高填方涵洞土壓力分析及減荷措施

何 超

(北京國(guó)道通公路設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，北京 100053)

0 引言

山區(qū)高填方涵洞有著長(zhǎng)度長(zhǎng)、填土高的特點(diǎn)，洞身受到的土壓力大，相應(yīng)的涵洞尺寸也較大，若設(shè)計(jì)時(shí)土壓力計(jì)算過(guò)分保守，尺寸過(guò)大則導(dǎo)致造價(jià)高造成浪費(fèi)。若涵洞設(shè)計(jì)考慮欠缺導(dǎo)致尺寸偏小，可能出現(xiàn)涵洞承載能力不足，導(dǎo)致涵洞過(guò)早出現(xiàn)開(kāi)裂等危害。在保證其可靠性和耐久性的情況下能否做到經(jīng)濟(jì)合理，是高填方涵洞設(shè)計(jì)需重視的問(wèn)題。

1 現(xiàn)行規(guī)范涵洞土壓力計(jì)算

涵洞土壓力主要分為以下幾類(lèi):1)散體極限平衡法；2)土柱法；3)壓力集中系數(shù)法；4)卸荷拱法；5)根據(jù)變形條件以彈性理論為基礎(chǔ)的計(jì)算方法。我國(guó)現(xiàn)行的JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范采用土柱法計(jì)算，JTG/T D65—04—2007公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則則采用壓力集中系數(shù)法。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于對(duì)涵洞土壓力認(rèn)識(shí)不足，若采用了相對(duì)偏小的荷載作為設(shè)計(jì)依據(jù)，結(jié)果造成涵洞承載力不足，過(guò)早產(chǎn)生病害。由于公路涵洞多為混凝土結(jié)構(gòu)，柔性管涵相對(duì)較少，混凝土結(jié)構(gòu)剛度大，而土的剛度較小，因此涵洞上部的土位移小于兩側(cè)的土的位移，導(dǎo)致涵洞外側(cè)的土對(duì)涵頂上方的土柱產(chǎn)生向下的托拽作用。因此，涵洞頂也會(huì)受到外側(cè)的土施加的向下附加應(yīng)力，造成涵洞所受的土壓力大于涵洞上部的土重，涵洞與土作用機(jī)理可見(jiàn)圖1。涵洞所受的土壓力并不等于其上土柱的重量，而是相對(duì)洞身上方土重較大，根據(jù)相關(guān)研究表明，涵洞承受的土壓力約為上方土重的1.3倍～2.0倍[1]，因此，欠缺合理的計(jì)算將導(dǎo)致設(shè)計(jì)涵洞的承載力不足。

我國(guó)JTG D60—2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范中，涵洞土壓力采用土柱法計(jì)算，豎向土壓力qv=γH，水平土壓力Hq=tan(45°-φ/2)×γH。該式為交通部1954年頒布，并且一直沿用至今，計(jì)算時(shí)涵洞頂部某一點(diǎn)的豎向土壓力僅與土柱的自重荷載有關(guān)，忽略了涵洞上方填土與兩側(cè)填土滑動(dòng)引起的附加應(yīng)力[2]?？赡軙?huì)造成土壓力計(jì)算值偏小?！豆泛丛O(shè)計(jì)細(xì)則》以及《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》則采用了壓力集中系數(shù)法，考慮了涵洞與其周?chē)羷偠炔町悓?dǎo)致土體沉陷變形引起的土附加壓力，其計(jì)算公式如下：

pv=KγH。

其中，K根據(jù)H/D確定；H為填土高；D為涵洞頂寬；K值見(jiàn)表1。

表1 土壓力系數(shù)K

因此，《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》相對(duì)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》更適合涵洞土壓力計(jì)算。但是，不論是土柱法還是壓力集中系數(shù)法計(jì)算土壓力時(shí)，均忽略了在高填土產(chǎn)生的拱效應(yīng)。其計(jì)算結(jié)果是，涵頂隨填土高度的增加，洞身所承受的土壓力也同時(shí)線(xiàn)性增加，當(dāng)填土高度較大時(shí)，得出的土壓力遠(yuǎn)大于涵洞的實(shí)際受力情況，這將導(dǎo)致涵洞的結(jié)構(gòu)過(guò)于保守而不經(jīng)濟(jì)，用此法進(jìn)行高填方涵洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯然是不合理的。

2 合理考慮“土拱效應(yīng)”

卸荷拱是隧道設(shè)計(jì)常用的理論，隧道是先有土體后有洞室，在開(kāi)挖卸載后，隧道洞身上部一些土體失去支撐后向下發(fā)生位移，支護(hù)承受部分土體荷載，穩(wěn)定的巖體則形成拱，使隧道襯砌受力減少，有的甚至可以自持穩(wěn)定，形成拱效應(yīng)。但是，在高填方涵洞中，是先有涵洞再有回填的土體，要使涵洞形成拱效應(yīng)，則必須使涵洞上方部分土體發(fā)生向下的位移，在周?chē)钔烈褖簩?shí)的情況下，該位移只能通過(guò)涵洞下沉實(shí)現(xiàn)。另一方面，隧道形成拱效應(yīng)的均為天然巖體，多年沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定，而涵洞上方則為人工填土，密實(shí)度相對(duì)較低。

