超高填方涵洞地基处理方法研究

2013-01-11董佳竹郑俊杰汪海博

土木工程与管理学报 2013年2期

董佳竹，郑俊杰，汪海博

(华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉 430074)

由于超高填方涵洞上覆很厚的路堤填土，其地基承受的压力较大，而很多超高填方涵洞均建筑在承载力较低的软弱地基上，容易引起涵洞沉降过大及不均匀沉降等问题。因此山区高等级公路中许多高填方涵洞均已开裂甚至垮塌，严重影响公路的正常使用。目前涵洞建设面临着如何对超高填方涵洞地基进行经济有效地处理的难题。

为了解决上述超高填方涵洞修筑过程中的关键技术问题，本文以惠兴高速公路K39+480处超高填方涵洞项目为依托，运用数值模拟分析了井字形地连墙法对地基沉降及涵洞土压力影响规律，为理论研究及涵洞施工提供参考。

1 工程概况

惠兴高速公路桩号为K39+480的超高填方拱涵涵长133.3 m，路基中心线填土高度为28.72 m，最大填土高28.94 m。该涵洞地基土为软弱地基土，承载力较低，且厚度变化较大。设计地基允许承载力不小于700 kPa，而开挖标高至1125.378 m时，承载力最大为116 kPa，最小承载力为92 kPa，平均承载力为104 kPa。

拟用井字形地连墙法对超高填方涵洞进行地基处理。该方法既能提高地基承载力又避免了因为基础刚度过大造成涵顶土压力过分集中，施工方便，造价低。具体处理方式如图1所示。换填槽宽度为1.0 m，换填槽轴线间距为5.0 m，沿涵洞纵向地基处理范围取两端各超出基础边缘2.5 m，沿涵洞横断面方向处理范围为换填槽轴线向外各5.0 m。

图1 井字形地连墙法地基处理示意

增强体的设置方法为先采用挖掘机成槽，成槽深度至揭穿粉质黏土层，成槽后采用水泥、碎石与土的拌合材料进行回填压实，拌合料的无侧限抗压强度不小于3 MPa。涵洞基底采用加有2层三向土工格栅的碎石垫层处理。地基土开挖至涵洞基底标高以下80 cm，铺设下层格栅，然后填筑50 cm厚碎石并压实，再铺设上层格栅。最后在其上填筑30 cm碎石并压实至基底标高。

2 涵洞计算模型及参数

2.1 计算几何模型

该试验段涵洞洞口净尺寸2 m×2 m，拱圈半径为1 m，厚度0.7 m。根据地质勘测资料，中心线混凝土基础底标高为1129.161 m，基岩标高为1114.623 m，因此取模型地基土计算深度为15 m，其中上卧层为12 m，上部黏土层为3 m。填土高度根据该标段可达最高填土厚度近似取30 m，由于填土高度较高，忽略车辆荷载的作用，涵洞只承受上部填土荷载。换填槽深度取3 m。

由于该涵洞上覆填土高度大，土压力大，现场同时对拱圈与涵台作加筋减载处理。为与现场数据对比计算模型中也采用相同处理方法。在涵洞上方设置减载孔，减载孔高度取3 m，宽度与涵洞宽度相等，上方铺设8层土工格栅，最底层格栅位于减载孔顶面，其余每隔0.5 m铺设一层。

根据拱涵的实际尺寸建立了三维有限差分模型。井字形地连墙换填槽宽度为1.0 m，换填槽轴线间距为5.0 m，换填槽深度为3.0。在数值模拟时，首先模拟地应力平衡过程，然后模拟了涵洞的修筑和路堤的分层填筑过程，并对涵洞沉降和涵顶土压力进行监测。模型中近似认为结构断面对称，为节省计算时间，选取一半模型进行计算，边界取约10倍结构尺寸，具体模型如图2所示。

