簡述甕馬鐵路涵洞地基承載力設(shè)計問題

蘭定忠

（中鐵二院貴陽勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550002）

0 引言

新建甕安至馬場坪鐵路，是貴州省鐵路規(guī)劃網(wǎng)中的資源開發(fā)鐵路，自既有滬昆線福泉站凱里端增設(shè)馬場坪車站引出，北至甕安縣城附近，按國鐵II級單線電氣化貨運專線建設(shè)，設(shè)計時速120km。是全國路網(wǎng)首條采用“PPP模式+自建自營”的地方資源型鐵路，對中國鐵路建設(shè)引入社會資本的PPP模式推廣意義重大。由于社會投資人對鐵路現(xiàn)行規(guī)范不熟悉，在實際施工過程中關(guān)于技術(shù)問題容易產(chǎn)生分歧。關(guān)于涵洞地基承載力問題主要有以下兩個方面。

（1）現(xiàn)行規(guī)范中地基基本承載力相對于極限承載力的安全系數(shù)。

（2）涵洞地基承載力要求為大于或等于150kPa的依據(jù)。

1 涵洞設(shè)計與施工中地基承載力論述

1.1 現(xiàn)行規(guī)范地基承載力設(shè)計方法

通過對比公路及鐵路各行業(yè)的地基設(shè)計規(guī)范，發(fā)現(xiàn)地基承載力設(shè)計的理念基本相同，均是基于某一特定深度及寬度的基礎(chǔ)地基容許承載力。該地基容許承載力被稱為地基基本承載力，在鐵路和公路行業(yè)規(guī)范中以寬度小于等于2m，埋深小于等于3m的地基容許承載力作為基本值。實際使用時對基本承載力做深度寬度修正，得到相應(yīng)基礎(chǔ)的容許承載力[1]。

地基基本承載力的獲取有很多種方式，最為準(zhǔn)確的是平板荷載試驗。然而針對一般鐵路工程來說，不采用平板載荷試驗來確定承載力，因其成本極大且耗時較長，一般采用室內(nèi)試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探或其他原位測試等易于操作的試驗手段來確定。例如，可以通過原位測試數(shù)據(jù)，如SPT擊數(shù)、LDPT擊數(shù)等，依據(jù)相應(yīng)的公式或表格獲??；也可以通過室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，如密實程度、孔隙比e、天然含水率ω、液限ωL等，根據(jù)測試數(shù)據(jù)從規(guī)范中的表格中查取獲得。地質(zhì)工程師在現(xiàn)場對涵洞地基承力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入法測試如圖1所示。

圖1 地質(zhì)工程師在現(xiàn)場對涵洞地基承力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入法測試

甕馬鐵路工程中，地基土的土體為非連續(xù)介質(zhì)，其性質(zhì)的影響因素很多。因此不能通過單一方式給出地基土的基本承載力[2]。地質(zhì)專業(yè)工程師在實際操作中往往是結(jié)合自身經(jīng)驗，采用多種方式相互驗證。一般在勘察設(shè)計階段給出的基本承載力值，開工前仍需通過現(xiàn)場試驗來驗證。

1.2 現(xiàn)行規(guī)范中地基基本承載力的安全系數(shù)

因為現(xiàn)行規(guī)范采取了上述設(shè)計理念，因此規(guī)范沒有明確指出何種土質(zhì)采用了何種安全系數(shù)。另一方面也是因為地基承載力存在地區(qū)差異性，人為限定安全系數(shù)取值也有不合理之處。毋庸置疑的是，現(xiàn)行鐵路規(guī)范基本承載力取值存在可靠的安全度，這可以從一些規(guī)范條文中看出。

《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》（TB 10018—2003）[注：最新版為2018年版，因甕馬鐵路建設(shè)跨度為2015—2019年度，執(zhí)行勘察設(shè)計施工過程階段標(biāo)準(zhǔn)]有通過平板荷載試驗取得地基基本承載力的相關(guān)規(guī)定。從中可以看出，地基基本承載力取值的安全系數(shù)一般大于2。另外，對于高壓縮性土體，P-S曲線往往無明顯拐點，因此按照一定的相對沉降量對應(yīng)的荷載值為基本承載力。采用雙曲線擬合法獲得基本承載力時的安全系數(shù)F為2～3[3]。

