高填方涵洞地基的處理技術(shù)分析

王 森 綿陽市川交公路規(guī)劃勘察設(shè)計有限公司，四川 綿陽 621000

在山區(qū)公路的設(shè)計和建設(shè)過程中，為了減少山區(qū)雨水沖刷對道路的影響，設(shè)置涵洞是一種非常有效的方式，目前的涵洞地基設(shè)計多通過增加結(jié)構(gòu)尺寸來保證安全，沒有采取有效的減載措施，而高填方涵洞的上部荷載大，對涵洞和地基承載力都提出了更高的要求，因此，常規(guī)的涵洞設(shè)計和施工方案對高填方涵洞的安全構(gòu)成了較大的影響。

1 涵洞與地基承載力

1.1 涵洞的作用于類型

南方雨季降水量充沛，山區(qū)在暴雨沖刷下很容形成明顯的沖溝，山區(qū)公路在跨越該沖溝或流量不大的小河溝時，應(yīng)根據(jù)自然條件在盡量保持沖溝或小河溝水流天然狀態(tài)的前提下，在適當(dāng)?shù)奈恢眉釉O(shè)涵洞。通常情況下，在地勢起伏、峰谷交替的低洼(溝谷)處、路線縱坡由下坡變?yōu)樯掀碌陌夹呜Q曲線處等特殊地段都是考慮涵洞設(shè)置的重點路段。

根據(jù)山區(qū)地形和工程項目路段的具體特點，山區(qū)公路高填方涵洞的典型涵洞有以下幾種:一是狹窄溝谷、溝心處設(shè)置的涵洞，其特點是胸腔較窄，涵洞受力與位移受填土高度、邊坡角度等因素的影響較大;二是狹窄溝谷坡腳設(shè)置的涵洞，其特點是涵洞位于岸坡腳，偏載效應(yīng)影響顯著，涵洞主體受力不均，不均勻沉降較大;三是寬坦地形的溝心處設(shè)置的涵洞，其特點是涵洞位于岸坡上，基底剛度較大，涵洞頂部的土壓力易集中;四是半填半挖或半軟半硬高填方路基，其特點是基礎(chǔ)易產(chǎn)生不均勻沉降或基底土體的剪切破壞;五是高填土(軟基)上設(shè)涵，其特點是涵洞基礎(chǔ)置于軟基上，基底沉降較大，易產(chǎn)生基礎(chǔ)基底土體的剪切破壞。

1.2 地基承載力的確定

公路路基在承載力設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)在保證地基不發(fā)生強度破壞而喪失穩(wěn)定性的前提下保證構(gòu)造物不發(fā)生影響其安全與正常使用的過大位移或不均勻沉降。目前常用的路基承載力設(shè)計方法是通過計算地基的臨塑荷載、臨界荷載或者極限荷載再除以安全系數(shù)，可以得到考慮埋深效應(yīng)的地基承載力設(shè)計值。常用的公式有以下兩個:

(1)太沙基公式。太沙基公式將基底壓力視為均勻分布，因此，該公式特別適用于地基土較密實的場合。太沙基地基極限荷載公式為:

其中:Pu為地基的極限荷載，γ 為土的重度，B 為基礎(chǔ)寬度，c 為土的黏聚力，q 為傍載壓力，Nr、Nc、Nq 為與土體內(nèi)摩擦角有關(guān)的系數(shù)，這三個參數(shù)可以通過查太沙基極限荷載系數(shù)表得到。

(2)斯凱普頓公式。斯凱普頓公式該公式適用于基礎(chǔ)埋深d≤2.5b 的淺基礎(chǔ)，對于高速公路構(gòu)造物基礎(chǔ)寬度一般為6 m 以上，15 m厚(從基底至路基頂面)的填方地段，該公式仍然適用。該公式如下:

式中:d 為基礎(chǔ)埋深，b 為基礎(chǔ)寬，l 為基礎(chǔ)長。當(dāng)以無限長條形基礎(chǔ)為對象，取l=∞。

在高填方涵洞的設(shè)計要求中，隨著路基的填筑，地基的基本承載力也得到相當(dāng)程度的提高，其承載力大多在600 kPa 以上，因此按照常規(guī)的路基設(shè)計標準，地基承載力很難達到要求，同時也會造成涵頂?shù)膽?yīng)力集中加劇，使涵洞構(gòu)造物受力不合理。因此，在高填方涵洞路基設(shè)計中還需要對地基承載力的修正進行必要的考慮。

