加筋垫层法处理涵洞吹填土地基

徐建明，肖本林，胡其志，肖衡林

(1. 湖北省汉十高速公路管理处， 湖北 武汉 430051；2. 湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068)

吹填土通常强度较低，压缩性较大。在吹填土地基上进行涵洞工程建设是岩土工程领域的一个技术难题[1]。涵洞的“埋深效应”限制了基底土体的侧向挤出，其作用相当于旁压荷载，有效地提高了地基土的整体稳定性[2, 3]。涵洞本身可看作路基的一部分，首先考虑的是路基沉降和整体稳定。特别对吹填土地基上的涵洞，按一般建筑物要求进行地基承载力验算就失去了实际意义[4, 5]。吹填土地基在发生整体滑移前及在剪切破坏过程中，都将产生压缩现象或由于土质松软而出现局部破坏或冲剪破坏，因此地基处理时要对涵洞沉降进行控制[6, 7]。目前，我国在地基处理设计和施工中重视地基强度而忽视沉降控制，是涵洞工程经常出现事故的原因之一。

马强等计算结果表明[8]，涵洞地基压缩模量越大，涵洞顶部受到的土压力越大，涵顶应力集中现象越严重，同时对涵洞构造物强度的要求就越高。高填路堤下涵洞设计时，由于设计人员未充分认识高填方路段涵洞构造物及其地基的特点，对地基的承载力提出了过高的要求，从而使地基基础方案过于保守，不仅增加了成本，而且对结构物受力带来不利影响。

涵洞地基处理重要的是要保证地基的均匀性，避免由于基础不均匀沉降而导致结构物的破坏。在涵洞高程设计中，适当考虑一定的沉降量是必要的，合理的沉降缝设置可避免不均匀沉降引起的结构物破坏。涵洞地基处理时只需满足合理的承载力要求，不必将承载力要求提得过高[6,7]，这样一方面可以简化处理、节约造价，另外一方面有利于改善构造物受力状况。

1 涵洞地基处理原则及流程

对涵洞地基承载力理论研究表明[7]，地基处理时宜适当考虑固结、压密等作用引起的地基承载力增长，对地基承载力修正计算后再确定合理的处理方案。

在吹填土上修筑路堤或构造物，应以控制沉降作为主要目标，处理的原则如下：(1) 对地基强度和变形要求较高的构造物采用深层处理；(2) 地基强度和变形要求较小的一般涵洞和低路堤采用浅层处理。

涵洞地基处理流程如图1所示。在涵洞地基处理时先考虑硬壳层的应力扩散作用，并对地基承载力的深宽修正，当承载力不足时，进行地基处理，然后再对处理后的地基承载力进行修正。

图1 涵洞地基处理流程

由于吹填土具有高压缩性和低承载力等特点，其处理措施主要是减少变形和提高强度。加筋垫层法多用于公路构造物的地基处理，当吹填土地基的承载力和变形满足不了设计要求，而吹填土顶部具有一定厚度硬壳层时，为利用硬壳层的强度，在其顶部分层填筑强度较高的砂(碎石、灰土、炉渣、粉煤灰)或其他性能稳定、无侵蚀性的材料，并压实至要求的密实度，并在其内部加铺土工格栅提高垫层抵抗变形破坏的能力，有效地提高荷载在垫层中的扩散作用，减小涵洞地基沉降与差异沉降。

2 数值模拟分析

对图2所示涵洞地基进行加筋垫层处理，数值模拟所需的土性参数通过原位取土和室内试验得到，主要计算参数见表1。

表1 数值模拟参数取值

图2 数值模拟几何模型示意

如图2所示，涵洞结构为钢筋混凝土盖板涵，涵洞洞身高度h=4 m，基础宽D=5 m，涵洞宽b=4 m，涵顶填土为含有黏粒的碎石土，最大填土高度H=8 m。为考虑地基处理效果，涵洞地基进行均一化处理，基底为经过固结排水后的淤泥质黏土，平均厚度约2.0 m；第二层为淤泥，平均厚度约1.0 m；第三层为黏土，未揭穿(数值模拟中该层厚度取20.0 m)。

