山区公路高填方涵洞的设计问题研究
赵丽颖
摘要：高填方涵洞是山区公路建设中经常遇到的工程,特别是在高等级公路建设中,由于线型要求高,深挖高填更是不可避免。由于其受力复杂、工程量大、对地基承载力要求高,因此,降低涵顶填土高度,减少涵洞长度,减小涵底坡度,降低基底承载力要求以简化结构计算,减少工程造价,减小涵底冲刷,增加涵洞安全性,成为设计中着重考虑的问题。本文结合近几年对山区公路涵洞设计以及施工反馈的意见,就高填方涵洞的设计进行分析与探讨。
关键词：涵洞；高填方；设计
根据高填方涵洞所处的地形地质条件、受力特点和排水要求,山区公路高填方涵洞多采用盖板涵和拱涵两种结构型式。与涵顶填土高度较低的涵洞相比,高填土条件下的涵洞具有填土高度大、土压力大但不随填土高度线性增加的特点,很明显,现有的涵洞设计标准图已不能满足这种高填土条件下的涵洞设计需要,而要使其结构设计安全可靠、经济合理,首先必须正确评价和计算高填土条件下的涵顶拱效应及拱效应对土压力的影响,过高或过低地估计拱效应对土压力的影响将会使涵洞的结构设计不安全或不经济。
1 高填方涵洞的特点
与低填方涵洞和其它填埋式涵管相比,公路高填方涵洞具有以下特点:
高填方涵洞对地基沉降要求高。高填方涵洞一般为钢筋混凝土拱涵或盖板涵,基础的不均匀沉降会导致涵台的开裂或拱圈的开裂与塌陷,同时涵洞的坍塌会引起路面的沉降破坏。因此,高填方涵洞对地基土容许承载力及均匀性要求较高,一般要求地基为基岩。
工程量大,造价高。由于填土高度大,高填方涵洞洞身较长,造价较高,如果结构设计不合理结构尺寸偏大,则使高填方涵洞的造价剧增,造成浪费,例如阜朝高速一拱涵前墙顶宽达到4.8m,底宽达到6.67m,全涵工程造价达到270多万;反之,结构尺寸偏小,可能会使结构承载力不能满足荷载要求而导致涵洞的开裂坍塌,酿成质量事故,并增加加固维修工程费用。
承受的土压力大。由于填土高度大,使其承受的土压力随填土高度的增加而增加,结构尺寸也随填土高度而增大。
加固维修难度大。高填方涵洞填土高度大,长度大,通风采光条件差,工作面狭窄,一旦产生破坏,加固维修较为困难,费用也较高。
2土压力计算
为使高填方涵洞结构设计安全可靠、经济合理,首先必须解决土压力的计算理论和方法。
对压实填土重力的竖向和水平压力强度标准值按土柱法计算,公式如下:
qv=γh
qH=λγh
式中:γ--土的重力密度(kN/m3);
h--计算截面至路面顶的高度(m);
λ---侧压系数, λ=tan2(45°-Φ/2)。
但高填方涵洞土压力计算理论属于深埋地下洞室的土压力计算问题,对于通常的填土较低的涵洞土压力计算公式按上式计算是合理的,但填土高度达到一定高度后,涵洞顶上的土压力并不随高度h呈线性变化,涵顶和涵台外土压力都明显低于用上式计算的理论土压力。
当填土达到一定高度后,在高填方涵洞上方将产生拱效应,使涵洞上的土压力小于理论土压力。此时若根据上式进行高填方涵洞结构设计过于保守,其结构尺寸较大,且高填方涵洞涵长较长,从而引起工程造价较高。
考虑土拱效应的计算理论主要有太沙基(K.Terzaqhi)地压理论和普氏地压理论。其中太沙基认为地下洞室的压力由地层的应力传递所引起,填土达到一定高度时,压力将不再往下传递;而普氏认为地下洞室的压力由自然平衡拱内松动岩块的重量引起,假设洞室上方有一个稳定的土拱,结构承担的荷载为土拱下不稳定的土体重量。但由于高填方涵洞的特点,利用以上两种理论计算的土压力与实际的土压力均偏小,故利用其进行结构设计是不安全的。
非线性土压力计算公式与不考虑拱效应的土柱法相比,由于适当考虑了拱效应对土压力的影响,在同等填土高度条件下,计算的土压力较小,其设计的涵洞结构尺寸也相对较经济;与考虑具有稳定拱效应的普氏理论和太沙基理论计算的土压力相比,由于它反映了高填方涵洞上方土拱效应对土压力的影响以及土拱效应的不稳定性,在填土加载过程中仍有部分土压力传递到涵洞上,但土压力并不成线性增加,用其计算的土压力大于具有稳定土拱的土压力,但很明显小于不考虑土拱效应计算的土压力,反映了高填方涵洞的实际受力情况,用其进行高填方涵洞结构设计可以使结构安全可靠、经济合理,因此非线性土压力理论是高填方涵洞合理的土压力计算方法。
但应用上述公式时应保证涵顶填土达到路基施工要求的压实度,且涵洞周围应为非软土的稳定地基。
3减荷措施
土力学理论本身的许多假定和参数选择都带有半经验性质,随机性很大。不论如何精确的计算公式,都很难将所有实际因素考虑周全和准确。所以,在工程设计中,一方面要根据涵洞受力和变形特点,结合具体工况确定合理的土压力计算公式,更为重要的是采取合理正确的工程措施,使结构物处于有利的工作状况。根据模型试验、现场测试和理论分析可以发现,利用填土既是荷载又是介质的特性,通过工程措施和方法,可以达到减小结构物上土压力的目的。其核心是使+δ减小,直至形成-δ,充分利用"土拱效应",使管道外侧土柱与管道共同承担管顶土柱重量。归纳起来主要有以下几种方法:①充分利用沟谷地形。②在涵洞顶一定厚度范围采用高压缩性填充材料或"中松侧实"填土法。③提高涵台背后填土压实度或采用低压缩性材料。④采取合理的地基处理方法,如加固管道两侧地基或采用相对松软的涵洞地基,使地基产生-δ差。值得注意的是,在涵洞地基设计时,沿涵洞轴向地基的均匀性对结构安全是十分重要的。
4施工中的特别要求
高填方涵洞施工除按一般施工技术规范的要求外，对于高填土下整体式基础的涵洞，回填土时，要求在侧墙外2倍基础(整体式)宽的范围内，先清除基底表层草皮、浮土，然后再对称、分层回填土并压实:在同一层回填时，先填涵台两边，再回填涵顶以确保基础的整体稳定性，涵台旁边2m范围内的填土宜选用透水性好的砂性土回填。
5结语
山区公路高填方涵洞由于数量较多,工程量较大,施工时有一定的难度。设计中应首先考虑变高填土涵洞为低填土涵洞,改成常规涵洞设计,既能简化设计、方便施工,也可以大大降低工程造价。高填土涵洞荷载很大,对基础要求较高,因此应设法减小涵顶荷载,并加强地基处理,保证涵洞的稳定性,使构造物耐久、安全。
在交通工程设计中,涵洞的设计和桥梁及其它建筑物的设计比较相对简单一些,在很多时候一些设计人员就会因为涵洞结构尺寸小而忽略了附近路线工程对它的影响。在实际施工中,涵洞施工一般在路基施工以前进行,如果涵洞长度设计不够,路基填方施工后将填埋涵洞出入口,造成废弃工程、增加变更及延误工期等不良后果,在设计时可根据实际情况考虑增加一些防护工程来避免附近路线工程对涵洞的影响。
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