《鐵路工程地質(zhì)勘查規(guī)范》（TB 10012—2007）[注：最新版為2019年版，執(zhí)行勘察設(shè)計施工過程階段標(biāo)準(zhǔn)]附錄D給出了通過室內(nèi)試驗參數(shù)獲取基本承載力及極限承載力的參考表格?？梢钥闯?，巖石地基極限承載力與基本承載力為2.5～3倍關(guān)系；碎石類土地基的極限承載力與基本承載力關(guān)系一般為2～3倍，松散的角礫土為1.7倍關(guān)系；砂類土地基的極限承載力與基本承載力關(guān)系一般為2倍關(guān)系；粉土地基的極限承載力與基本承載力約為1.86倍的關(guān)系[4]；Q4沖、洪積黏性土地基的極限承載力與基本承載力關(guān)系一般為1.86倍；殘積黏性土地基的極限承載力與基本承載力一般為2倍關(guān)系；軟土地基的極限承載力與基本承載力的關(guān)系約為1.8倍關(guān)系。

《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》（TB 10018—2003）給出了通過動力觸探試驗獲取基本承載力及極限承載力的參考表格?？梢钥闯鲳ば酝恋鼗鶚O限承載力與基本承載力為1.8～1.86倍關(guān)系；砂類土地基極限承載力與基本承載力為2倍關(guān)系；碎石類土地基極限承載力與基本承載力關(guān)系為2.3倍左右。

地基基本承載力影響因素較多，具有一定的地區(qū)差異性。中國規(guī)范積累了幾十年的鐵路建設(shè)經(jīng)驗，在應(yīng)用過程中不斷完善修訂。并且地域廣泛，對各種地形地貌及自然條件下的地基土特性均有經(jīng)驗可依。

2 甕馬鐵路整體式基礎(chǔ)涵洞地基承載力要求為150kPa闡述

2.1 甕馬鐵路涵洞基底壓應(yīng)力計算

對于涵洞基底所承受的壓應(yīng)力，應(yīng)根據(jù)不同涵頂填土高度計算。在采用的標(biāo)準(zhǔn)圖集中，都包含了不同涵洞基底壓應(yīng)力的計算。計算涵洞基底壓應(yīng)力應(yīng)包括涵洞填土重、列車活載及涵身自重[5]。根據(jù)甕馬鐵路涵洞設(shè)計參考圖及個別設(shè)計圖計算的基底容許承載應(yīng)力。

通過與咨詢計算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，基底壓應(yīng)力計算結(jié)果雙方差異不大，這是因為計算方法略有差別。一般來說，涵洞基底壓應(yīng)力接近于基底標(biāo)高處路基填土壓力。大量的工程實踐及規(guī)范證實，對一般路基工程，I級鐵路地基基本承載力只要達(dá)到150kPa，并且滿足沉降設(shè)計要求即可，對于軟基段落才進(jìn)行檢算及特殊設(shè)計。例如，《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》（TB 10001—2005）第7.1.5條：“地基表層為軟弱土層，當(dāng)其靜力觸探比貫入阻力Ps值：I級鐵路小于1.2MPa，II級鐵路小于1.0MPa時；或天然地基基本承載力σ0：I級鐵路小于0.15MPa，II級鐵路小于0.12MPa時，應(yīng)根據(jù)軟弱土層的性質(zhì)、厚度、含水率、地表積水深度等，采取排水疏干、挖除換填、拋石擠淤或填砂礫石等地基加固措施[6]。”

2.2 從地基破壞原理說明基礎(chǔ)埋深、側(cè)填土荷載對地基承載力的影響

土質(zhì)地基在荷載作用下地基呈整體破壞模式，在荷載作用下，基礎(chǔ)兩側(cè)一定范圍內(nèi)土體逐漸達(dá)到塑性，形成貫通破裂面并向上擠出。依據(jù)極限平衡狀態(tài)推導(dǎo)出地基極限承載力，基礎(chǔ)極限破壞理論考慮了基礎(chǔ)寬度及地面超載對承載力的影響[7]。

鐵路作為沿長度方向的帶狀工程，涵洞兩側(cè)路基填土壓力可以防止土體擠出破壞，因此對地基土的破壞起到穩(wěn)定作用。其容許承載力還需考慮涵洞側(cè)填土的影響。依據(jù)《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（TB 10093—2005）第4.1.3條和第4.1.4條，考慮基礎(chǔ)寬度、深度修正[8]，計算得出甕馬鐵路具代表性明挖基礎(chǔ)的地基容許承載力，容許承載力計算公式如下。

