高填方涵洞关键问题探讨

高填方涵洞关键问题探讨

张琪

湖南省公路设计有限公司茂名分公司   广东 茂名  525000

摘要：在山区公路设计过程中，受平纵指标及填挖平衡的限制，高填方工程是无法避免的，为了满足路基横向排水或被交道路交通要求，需要设置涵洞。高填方涵洞由于上覆土层厚度大，垂直土压力大，巨大的压力容易使混凝土开裂破坏。上覆土层厚度大，对地基承载力的要求也高，而且容易发生不均匀沉降，导致涵内积水甚至裂缝，严重影响了涵洞的正常使用。由此可见，在设计高填方涵洞时，如何确定高填方土压力分布状态，有效地减小涵洞上的垂直土压力，提高地基承载力及涵洞基础设计是首要解决的问题。

关键词： 高填方 涵洞 减载 承载力 基础设计

1、高填方涵洞的定义及特点

我国的公路桥涵设计规范，对于高填方涵洞并没有明确定义。而根据我国路基设计规范，把填方高度超过20m的填方路基定为高路堤，故在高路基底部修建的涵洞也就是高填方涵洞。高填方涵洞具有土压力较大，对地基沉降要求高，工程造价高以及出现问题后，加固维修难度大的特点。

2、合理确定高填方土压力分布状态

目前在涵洞设计中存在两个误区。一方面，如果在涵洞设计过程中过于保守，采用过大的安全系数，那么为了使地基承载力满足设计要求，往往需要投入大量的人力和物力进行涵洞地基的处理，同时造成涵洞顶部填土压力更加集中，这种做法是不经济的，也是不合理的。另一方面，如果对涵顶“土拱效应”认识不足，没有考虑到高填方涵洞拱顶的土压力集中现象，得出较小的土压力，从而导致结构物因强度不够而开裂，或因地基承载力不能满足实际受荷要求，而导致基底沉降和不均匀沉降过大，造成涵洞结构物顶部拉裂或路面开裂，有些涵洞还可能出现中部沉降值较大，造成涵洞内积水甚至基础开裂的情况，严重影响涵洞的正常使用。因此，合理确定高填方土压力分布状态成为高填方涵洞设计和施工中的首要问题。

在实际工程设计中，需根据地基条件不同，选择不同的竖向土压力计算方法。当涵洞周围为非软土的稳定地基时，涵顶填土与涵台外填土的沉降差很小。由沉降差引起的附加剪应力很小，可以忽略，此时若填土高度较低，可采用土柱法计算。若填土高度较高(大于20m)可采用非线性土压力理论计算。当涵洞周围是较深软基，而涵洞基础采用桩基时，必须考虑涵顶填土与外侧填土间沉降差引起的附加剪应力，此时应按照公路涵洞设计规范的方法计算竖向土压力。

高填方涵洞车轮荷载的作用范围按照30°角向下扩散，当填土高度8m时，汽车荷载占总荷载的比例仅为1.495%，填土高度为20m时，这一值为0.192%，非常小，可以忽略不计，所以在进行高填土涵洞的结构计算时，不考虑汽车荷载的作用。

3、高填方涵洞的减载措施

目前针对高填方涵洞的减载措施大都是通过调整涵顶平面上覆填土的沉降，来实现将作用在涵顶的填土荷载向台背外侧填土转移，以减小涵顶荷载的目的。

涵洞的主要减载措施有：中松侧实法、先填后挖法、采用柔性填料（EPS）。

3.1中松侧实法

采用“中松侧实法”回填是减小涵洞上竖向土压力强度的有效措施。因为根据涵顶土体的变形机理，涵洞两侧压实度比涵顶压实高，土体在固结变形的过程中，涵洞顶土体的变形将大于两侧土体的变形量，使涵洞顶填土的质量转移到两侧的填土，从而减小在涵洞结构物上的土压力作用，达到减荷的目的。

3.2先填后挖法

由于涵洞沉降与路基存在明显的差异，利用沟谷地形的特性，先分层将路基填筑至一定的高度，然后反挖涵洞基槽，涵洞修筑好后再回填可有效减小涵顶土压力。

3.3采用柔性填料（EPS）

EPS材料具有质量轻、侧向变形小、抗水、热稳定性、抗酸碱性和易加工的物理性质和工程特性。EPS 主要作为一种轻质、可压缩的填筑材料应用于公路施工中。起到减小路堤自重，降低地基压力的作用。在高填方涵洞中，它可以铺设在涵顶，降低涵洞过刚造成无法适应涵侧沉降过大问题，平衡涵顶与涵侧的沉降差。可调整路堤填土在涵顶平面的不均匀沉降，降低涵顶的土压力集中程度，对涵洞结构的受力有利。
4、提高地基承载力方法

