高填方涵洞设计关键技术分析

高填方涵洞设计关键技术分析

张晓

湖南省公路设计有限公司茂名分公司广东茂名525000

摘要：在当前的公路工程建设过程中，涵洞工程较为常见。而高填方涵洞不同于一般的结构物，由于涵土间共同作用，其受力机理较为复杂，从该类型涵洞特点出发，探讨了高填方涵洞设计及施工几个关键性技术问题，重点分析了高填方涵洞设计要点与关键施工技术，最后提出了新材料在高填方涵洞设计中的具体应用。

关键词：高填方涵洞；设计要点；关键技术\

前言

高填方涵洞尤其是位于软土地区的涵洞是涵洞设计难点，由于涵洞结构与填土之间复杂共同作用，涵洞土压力与涵洞结构构型以及地基方案相互影响，同时也影响涵洞结构本身的受力。如不能重视土压力计算或采用合理的地基方案，往往造成涵洞截面及配筋过大，施工困难，或引发各种涵洞病害。因此，如何合理设计进行涵洞设计，成为公路工程设计人员需重点关注的课题。

1高填方涵洞特征概述

高填方涵洞填土较高，洞顶承受较大的压力荷载，国内外对高填涵洞的研究已有较为丰富的成果。高填方刚性涵洞在高速公路建设中的应用非常广泛，尤其是在西北，西南地区，高填方刚性涵洞尤为普遍。主要有以下特点：地形条件变化大，涵洞顶填土高度大；结构承受荷载大，受力复杂，在我国西部地区的高填方涵洞的填土高度一般会达到20m～30m，同时涵洞本身结构形式不同，使得涵洞结构受力更为复杂。对地基承载力和沉降控制要求高，由于涵洞结构与土体之间的刚度差异，尤其是上埋式涵洞，涵洞顶会产生较大的土压力集中。高填方涵洞常见病害主要表现在：地基承载力不够；地基处理不当；地基沉降和不均匀沉降；洞顶土压力计算偏小；其他施工质量缺陷。

2高填方涵洞的具体设计

2.1采取科学的计算分析方法

目前，涵洞竖向土压力的计算有三种计算方法：1）“等沉面”理论；2）“卸载拱”理论；3）“土柱”法。其中“等沉面”理论应用比较广泛，计算结果得到的土压力最大，比较适用于新填土上埋式涵洞。“卸载拱”理论，只适用于沟埋式涵洞或者顶管法施工的涵洞，所计算的竖向土压最小。“土柱”法计算比较简单，计算结果则介于上述两者之间。

在计算竖向土压力时，典型计算方法步骤为：（1）等沉面法假定管顶土柱两侧存在垂直滑动面，但在涵洞两侧填土足够密实的情况下，尤其是位于稳定地基时，在经济上存在一定的不合理因素；（2）土柱法忽视了涵洞土压力应力集中现象，遇到填方较高的情况，计算出应力相对于“等沉面”法而言偏小；（3）卸荷拱法有可能过低估计了涵洞上方的土压力，使涵洞的结构不安全，当填土较高，跨径较大时尤其如此；（4）以弹性理论解为基础的计算方法理论依据明确，但计算参数不易测准和取得，使这种方法在高填方涵洞的土压力计算和结构设计中的应用受到限制；（5）非线性土压力计算方法的优点是土工计算参数简单，但仍需要作大量的室内和现场试验，有待进一步完善。

在一般情况下，采用铁路规范及公路涵洞设计细则规定的方法，计算竖向土压力作为结构设计的依据，在采取了有效减载措施及施工方法后，依据情况竖向土压力系数可取K=l或者K≤l。

2.2合理控制设计变量与价值函数

通常若干个数量描述一个结构设计方案，按照实际情况，描述结构的数量有可能是构件的面积、截面尺寸或者惯性矩等几何参数，也有可能是结构整体相关参数或者结构材料相关参数等。通常优化设计变量个数越少，则结构优化过程就越简单，反之则比较复杂。不过由另一方面来看，变量个数越多、自由度越大，所得到的优化结果就越好。因此，设计者在选择优化参数时要尽可能选择对其结果影响较大的数量作设计变量，设计变量的数目选择也要科学、合理。