采用PLAXIS软件建立有限元模型，网格划分采用15节点三角形高精度单元，在土与涵洞结构的界面设置接触单元来模拟两者之间的相对滑移。下卧层底部采用固定约束模拟基岩，模型两侧采用水平约束模拟无限长范围。涵体采用服从胡克定律的理想线弹性模型，土体采用服从摩尔库伦屈服准则的理想弹塑性模型。

2.1 加筋垫层的宽度

通过设置加筋垫层来进行数值模拟，加筋垫层的厚度为1 m，格栅铺设一层，铺设于垫层中间，研究不同垫层宽度时涵顶土压力与涵体位移，结果如图3和图4所示，图中加筋垫层的宽度为涵洞下垫层的总宽度。

图3 垫层宽度与涵顶压力关系

图4 垫层宽度与涵体位移关系

从图3可以看出，加筋垫层宽度为5 m，即仅处理基础正下方范围地基时，由于基础两侧地基沉降大于加固区沉降，涵洞台背两侧填土相对涵体有一个向下的位移，对涵体产生向下的拖拽力，使涵顶压力增大，此时涵顶压力比地基不处理时增大约24 kPa，当地基处理宽度大于10 m以后，随着加筋垫层宽度增大，涵顶垂直土压力急剧减小。

从图4可以看出，加筋垫层宽度为10～15 m时，涵体位移得到较好的控制，当加筋垫层宽度大于10 m以后，涵体位移趋于平稳。因此，加筋垫层的宽度宜为10 m，即超出基础边缘两侧各2.5 m。

2.2 加筋垫层厚度

通过设置加筋垫层来进行数值模拟，加筋垫层格栅铺设一层，铺设于垫层中间，研究不同垫层厚度时涵顶土压力与涵体位移，结果如图5和图6所示。

图5 垫层厚度与涵顶压力的关系

由图5可看出，涵顶压力随着加筋垫层厚度的增加呈非线性增大。垫层厚度从0增加到1 m，涵顶压力增大约3 kPa；从1 m增加到1.5 m，涵顶压力增大约19 kPa。

图6 垫层厚度与涵体位移的关系

由图6可看出，随加筋垫层厚度的增加，涵体竖向位移减小，垫层越厚，涵体竖向位移减小越多。垫层厚度从0增加到0.5 m，涵体竖向位移减小约3 cm；从1 m增加到1.5 m，涵体竖向位移减小约20 cm。

因此，加筋垫层厚度过厚时，虽然能够减小涵体竖向位移，但是会引起涵顶压力的增加，且增大处理费用。在涵洞基底进行加筋垫层处理时，垫层厚度的确定应在规范对涵洞沉降的控制要求的基础上，综合考虑垫层设置对涵顶垂直土压力的影响。

2.3 垫层强度参数

通过改变加筋垫层填料的强度参数、值来分析垫层材料参数对涵洞土压力与位移的影响，数值模拟中加筋垫层的厚度为1 m，格栅铺设一层于垫层中间。不同垫层参数时涵顶土压力与涵体位移结果如图7和图8所示。

图7 涵体位移与垫层强度参数的关系

图8 涵顶垂直土压力与垫层强度参数的关系

由图7可知，涵顶垂直土压力随垫层c、φ值的增大而有所增大。总体来看垫层c、φ值对涵顶土压的影响不超过15%。

由图8可知，涵洞竖向位移随垫层c、φ值的增大而减小，并最终趋于稳定。因此，为减小吹填土地基上方涵洞的沉降，应采用c、φ值较大的垫层填料。

2.4 格栅层数

通过数值模拟手段，对无筋换填垫层和不同加筋层数时加筋垫层法的处理效果进行研究。格栅设于1 m垫层中部，多层格栅时，格栅之间间距40 cm。不同加筋层数时涵顶土压力与涵体位移计算结果见表2。