2 地基處理的原則

在進行高填路方涵洞設(shè)計時，設(shè)計人員經(jīng)常在沒有正確認識高填方路段涵洞構(gòu)造物及其地基特點的情況下對地基的承載力提出了過高的要求，因此，設(shè)計處的方案偏于保守，不利于經(jīng)濟的最大化和效益的最高化。實踐和理論表明，涵洞地基壓縮模量越大，涵洞頂部受到的土壓力越大，涵頂應(yīng)力集中現(xiàn)象越嚴重，同時對涵洞構(gòu)造物強度的要求就越高，涵洞地基處理時只需滿足合理的承載力要求，不必將承載力要求提得過高。此外，對高填方路段涵洞的地基處理宜適當(dāng)考慮固結(jié)、壓密等作用引起的地基承載力增長，對地基承載力修正計算后再確定合理的處理方案。此外，根據(jù)各類工程對地基土強度和變形的不同要求，地基土的處理應(yīng)該按照如下原則進行:一是對地基強度和變形要求較高的高填涵和高填土路基應(yīng)該采用深層處理，二是對地基強度和變形要求較小的一般涵洞和低路堤可以采用淺層處理，三是橋頭、高填涵兩側(cè)路基和填挖結(jié)合部路基等易產(chǎn)生不均勻沉降的路段也采用深層處理。

涵洞頂部的土壓力大小直接取決于涵頂平面沉降差，在對軟弱地基僅做涵底范圍的處理時，涵體沉降將小于涵周土沉降，這將導(dǎo)致涵頂應(yīng)力的集中。因此，在具體的地基處理過程中，應(yīng)當(dāng)從減小涵頂平面沉降差的觀點出發(fā)，依據(jù)涵洞構(gòu)造物軟基路段的典形特征，建立相應(yīng)的力學(xué)模型，進行沉降近似計算分析。

3 對高填方涵洞的加筋減載處理

3.1 高填方涵洞的地基病害及常用解決措施

高填方路段的涵洞上方覆填土的高度大多都在10m 以上，甚至?xí)^50m，因此填土荷載大，受到復(fù)雜地形條件的影響，涵洞的受力及變形特性十分復(fù)雜，因此山區(qū)高等級公路中許多高填方涵洞均已開裂甚至垮塌，嚴重影響到公路的正常使用。通過前面敘述可知，涵洞主體存在應(yīng)力集中和不均勻沉降的問題很容易引起各種不同程度的病害。針對高填方涵洞土壓力過大的問題，國內(nèi)外學(xué)者對涵洞減載措施進行了研究。

高填方路段的土壓力集中使得涵洞時常產(chǎn)生縱向開裂現(xiàn)象，成為山區(qū)高填方涵洞工程的典型病害。目前采取的減載措施主要是通過改變填土體的沉降特性，即在涵洞上方進行人工的土拱效應(yīng)，使作用在涵洞頂部的填土向涵洞兩側(cè)傳遞，譬如中松側(cè)實法、柔性填料法等。但是這種減載方法沒有考慮到沉降引起的地面變形，且質(zhì)量和效果難以得到保障，因此，這些減載措施難以在實際的工程實踐中得到應(yīng)用?，F(xiàn)階段更多的工程仍是通過加大結(jié)構(gòu)尺寸以保證涵洞的安全，而不是應(yīng)用減載的方法。

3.2 加筋減載技術(shù)

加筋減載法的核心思想是在涵洞上方設(shè)置裝有壓實度較低的松散填料減載孔，并對減載孔兩側(cè)的土體進行分層壓實，此外，通過在減載孔上方鋪設(shè)土工格柵，格柵在上部土體的沉降過程中發(fā)生向下的撓曲變形，土工格柵需要鋪設(shè)多層，格柵兩端分別錨固于減載孔外側(cè)密實度較高的填土中，形成加筋橋，各層格柵間的填土采用路基開挖的原位土填筑，最大粒徑不大于0.6 倍格柵間距，壓實度和壓實方法與周圍土體相同。此時，涵頂部分荷載將通過格柵的拉力傳遞給減載孔兩側(cè)的土體，由于涵洞上方的土體沉降量大于周圍土體的壓縮量，從而產(chǎn)生一個向下的相對位移，導(dǎo)致周圍土體給涵洞上方土體提供了一個向上的摩擦力，以抵消該部分土體的自重荷載，減小涵頂土壓力，該過程中鋪設(shè)的格柵有利于控制由松散填料壓縮量過大造成的上部路堤的不均勻沉降，避免引起路面結(jié)構(gòu)的破壞。

