仁赤高速高填方涵洞设计与常见问题处治

郭天惠

(贵州交通职业技术学院，贵州贵阳 550000)

1 项目概况

仁赤高速第3合同段(RCTJ 18-25施工合同段)，全长61.732 km，共设置排水涵洞118道，通道兼排水涵85道，高填方涵洞28道。本合同段处于赤水河河谷地区，以谷坡、冲沟、支流沟谷组合为主。本合同段约31 km属沿河线，区内发育较多冲沟，属发源性季节性冲沟，洪枯期水位流量变化大，沿线水系丰富、高填方路段较多，为涵洞设计提供了难度。

2 高填方涵洞及其特点

2.1 高填方涵洞的划分

翻阅我国的公路桥涵设计规范，对高填方涵洞并没有明确定义。而根据我国路基设计规范，把填方总高度超过18 m的填方路基定为高路堤，结合本合同段填土性质和压实度变化对土压力的影响及部颁标准图，本文建议涵洞填土高度H≥16 m的涵洞为高填方涵洞，设计时要特殊设计，特别说明本合同段在半填半挖路基和高填方路基上，有一些涵洞由于受到地形限制，为控制涵长，降低工程造价，把设于原地面上涵洞置于回填土上，这种涵洞填土并不高，但由于其位于高填方上，地基比较软弱，容易产生沉降，称软基上的涵洞，在进行基础处理时，采用浆砌片石或碎石换填，特殊地段可采用桩基。

2.2 高填方涵洞特点

结合本合同段高填方涵洞的设计及施工，总结出其特点:

1)高填方涵洞承受的土压力较大。

2)高填方涵洞孔径偏大，基地换填多，造成工程量大、造价高。

3)高填方涵洞对地基沉降要求高。

4)出现问题后，加固维修难度大。

3 高填方涵洞的设计

3.1 高填方涵洞孔跨的确定

大部分高填方涵洞，均通过确定汇水面积来进行水文计算，最后决定涵洞排水孔跨。

水文计算时，计算流量采用经验公式:Q=CFnSpλ;以仁赤高速填土高18 m的K110+100涵洞为例，计算流量:

根据《贵州省公路小桥涵设计暴雨洪峰流量研究报告》查数据:

其中，C为地貌系数，其值为:4.2;Sp为50年一遇的雨力，mm/h，仁怀赤水地区雨力值为105 mm/h;λ为指数，查值为0.245;n 为指数，查值为 0.656;F 为汇水面积，F=1.38 km2。

设计流量:1-2.0 ×2.0 盖板涵，Q设=7.15 m/s，1-3.0 ×3.0 盖板涵，Q设=18.50 m/s;根据计算流量小于设计流量，16.23 m/s＜18.50 m/s;满足泄水排洪要求，故该涵洞孔径定为1-3.0 m×3.0 m。

3.2 以3 m净跨径18 m填土为例，计算涵洞盖板

1)设计资料。

汽车荷载等级:公路—Ⅰ级;环境类别:Ⅰ类环境;

净跨径:L0=3 m;单侧搁置长度:0.25 m;计算跨径:L=3.25 m;填土高:H=18 m;盖板板端厚d1=45 cm;盖板板中厚d2=50 cm;盖板宽b=0.99 m;保护层厚度c=3 cm;混凝土强度等级为C30;主拉钢筋等级为HRB335;主筋直径为25 mm，外径为27 mm，共18根，选用钢筋总面积 As=0.008 836 m2。

