高填方涵洞结构设计初探

2010-03-10吴桂兰迟守旭

海河水利 2010年6期

吴桂兰，迟守旭

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 引言

山区修建渠道时，常常在跨越洪沟处修建涵洞排泄洪水，其中高填方涵洞占有相当大的比例。传统的设计思路露出很多不足，并可能出现下列问题：①垂直土压力过大，引起轴向开裂；②断面设计不合理，经验配筋过多；③涵洞采用大体积混凝土浇筑易开裂；④垂直土压力计算过大，导致对地基承载力的要求高；⑤容易发生地基不均匀沉降。在实际工作基础上，针对高埋深涵洞设计中经常出现的一些问题，提出了初步的解决思路，并给出了相应的工程处理措施。

2 涵洞的受力分析

涵洞结构设计的控制荷载是垂直土压力。作用于涵洞上的垂直土压力大小不仅取决于填土高度，还与涵洞的埋置方式有关。涵洞埋置方式主要有上埋式和沟埋式2种，见图1-2。上埋式涵洞两侧填土的可压缩性较刚性管本身的可压缩性大得多，而且涵洞两侧的填土厚度也大于管顶填土厚度，其压缩变形大于涵洞顶部土体的压缩变形，两侧填土对洞顶填土产生下拉的剪切应力。故涵洞承受的压力大于其上覆土的自重，巨大的压力容易使涵洞混凝土开裂、破坏。沟埋式覆土压缩变形受两侧土体向上的剪切力作用，故涵洞承受的压力小于其上覆土的自重。综上所述，沟埋式比上埋式理想。

图1 上埋式

图2 沟埋式

垂直土压力计算方法，主要有公式法和有限元法2种。采用公式法计算时，虽然影响涵洞土压力的因素很多，但各种因素变化最终都将引起涵顶平面内土柱与平面外土柱间的沉降差（δ），各种土压力的计算推导均可归结为对土柱沉降的分析和研究。若以土压力集中系数表示，不同计算公式最终可简化为：

式中：σ为土体实力；Kz为土应力集中系数；γ为填土容重；H为填土高度。

当涵顶面内土柱沉降大于面外土柱沉降（σ＜0）时，将产生土拱作用，涵洞实际承受的垂直土压力将小于土柱重量，此时Kz＜1；反之（σ＞0）时，则产生应力集中，Kz＞1；当面内外土柱沉降相等（σ=0）时，则Kz=1。为此，在涵洞设计时，首先应根据场地地形条件、地基的地质条件、地基处理方法、结构本身特性及填土土质和施工工艺等因素，定性确定涵洞平面内与平面外土柱间的沉降差的正负，从而判断Kz＞1、＜1或=1。

3 高埋深涵洞设计的特殊性

高埋深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，在设计高埋深涵洞时，如何有效地减小涵洞上的垂直土压力，提高地基承载力，避免不均匀沉降是首要解决的问题。

4 高埋深涵洞设计采取措施

4.1 降低填土高度

从涵洞顶作用的垂直土压力计算公式（1）可以看出，要减小垂直土压力（σ），可以通过减小埋设深度（H）来实现。通常在布设涵洞时，都考虑布置在沟冲刷最深的地方。实际上，把涵洞布置在沟坡上，将大大地缩短涵洞的长度，降低工程造价。虽然这样布置进、出口需要进行相应的处理，进口应将原沟底填起至洞口设计标高，出口应砌槽将水引至原沟。因此，需增加征地。但山沟中多为杂木，填起后亦可恢复植被，对周围环境影响较小。

4.2 用“拟沟法”减小涵顶荷载

根据涵洞垂直荷载分析，沟埋式比较合理。但是，很多高埋深隧洞都只能采取上埋式，可以通过工程措施使上埋式涵洞产生沟埋式的荷载效果。

在涵顶埋高压缩性材料，其变形减小涵洞两侧土体对涵顶覆土的相对变形，从而减小垂直土压力，这就是拟沟法使上埋式涵洞产生沟埋式涵洞的效果。

4.3 减轻土体自重

在涵顶换填比较轻的材料，减小涵顶填土容重。

4.4 利用涵洞基础两侧地基共同分担压力

涵洞上方一定高度和宽度范围内用比周围填土压实度低的土填筑，形成一个内松外实的软弱土区域，然后在此区域内设置钢筋，钢筋上铺设土工布等。钢筋两端锚固在周围高压实度的密实土体内，通过软弱土区域内较软弱土体与其周围密实土体的沉降差，使区域上方钢筋在涵顶填土压力作用下产生下挠，通过钢筋的锚固作用与被动受力，把涵顶垂直土压力荷载传递到涵台外侧的密实土体上，达到减小涵顶土压力的减载目的。

4.5 使用整体式基础暗盖板涵

高填方涵洞对地基承载力要求很高，涵洞自身应力也比较大，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。

整体式基础涵洞的结构型式：整体式基础与台墙固结，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高标号砂浆填塞、顶紧，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，非常相似于箱涵，但又与之有所区别，其差别在于整体式基础盖板涵的基础采用完全刚性基础，涵台刚度也较大，涵洞整体结构实际接近一个矩形钢架，涵身与基础沿涵轴方向每2～3 m设置一道沉降缝，其2～3 m的涵身及基础自成体系，近似为刚性管节，当地基承载力较低（150～250 kPa）时，涵节之间可发生相对沉降，但每个涵节由于是刚性结构，故涵节发生沉降变形后不会产生横涵向裂缝破坏。