這兩種不同位置的土體產(chǎn)生的不均勻沉降不能達到極限平衡時，用該理論計算涵洞土壓力將會產(chǎn)生較大的誤差。在工程實際中無論何種形式的高填方涵洞，其剛度都大于周圍土體的剛度。而這種剛度差異所引起的下沉或變形只能是適應地基微小壓縮的變形，工程中不可能也不允許發(fā)生下沉式的大位移。因此，根據(jù)高填方涵洞結(jié)構(gòu)與施工特點，馬斯頓理論的計算方法在高填方涵洞土壓力的計算中會產(chǎn)生一定誤差。

2)普氏壓力拱理論。

前蘇聯(lián)學者普洛托雅可諾夫于1909年提出普氏壓力拱理論。這一理論假設土體松散，當洞室深埋時，其上方將形成一個拋物線形曲線的壓力拱。該壓力拱能夠承擔其上部的土重，而壓力拱的下部為塌落拱，其土體重量將由洞室結(jié)構(gòu)來承擔，該部分的土體重量就是需要計算的土壓力。

普氏壓力拱理論適用于深埋地下洞室，主要原理是在這些深埋洞室開挖卸載過程中，洞室上部的一定區(qū)域內(nèi)土體失去支撐，產(chǎn)生塌落。達到一定程度時普氏壓力拱形成，之后穩(wěn)定部分的巖土成為支撐結(jié)構(gòu)。而一般的高填方涵洞是先埋置洞身結(jié)構(gòu)，然后回填涵洞頂和兩側(cè)土體，其形成過程與壓力拱理論的原理相悖。另外適用壓力拱理論的隧道結(jié)構(gòu)其周圍巖土為天然介質(zhì)，而高填土涵洞周圍介質(zhì)多使用散粒體回填，這進一步使得計算高填方涵洞土壓力的影響因素增多。即使涵洞的卸載拱形成，在應用普氏理論時也可能產(chǎn)生較低的涵洞土壓力估算結(jié)果。從而對涵洞結(jié)構(gòu)造成不安全的影響。

3)土柱理論。

土柱法中涵頂土壓力與土體高度成正比，且假定新設的涵洞不影響土體本身的應力極限狀態(tài)[1]，把其當作一個靜力學的平衡問題來考慮，則位于距地面深度為z處的涵洞上部的土壓力可用下式表示:

其中，γ為土的容重;z為涵洞頂土高度;ξ為靜土壓力系數(shù)。

土柱法中涵頂土壓力與涵頂土的高度成比例增長的關系，顯而易見該理論忽視了實際當中影響土壓力的諸多因素:土的壓實情況，不同位置土體的沉降差，可能形成的壓力拱對涵頂土的卸荷作用等等。因此土柱法的適用范圍也受一定限制。

4)非線性土壓力計算理論。

鑒于當前高填方涵洞的各種土壓力計算理論的局限性。楊錫武教授提出了基于高填方涵洞成拱效應的非線性土壓力計算理論[2]。該方法以經(jīng)過試驗得出的數(shù)據(jù)為分析依據(jù)，根據(jù)涵頂填土高度與土體壓力的變化曲線，通過數(shù)理統(tǒng)計分析，找出填土高度與土壓力之間的統(tǒng)計學關聯(lián)，以此作為高填方涵洞土壓力的計算方法，即用非線性數(shù)學模型σ=ξγHn(其中ξ，n均為回歸系數(shù)，0＜n＜1)來表示涵頂土壓力隨填土高度變化規(guī)律的半理論半經(jīng)驗方法。該方法針對狹窄溝谷心、寬坦溝谷心、狹窄溝谷坡腳提出了不同的回歸系數(shù)ξ，n。經(jīng)過驗證該法在涵頂土壓力計算中取得了較為合理的結(jié)果。

豎向土層壓力為塌落拱的自重，分為均布部分q和近似三角形部分Δq。

其中，a1為壓力拱半跨寬度，m;a為地下結(jié)構(gòu)寬度之半，m;h為地下結(jié)構(gòu)高度，m;fk為土層堅固系數(shù);φ為土層內(nèi)摩擦角;f'為拱外緣高度;h'為拱角外邊緣的壓力拱高度，即

2 高填方涵洞土壓力的減載及調(diào)整

在實際工程中，除了要考慮涵頂土體壓力的合理計算方法外，也應采取適當?shù)姆椒▉頊p少垂直土壓力，進而降低涵洞結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力，減少結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生幾率。

通過“中松側(cè)實法”形成壓力拱來降低土壓力。該法使涵洞兩側(cè)土體壓填密實，洞頂一定范圍內(nèi)使用松散填料回填，使得涵頂填土的變形模量較兩側(cè)填土小，從而降低涵洞內(nèi)外土體的沉降差，減少涵頂附加土壓力?！凹咏顦驕p載”是在壓填密實的兩側(cè)填土內(nèi)錨固加筋材料，而涵頂上部土體相對松散。錨固在兩側(cè)的加筋材料形成加筋橋，橋上土體作用力通過加筋材料傳遞到兩側(cè)土體中，從而降低了涵頂土壓力，減小了不同位置土柱的不均勻沉降，改善結(jié)構(gòu)安全。“反挖法”形成“土拱”，反挖法是先將涵洞土體回填至一定高度，然后反挖涵洞施工所需空間，通過頂進施工涵洞，此法采用較少，但有時也可有效的形成涵頂?shù)耐凉?，從而減少涵頂土壓力。

涵洞地基處理時需要擴大地基處理范圍，因為只處理涵洞范圍內(nèi)的地基，將使得涵洞與兩側(cè)土體的沉降差進一步擴大，引起涵頂應力集中，造成涵洞病害。有時即使是涵洞兩邊的土體滿足承載力要求，但是從涵洞結(jié)構(gòu)安全的角度出發(fā)，仍需要擴大處理范圍至涵側(cè)土體外一定距離，以減少沉降差。涵洞地基處理方式與“中松側(cè)實”“加筋橋減載”等方法結(jié)合使用時，能夠更加顯著的降低涵頂壓力，有利結(jié)構(gòu)安全。

3 結(jié)語

高填方涵洞的設計、施工中，土壓力的計算和控制是工程的重點和難點，通過以上分析和總結(jié)，采取適用的計算理論、合適的土壓力控制辦法才能夠建造經(jīng)濟、安全的涵洞結(jié)構(gòu)，減少病害發(fā)生。

[1] 孫 均，侯學淵.地下結(jié)構(gòu)[M].北京:科學出版社，1988.

[2] 楊錫武.山區(qū)公路高填方涵洞的成拱效應及土壓力計算理論研究[J].巖土力學與工程學報，2005(21):101-102.

[3] 顧安全.上埋式管道及洞室垂直土壓力的研究[J].巖土工程學報，1981，3(1):30-31.

[4] 朝拴奎.涵洞土壓力與沉降[J].山西交通科技，2000(1):20-21.

[5] JTG D61-2005，公路圬工橋涵設計規(guī)范[S].

[6] 楊錫武.山區(qū)公路高填方涵洞土壓力計算理論研究綜述[J].重慶交通學院學報，2005(4):18-19.