這種減載技術(shù)雖然能對高填方涵洞地基起到一定的加固保護作用，但是也存在自身的缺陷，首先就是涵洞受力及變形特性受復(fù)雜地質(zhì)影響大，涵洞受力不對稱，易引起涵洞涵頂與墻身分離開裂，涵頂加筋減載效果有限，涵頂開裂現(xiàn)象仍然存在，且該方案容易將涵頂荷載轉(zhuǎn)移至側(cè)墻，使得涵洞側(cè)墻開裂現(xiàn)象有所增加;

3.3 注漿加筋技術(shù)

為了有效克服原有普通減載措施的以下不足，減少涵洞上側(cè)的負荷條件，降低涵體所受到的土壓力，并涵洞的受力進行優(yōu)化，讓涵體的受力更加合理，本文針對性的提出了一種涵洞注漿加筋減載方法。注漿加筋減載方法在原有加筋減載方法的基礎(chǔ)上，通過對涵周填筑碎石并注漿來提高涵側(cè)土體剛度，注漿加筋減載結(jié)構(gòu)由加固區(qū)、筋材、碎石墊層和減載孔組成，加固區(qū)位于涵洞的兩側(cè)，減載孔位于涵頂?shù)恼戏?，筋材和碎石墊層位于減載孔上方。加固區(qū)、筋材、碎石墊層和減載孔組成一個減載體系，通過加固區(qū)上填土的土拱效應(yīng)和筋材的張拉膜效應(yīng)，使大部分填土荷載傳遞至加固區(qū)，并沿加固區(qū)傳遞至地基。

(1)柵格強度。通過對涵洞進行注漿加固結(jié)合加筋減載時所采用的格柵剛度對減載效果的影響進行了算分析可知，不同格柵剛度下涵頂土壓力分布和拱圈內(nèi)力分布相差不大。一般情況下，隨著格柵剛度的增大，涵頂土壓力變化不大。例如，格柵剛度從10kN/m 增大到5000kN/m，涵頂土壓力大約增大2kPa，增幅只有0.9%左右。由此可知，在選取格柵時，可以不以減載效果作為格柵剛度的確定依據(jù)，而根據(jù)格柵變形要求來選擇剛度合適的格柵。

(2)注漿區(qū)模量。隨著注漿區(qū)模量的增加，涵頂最大土壓力和拱圈最大軸力都將逐漸減小。例如，注漿區(qū)模量從10MPa 增大到150MPa，涵頂土壓力減幅約為11%，而拱圈最大軸力減幅約16%。當(dāng)注漿區(qū)模量達到一定數(shù)量以后，注漿區(qū)模量的提高將對涵頂土壓力和拱圈最大軸力的影響都將變的很小。但是初始階段隨著注漿區(qū)模量的增加，拱圈最大剪力和拱圈最大彎矩都將急劇減小，減幅可達23%

綜上可知，隨著注漿區(qū)模量的增大，總體上涵頂土壓力及拱圈內(nèi)力均呈減小趨勢，并最終趨于穩(wěn)定，當(dāng)注漿區(qū)模量達到一定范圍后，涵頂土壓力和拱圈的內(nèi)力達到較小值，進一步提高注漿區(qū)模量對涵頂土壓力和拱圈內(nèi)力的減小并不明顯，因此在對注漿區(qū)進行換填或加固時，注漿區(qū)的模量達到一定量時即可獲得較好的減載效果。

4 結(jié)束語

本文主要對山區(qū)高速公路高填方涵洞的地基處理技術(shù)進行了探討和研究，主要對當(dāng)前常用高填方涵洞地處處理技術(shù)進行了介紹，對加筋減載技術(shù)做了分析說明，指出了當(dāng)前處理高填方涵洞方法的不足和常遇到的一些問題。最后通過對注漿加筋技術(shù)的介紹，指出通過在注漿加固區(qū)頂部鋪設(shè)土工格柵能夠進一步降低涵頂土壓力和拱圈內(nèi)力，且在選擇格柵時，可不考慮剛度對減載效果的影響，只需格柵剛度滿足格柵抗拉和變形要求。而在對注漿區(qū)進行換填或加固時，適當(dāng)提高注漿區(qū)的模量至一定量時即能獲得較好的減載效果。本文的研究成果具有一定的理論意義和實際價值，可為工程設(shè)計提供參考。

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