根據(jù)以往研究表明，高填方涵洞上方土體形成了不穩(wěn)定的土拱，可承受部分土體荷載，若完全采用隧道的卸荷拱理論計(jì)算，則低估了涵洞上方的土壓力。若不考慮拱效應(yīng)，其計(jì)算結(jié)果是，隨填土高度的增加，涵頂土壓力也同時(shí)線(xiàn)性增加，最終計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于涵洞的實(shí)際受力情況，這將導(dǎo)致涵洞的結(jié)構(gòu)過(guò)于保守而不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)路堤高度在18 m以上時(shí)，土壓力隨著填土的高度出現(xiàn)非線(xiàn)性變化，可采用下式計(jì)算[3,4]，qv=3.712 8γH0.454 3，qH=3.712 8λγH0.454 3。該式考慮了不穩(wěn)定的土拱效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果相對(duì)土柱法和壓力集中系數(shù)法較小，比卸荷拱法結(jié)果偏大，與高填方涵洞受力情況更相符，在保證安全可靠的前提下，可使涵洞設(shè)計(jì)尺寸更為經(jīng)濟(jì)。

3 涵洞的減荷措施

高填方涵洞必然會(huì)產(chǎn)生較大的土壓力，為了滿(mǎn)足受力要求，需采取有效措施降低豎向土壓力及內(nèi)外側(cè)土體沉降差?，F(xiàn)高填方涵洞減荷措施一般是通過(guò)改變沉降特性完成的，即減少涵洞上部土體與外側(cè)土體的沉降差，甚至使涵洞上方土體沉降大于外側(cè)土體沉降，人為的造成“土拱效應(yīng)”，從而達(dá)到減少豎向土壓力的效果。

1)中松側(cè)實(shí)法。該方法是在路基填土?xí)r，涵洞上方土體碾壓相對(duì)較松，兩側(cè)土體碾壓緊實(shí)，使涵洞上方土體的剛度小于兩側(cè)土體剛度，減少了涵洞內(nèi)外的沉降差，從而降低涵洞頂部土壓力集中現(xiàn)象。內(nèi)外側(cè)土體剛度比越小，涵洞頂部的土壓力集中系數(shù)越小。但是填土碾壓較松，路基的沉降量將會(huì)變大，可能導(dǎo)致路基失穩(wěn)，對(duì)公路的正常運(yùn)營(yíng)會(huì)產(chǎn)生一些安全隱患。因此在施工過(guò)程中，必須注意涵洞頂部填土碾壓松實(shí)的程度，碾壓過(guò)實(shí)則較難起到減荷作用，過(guò)松將會(huì)影響路基的質(zhì)量。

2)柔性填料法。該方法為中松側(cè)實(shí)法的改良。主要采用剛度較小的柔性填料，路基填筑時(shí)，將柔性材料鋪設(shè)在涵洞上方一定范圍，從而改善涵洞上方土體的變形情況，可減少涵洞內(nèi)外土體的沉降差，從而減少豎向土壓力。目前部分工程采用泡沫聚苯乙烯EPS等輕質(zhì)材料埋設(shè)在涵洞頂部，文獻(xiàn)[5]中通過(guò)EPS材料的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)以及有限元分析，得出不同填土高度時(shí)，既定減荷條件下EPS材料厚度、密度的定量關(guān)系，對(duì)不同類(lèi)型涵洞減荷材料的埋設(shè)范圍做出了分析，可為設(shè)計(jì)及施工方選擇柔性填料法時(shí)，提供一定參考。

3)加筋橋減荷法。涵洞上方局部土體壓實(shí)程度小于兩側(cè)土體，為了防止沉降過(guò)大而影響路基穩(wěn)定，將該層松散的土體分層加筋壓實(shí)，加筋兩端固定在兩側(cè)密實(shí)的土體中，“加筋橋”便可形成?！凹咏顦颉笨蓽p少涵洞內(nèi)外側(cè)土體的沉降差，同時(shí)，筋材錨固于兩側(cè)土體中，也可夠承擔(dān)部分涵洞上方的豎向土壓力，并將這部分土壓力傳遞外側(cè)土體上，從而減小涵洞受到的豎向土壓力。

4)先填后挖法。先填后挖法是先完成路基回填，待路基碾壓密實(shí)后再開(kāi)槽修建涵洞。此時(shí)，涵洞兩側(cè)土體已先行沉降，其沉降量將小于涵洞上方土體的沉降量。因此涵洞頂部受到的豎向土壓力便可減小。但在實(shí)際工程中，該方法施工較為繁瑣，高填方涵洞較難開(kāi)槽修建涵洞，該方法使用較少。

4 結(jié)語(yǔ)

涵洞上土壓力是涵洞設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，而土壓力的大小與土體的沉降變形差有著密切聯(lián)系。在山區(qū)高填方涵洞設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理考慮填土的沉降變形差對(duì)土壓力計(jì)算的影響，還應(yīng)考慮高填土產(chǎn)生的拱效應(yīng)，避免土壓力計(jì)算遠(yuǎn)大于涵洞的實(shí)際受力情況，這是涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)鍵，同時(shí)還應(yīng)從涵洞受力機(jī)理出發(fā)，減少涵洞內(nèi)外側(cè)填土的沉降變形差，使涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為科學(xué)合理。