价值函数又被称为目标函数，是指评价一个设计方案优劣性的标准。性能指标主要包括结构的重量、承载能力、工程造价以及变形误差最小和自振周期最大。

2.3把握约束条件

在进行结构的优化设计时，约束条件是必须满足的条件，其所反映的是设计相关的技术规范、计算规程以及施工安装、运输和构造等各方面的具体要求，有时工程设计者的设计意图也通过约束条件来反映。约束条件包括应力约束、动力特性约束、稳定约束以及位移约束和以可靠性为前提的结构优化。

3高填方涵洞设计中的关键技术

3.1地基处理技术

（1）CFG桩复合地基。根据荷载条件和涵洞结构确定桩型，涵洞与桩顶之间设置0.3m碎石褥垫层，桩间距一般为桩径的3～5倍。

（2）旋喷桩复合地基。若涵洞地基为碎石土、黄土、砂土、粉土、素填土、淤泥质土、淤泥等软弱土层时，可采用水泥旋喷桩进行加固，一般采用单层注浆，局部需要提高强度，扩大加固范围是，可采取复喷措施。淤泥厚时可考虑优先采用。

（3）强夯。若涵洞地基为素填土、杂填土、湿陷性黄土、黏性土、低饱和度粉土、砂土、碎石土等土层时，可采用强夯法进行处理。若涵洞地基为软塑～流塑状黏性土、高饱和粉土，可采取强夯置换进行处理。利用碎石粗颗粒材料，用夯锤连续夯击在土中形成碎石桩，大于0.3m的碎石含量应小于30%，单次夯击能宜不超过4000kN·m，最末2次的平均夯沉量应低于5cm。

（4）换填。若涵洞地基为厚度不大的软弱土层时，可用多层或单层土工织物或土工格栅、级配良好的圆砾、碎石等颗粒材料将基础及两侧一定宽度范围内软弱土层全部挖走换填。该方法一般要求软土层厚度不超过3m。

3.2减载技术

一是在涵洞顶一定厚度范围采用高压缩性填充物，如EPS板、海绵等，使得柔性材料与周围填土形成沉降差异，从而达到卸载减荷的目的；另外一种就是在涵洞上方一定高度和宽度范围填筑回填度较低的软土，形成中间松散两侧密实的状态，同时在软土上方分层加筋（钢筋或者土工布），并在两段密实区域充分锚固，通过加载后中间的软土与周围之间形成沉降差，使得上部土压力作用经由加强筋传至两侧，从而达到减小涵洞顶土压力的减载目的；二是在地基承载力能满足要求的前提下，加强涵洞两侧地基，相对削弱涵洞地基，使得涵洞顶部填土荷载卸载至两侧土柱，进而达到减载的目标；三是在涵洞侧壁外包裹或粘贴柔性材料，减小土体传递给暗涵结构的下沉拉力。对涵顶以上的填土，每一层填土压实后，再在涵洞两侧沿纵向切割缝隙，并用EPS挤塑板或虚土回灌缝隙，如此在涵洞顶两侧基本形成土体剪切隔离面，从而减小因沉降差由外侧土传递至涵顶的竖向压力。

4新型材料在高填方涵洞设计中的应用

4.1波纹钢管涵

采用柔性、高强度的钢波纹管涵洞，不仅具有适应地基与基础变形的能力，而且由于轴向波纹的存在具有优良的受力特征。尤其在不良地质条件及高填方路堤的地段，利用钢波纹管结构修筑涵洞更具有优势。目前，国内已有厂家生产针对不同填土高度及管径的产品。

4.2气泡混合轻质土的应用

气泡混合轻质土是一种人工制作的土工材料。其主要特点是容重比一般的土体小，而强度和变形特性可达到甚至超过良好的土体。高填方涵洞的主要特点即为过高的路基填土高度带来的土压力，以及较高的地基承载力需求。由于气泡混合轻质土密度远小于普通填土的容重，可大大减轻自重引起的附加应力；气泡混合轻质土自身压缩沉降可忽略不计，彻底消除了填料自身的工后沉降问题。因此气泡混合轻质土是高填方涵洞理想的减荷材料。

5结语

高填方涵洞的设计需要依据工程实际情况，在设计时，要把握设计要点，包括精准计算、控制变量、调控参数以及遵循约束条件等。而在具体设计过程中，则要关注关键技术，并重视对未来高填方涵洞的设计与施工趋势进行预测，积极应用新材料，实现创新设计。

参考文献：

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