表2 涵顶压力和涵体竖向位移

由表2可知，在涵洞基底采用换填垫层法处理以后，涵洞竖向位移得到有效的控制，但同时会引起涵顶土压力的增加。垫层中加入格栅以后，涵洞竖向位移进一步减小，涵顶土压力基本不变。随着加筋层数的增加，涵体位移逐渐减小，但是通过增加层数来减小涵体位移的效果逐渐减弱。

因此，在进行涵洞加筋地基设计时，加筋层数的设置要考虑加筋效果，过多加筋层数往往使格栅的加筋效率降低。

在1 m厚垫层中铺设3层格栅时，自上而下三层格栅轴力分布如图9所示。由图9可以看出，下层格栅的轴力大于上层格栅轴力。且格栅轴力沿格栅分布不均匀，在垫层中心约1/3范围内，格栅轴力很小，在基底左右两侧1/3范围内格栅轴力相对较大。因此，在加筋垫层设计时，可以考虑在垫层不同位置铺设不同强度的格栅，且在垫层左右两侧1/3范围加铺一层格栅或采用格栅反包形式，以提高格栅加筋效率。

图9 格栅轴向拉力

2.5 格栅刚度

通过数值模拟对加筋垫层法采用不同刚度的格栅进行加筋时的处理效果进行研究。加筋层数为三层，格栅等间距布置于1 m厚的砂垫层中，不同刚度格栅加筋时涵顶土压力与涵体位移计算结果见表3。

表3 涵顶压力与涵体竖向位移

由表3可知，在涵洞基底采用换填垫层法处理以后，涵洞竖向位移得到有效的控制，但同时会引起涵顶土压力的增加。垫层中加入格栅以后，涵洞竖向位移进一步减小，涵顶土压力基本不变。随着格栅刚度的增加，涵体位移逐渐减小，但是通过提高格栅刚度来减小涵体位移的效果逐渐减弱。

3 结 语

加筋垫层法能够有效地减小吹填土地基上涵洞的沉降，涵顶土压力随加筋垫层宽度的增大而减小，并逐渐趋于稳定，随垫层厚度及其强度参数的增加呈非线性增大，涵体沉降得以有效减小。加筋层数和格栅刚度的增加对减小涵体沉降有一定的作用，但同时会使涵顶土压力增大。在工程实践中可采用加筋垫层法对涵洞吹填土地基进行处理，设计时应对沉降与涵顶压力综合考虑，选取恰当的设计参数。

[1] 孙立强, 闫澍旺, 徐 余. 软土路基“波浪型”不均匀沉降及其机制分析[J]. 岩土力学, 2011, 32(s1): 1483-1489.

[2] 陈保国, 郑俊杰, 张世飙, 等. 高路堤下涵洞地基处理现场测试与数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(5): 1483-1489.

[3] Chen B G, Zheng J J, Han J. Experimental study and numerical simulation on concrete box culverts in trenches[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2010, 24(3): 221-232.

[4] Kim K,Yoo C H.Design loading on deeply buried box culverts[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2005, 131(1): 20-27.

[5] Bennett R M, Wood S M, Drumm E C, et al. Vertical loads on concrete box culverts under high embankments[J]. Journal of Bridge Engineering, 2005, 10(6): 643-649.

[6] 郑俊杰, 陈保国, 张世飙. 沟埋式涵洞非线性土压力试验研究与数值模拟[J]. 岩土工程学报, 2008, 30(12): 1771-1777.

[7] 郑俊杰, 马 强, 陈保国. 高填方涵洞地基承载力分析[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2009, 37(4): 115-118.

[8] 马 强, 郑俊杰, 张 军. 山区涵洞受力影响因素的数值模拟分析[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2009, 32(10): 1514-1517.