根据JTG D61-2005公路圬工桥涵设计规范中7.0.6关于涵洞结构的计算假定:盖板按两端简支的板计算，可不考虑涵台传来的水平力。

2)外力计算。

a.永久作用。

竖向土压力:q=γ2·H·b=320.76 kN/m。

盖板自重:g=γ1·(d1+d2)·b/2/100=11.76 kN/m。

b.由车辆荷载引起的垂直压力(可变作用)。

车轮重P=1 100 kN，车轮重压强p=1.24 kN/m2。

3)内力计算及荷载组合。

a.由永久作用引起的内力。

跨中弯矩:M1=(q+g)·L2/8=439.03 kN·m。

边墙内侧边缘处剪力:V1=(q+g)·L0/2=498.77 kN。

b.由车辆荷载引起的内力。

跨中弯矩:M2=p·L2·b/8=1.62 kN·m。

边墙内侧边缘处剪力:V2=p·L0·b/2=1.84 kN。

c.作用效应组合。

跨中弯矩:γ0Md=0.9(1.2M1+1.4M2)=476.19 kN·m。

边墙内侧边缘处剪力:γ0Vd=0.9(1.2V1+1.4V2)=540.99 kN。

4)持久状况承载能力极限状态计算。

a.混凝土受压区高度。

x=fsd·As/fcd·b=0.181 m≤ξb·h0=0.56 × 0.407=0.228 m(ξb为界限系数，取0.56)，混凝土受压区高度满足规范要求。

b.ρmin≤ρ≤ρmax(ρ为配筋率)。

ρ =100·As/b·h0=2.20≥ρmin=45ftd/fsd=0.22，根据规范，主筋配筋率满足要求。

c.γ0Md≤Mu(Mu为设计荷载)。fcd·b·x(h0－ x/2)=781.71 kN·m≥γ0Md=476.19 kN·m。

按照规范，正截面抗弯承载力满足要求。

d.斜截面抗剪承载力验算。

本涵洞盖板设置箍筋，抵抗斜截面产生的剪应力。

拟用箍筋为R235级钢筋，直径为12 mm，箍筋间距为10 cm，纵向受拉钢筋的配筋百分率P=100·As/b/h0=2.20，箍筋配筋率ρsv=Asv/sv×b=0.002 285，混凝土和箍筋共同承担的斜截面抗剪承载力 Vcs=α1·α2·α3·0.45 ×10－3·b·h0［(2+0.6·P)·(fcu，k)1/2·ρsv·fsv)］1/2=566.80 kN≥γ0Vd=540.99 kN。

根据规范，斜截面抗剪承载力满足要求。

5)裂缝宽度计算。

裂缝宽度 Wfk=C1·C2·C3·σss·(30+d)/Es/(0.28+10·ρ)=0.14 mm≤Wfkmax=0.20 mm。

根据规范，裂缝宽度不大于规定的最大裂缝宽度0.20 mm，设计满足要求。

3.3 基底处理

本合同段高填方涵洞对地基承载力均有要求，为达到要求的地基承载力，一般要作换填处理，换填高度根据实际情况定，30 m以上的高填，且地质情况不好，处于软土地基的位置，基地可作桩基处理，见图1～图3。

图1 基础换填大样

图2 软土地基基础换填大样

图3 30 m以上高填软土地基桩基示意图

4 高填方涵洞出现的问题及处治方法

4.1 山区高填方涵洞出现的问题

1)土压力大，涵洞盖板无标准，需单独设计。

2)涵洞上土柱和两侧土体的不均匀沉降，产生很大的附加压力，引起涵洞洞身的开裂、破坏。

3)地基不均为沉降，易造成盖板错缝。

4)基地换填多，用碎石垫层或浆砌片石垫层换填，不容易压密实。

4.2 处治方法

1)本合同段对高填方涵洞的土压力计算仍采用我国桥涵设计规范，用垂直土压力计算公式q=γ·H计算，填土越高，压力越大。由此算出的盖板厚和钢筋用量均满足规范要求，使用正常。

2)因填土高，涵洞孔跨大，台背回填土较多，产生很大的附加压力，挤压涵台，造成涵台台身错缝、渗水。

处治方法:

a.台身采用钢筋混凝土结构，通过计算确定台身钢筋用量;

b.台背回填，采用填石，填一层，压实一层，有条件的情况下尽量不用土，减小两侧土的压力;

c.加大台身尺寸。

3)地基不均匀沉降，盖板错缝严重。涵洞修好后，出现这种问题处理起来很难，但也必须处理，不能影响公路的正常通车。

处治的方法:

a.等地基不均匀沉降到一定时候，在涵底钻孔，灌浆，对基地加强处理;

b.两侧墙身打入钢筋，拉紧墙身，防止墙身继续沉降;

c.仔细检测，观测涵洞没有继续沉降后，错缝盖板处，朝两侧台身嵌入钢管，采用涵套涵的原则，让涵洞恢复整体。

4)基地换填，压实度不够，不均匀，涵底与台身错缝。当地基承载力不够，用碎石垫层换填基地时，因山区公路地势起伏大，机械压实不容易，人工压实质量又不好控制，在承受土压力和涵洞自身重量下，地基沉降不均匀，就发生了台身和涵底错缝。处治的方法:分层换填，分层碾压，一层控制在50 cm，尽量压实，控制压实度，减少地基不均匀沉降。

5 结语

贵州是一个多山的地区，地势起伏大，利用路堑开挖的废方填筑高路堤，对沿线水土保持，避免水土流失、节省工程造价，仍然是山区公路设计施工的一项重要技术经济原则，山区高填方涵洞作为一种特殊排水结构物，仍将广泛存在。本文就仁赤线中高填方涵洞的特点、出现的问题、处治的方法提出了笔者自己的看法，目的就是为了确保高填方涵洞的安全与稳定。由于笔者水平有限，其中不当之处望各位批评指正。

［1］JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

［2］杨锡武.山区公路高填方涵洞土压力计算方法与结构设计［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］杨锡武.山区公路高填方涵洞土压力计算理论研究综述［J］.重庆交通学院院报，2005(4):8.

［4］王瑞甫，陈华兴，刘宏力.高填方路基沉降计算方法研究［J］.中外公路，2007(6):17.