由于高填方涵洞地基承载力的要求比较高，如果相对较好的地基处理方法，将提高高填方涵洞的工程质量，减低工程造价。

4.1地基换填法

换填法是指将路基范围内的承载较低的土体清除，用稳定性好的砂砾或碎石回填并压实或夯实。换填前应该将硬土层(持力层)以上的软弱土层须全部清除。

涵洞基底的地基承载力基本容许值[fao]≤200kPa时，一般选用砂砾垫层；涵洞基底的地基承载力基本容许值[fao]>200kPa时一般选用级配碎石，在满足要求的情况下优先采用边坡开挖或隧道开挖的硬质石料。 若换填材料为碎石、级配碎石、卵石、片石，且下层土有可能在荷载作用下被挤入换填层时，则应在换填的底部设置20cm厚的中、粗砂层。

4.2采用复合地基处理法

如果覆盖层太厚，全部换填不实际，从经济和安全性考虑，就应该采用复合地基处理法。复合地基是由基体和增强体组成的，是非均质和各向异性的。在荷载作用下，基体和增强体共同承担荷载的作用。由于桩身混凝土强度高，可打入密实的砂层和强风化岩层，由于挤压作用，桩端承载力可比原状土质提高70%～80% ，桩侧摩阻力提高20%～40% 。

在涵洞底加桩基，通过桩基把力传递到较好的持力层。利用桩土之间的刚度差异，使桩和桩间及桩和土之间产生沉降差，从而产生摩阻力，把桩间土上部的大部分路堤荷载转移到桩顶，并通过桩体传递到路堤下较好的持力层，减小了下层土体的沉降。另一方面,在水平方向也加筋，结合桩基形成双向的“增强体”。提高了涵洞底地基承载力。

4.3采用压力注浆法

所谓压力注浆就是利用一定的压力把化学浆液、水泥浆液注入低饱和度的地基当中。在注入化学浆液与水泥浆液钻孔附近的一定范围内都将形成固化的化学浆液与水泥浆液。此种圆柱状的固体抗压能力、承载能力、抗压缩能力是非常强大的。钻孔注入的地方与没有钻孔注入的地方会形成强烈的对比。所以可以利用此方法，在低饱和度的粉土地基、粘性土地基、杂填土地基、湿陷性黄土地基、素填土地基进行实施，只要在钻孔密集程度上、排列上掌握好，就可以在一定程度上提高地基土的物理性质。

5、高填方涵洞基础设计

高填方涵洞对地基承载力要求很高，分离式基础盖板涵一般适用于低填土，随着填土高及跨径的增大，地基容许承载力不断提高，即需要对涵洞基底进行换填或复合地基处理，因此高填土情况采用整体式基础更合理。由于箱涵或拱涵工程造价高，所以优先采用整体式基础盖板涵。

整体式基础盖板涵的基础与台身固结，形成倒门式框架，盖板与涵台采用锚拴连接，板端与涵台背墙间采用C20小石子混凝土填满捣实，使盖板与涵台、基础形成封闭的框架结构。这种结构整体受力，相似于箱涵，涵洞基础在采用整体式基础时可提高基底承载能力，减少基底内部应力。

6、结语

高填方涵洞特别是地形、地质较复杂的条件下，要准确求出高填方涵洞土压力分布状态，合理采用高填方涵洞的减载措施，采用适当方法提高地基承载力，设计好涵洞基础，才能有效地解决高填方涵洞的问题，确保高填方涵洞的安全性。

参考文献：

[1] 中华人民共和国行业标准. JTG B01-2014公路工程技术标准.北京：人民交通出版社，2014

[2] 中华人民共和国行业标准. JTG D60-2015公路桥涵设计通用规范.北京：人民交通出版社，2015

[3] 中华人民共和国行业推荐性标. JTG_T 3365-02-2020公路涵洞设计规范.北京：人民交通出版社，2020

[4]中华人民共和国行业推荐性标准 JTG/T D65-04-2007 公路涵洞设计细则.北京：人民交通出版社，2007