當(dāng)基礎(chǔ)寬度b≤2m、埋置深度h＞3m時，涵洞基礎(chǔ)的基底容許承載力計算公式如下。

式中：[σ]——地基容許承載力，kPa；H——涵洞基礎(chǔ)底面埋置深度，m；γ2——基底以上填筑土的容重，kN/m3。

顯然，對于涵頂填土小于3m的涵洞，其基本承載力不做修正，即可滿足要求。涵頂填土5m的涵洞，基底壓應(yīng)力為200kPa左右，對基本承載力按要求進(jìn)行修正后也容易滿足要求。以下主要對涵頂填土大于5m的涵洞地基土承載力進(jìn)行修正計算。通過計算可知，路基填土越高，涵洞基底壓應(yīng)力越大，但是，填土荷載對地基土的穩(wěn)定作用也會越大，容許承載力也越高。鐵路工程地涵洞地基基礎(chǔ)規(guī)范所提150kPa承載力要求，是指未經(jīng)修正的基本承載力。該要求滿足地基受力及沉降要求，且經(jīng)濟合理。

需要說明的是，在甕馬鐵路涵洞施工圖設(shè)計過程中，對于涵洞基礎(chǔ)對地基的基本承載力要求未特別說明，只說明了基礎(chǔ)對地基容許承載力的要求，這容易誤導(dǎo)地以為是對地基基本承載力的要求，特別如前表DK9+320和DK59+510兩涵洞，實際地基基本承載力己滿足涵洞基礎(chǔ)所要求的地基容許承載力，施工過程中若不進(jìn)行檢算誤以為是要基本承載力要求而不滿足要求，采用基礎(chǔ)處理措施加強，將會造成不必要的浪費[9]。所以，涵洞基礎(chǔ)對地基的容許承載力要求，在設(shè)計過程中通過計算滿足要求即可，不必在施工圖中說明，但基礎(chǔ)對地基基本承載力的要求必須加以說明。

另一種情況，當(dāng)同一涵洞節(jié)段基礎(chǔ)存在軟硬不均現(xiàn)象時，需要對其進(jìn)行特別處理，否則涵洞基礎(chǔ)在列車運營荷載和填土壓力長期作用下，涵洞基礎(chǔ)受力不均將產(chǎn)生斷裂的不利情況，一般軟弱部分基礎(chǔ)深度較小時直接清除采用換填砂石或片石混凝土及混凝土處理，軟弱部分基礎(chǔ)較深并能滿足設(shè)計基底應(yīng)力要求時，將軟硬基礎(chǔ)均同時下挖一部分進(jìn)行換填處理，這也分多種情況需要現(xiàn)場工程師根據(jù)實際地基進(jìn)行判斷做出具體措施[10]。如涵洞基礎(chǔ)存在土夾石現(xiàn)象，軟硬不均，則需作處理，如圖2所示。

圖2 涵洞基礎(chǔ)存在土夾石現(xiàn)象，軟硬不均需作處理

涵洞設(shè)計過程中一般都充分考慮不使同一涵節(jié)基礎(chǔ)位于不同地層上，但實際情況難以避免，這就需要有經(jīng)驗的工程師在施工過程中核實處理。

為避免板頂以上路堤壓力不均勻，應(yīng)按照《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》；《新建客貨共線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定》的要求，設(shè)置過渡段，回填土?xí)r應(yīng)水平地分層填筑，每層厚20cm，涵洞兩邊墻外的回填土施工中應(yīng)予分層夯實，最佳密實度的要求按路基設(shè)計辦理，使之對兩邊墻內(nèi)洞頂以上的土體起減載作用，如圖3所示。

圖3 涵洞與路基填筑的過渡段方式

2.3 涵洞地基承載力過高的不利影響

地基土基本承載力并非一成不變的，按照現(xiàn)行鐵路規(guī)范要求，《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》（TB 1002.1—2005）允許涵洞在土質(zhì)地基基礎(chǔ)上有不超過10cm的沉降，涵洞的工后沉降不滿足上述要求時，應(yīng)進(jìn)行地基處理[11]。經(jīng)過處理后的地基土將在荷載作用下形成固結(jié)，承載力會有所提高。

3 結(jié)語

綜上所述，在鐵路涵洞設(shè)計與施工過程中，由于涵洞的存在會使涵洞與兩側(cè)路基沉降有所差別。兩側(cè)路基填筑土的沉降量大于涵洞處沉降，由于涵洞兩側(cè)路基的沉降，對涵洞產(chǎn)生向下的拖拽力。造成涵頂土壓力集中和路基拉裂破壞，且隨著填土高度增加而更加嚴(yán)重。特別是當(dāng)涵洞地基承載力過高時，會對涵洞基礎(chǔ)進(jìn)行加強處理，使用涵洞與兩側(cè)路基的差異沉降越大，該現(xiàn)象越嚴(yán)重。另外，對涵洞過高的承載力要求將造成不必要的浪費。因此，現(xiàn)行鐵路規(guī)范合理考慮了路基-涵洞-地基協(xié)同受力，及填土對地基承載力的穩(wěn)定作用，提出一般情況下涵洞工程地基基本承載力達(dá)到150kPa的要求即可。