图2 K39+480涵洞数值模拟

2.2 模型计算参数

地基土及填土采用Mohr-Coulomb模型，涵身混凝土材料采用线弹性模型，涵洞及地基土、填土等具体参数见表1。同时考虑涵洞与周围土体就间的相互作用，在不同材料接触部位设置接触面单元，涵洞与填土之间以及地连墙与填土之间均采用弹塑性接触面，并假设接触面法向刚度与切向刚度相等，接触面参数见表2。格栅选用格栅单元进行模拟，筋-土间的相互作用通过设置格栅单元的耦合弹簧参数实现。

表1 数值模拟计算参数

表2 接触面参数选取 Pa/m

3 计算结果分析

3.1 涵洞沉降分析

图3表示通过数值计算和现场测试得到的涵洞沉降量随填土高度的变化规律。由于现场试验沉降数据从涵洞上方填土高度达15.8 m时开始测试，因此对比数值计算时做相应调整。现场测试结果和数值计算较为接近。

图3 涵洞基底沉降随填土高度变化曲线

地基处理前后沿横断面方向基底平面沉降规律如图4所示。从图中可以看出，对涵洞未作任何处理时，地基土沿横断面方向认为是均质的，由于涵洞刚度大于两侧填土，内外土柱间的相对位移使涵洞上方存在土压力集中现象，因此涵洞基础沉降量大于涵洞两侧同一平面处地基土沉降量，且在基础边缘处沉降发生突变。加筋减载措施的采用使涵洞沿横断面方向沉降量基本一致。采用井字形地连墙法进行地基处理后，涵洞基础的沉降明显减小，而涵洞两侧同一平面处地基土的沉降量沿X方向逐渐增加，在远离涵洞处与未处理前接近，涵洞宽度范围以外的沉降变化较为平缓。当地基处理和加筋减载联合应用时涵洞沉降达到最小，仅为未做任何处理时的70%左右。

图4 涵洞基底平面沉降曲线

图5表示地基处理前后各土层的压缩量比较。从图中可知，采用井字形地连墙法可减小约30%的涵洞基底的沉降。同时，井字形地连墙法地基处理效果主要表现在软弱土层，由于涵洞地基刚度变化引起涵顶土压力的增加，下卧层土体的压缩量较处理前略有增加。

图5 地基土压缩量比较

3.2 土压力分布规律

为了分析地基处理措施对土压力的影响，分别模拟采用井字形地连墙法前后涵洞上方土压力的变化规律，如图6所示。从图中可以看出，采用井字形地连墙法进行地基处理，增加了涵洞下方地基土的刚度(使得涵顶土压力大于未进行地基处理时)。而采取加筋减载措施的应用，使得涵顶土压力均小于按土柱法计算的线性理论值。数值计算与现场测试结果接近，涵顶土压力实测数据与土柱法计算结果的比值均在85%～95%之间。因此井字形地连墙法会在一定程度上增大涵顶土压力，但对涵洞整体工作性能影响较小。

图6 涵洞上方土压力曲线

4 影响因素分析

4.1 换填槽深度

模拟井字形地连墙法换填槽深度的不同对地基沉降及涵顶土压力的影响，具体结果如图7和图8所示。换填槽深度对涵洞基底沉降有很大的影响，基底沉降随槽深的增加而显著减小，但当换填槽深度超过3 m后，槽深的进一步增加对减小基底沉降贡献不大。涵顶土压力变化曲线与沉降曲线具有良好的相关性，随着换填槽深度的增加涵顶土压力有所提高。不过相比槽深对基底沉降的显著影响，不同换填槽深度时涵顶土压力的变化范围仅为8%左右。因此，建议在软弱土层较薄的情况下，换填槽可挖至软弱土层底面。

图7 涵洞基底沉降随槽深变化曲线

图8 涵顶土压力随槽深变化曲线

4.2 换填槽宽度

保持换填槽深度等于软弱土层厚度，改变换填槽的宽度，研究槽宽对涵洞沉降和土压力的影响。从图9和图10可以看出，槽宽对基底沉降影响很大。基底沉降随槽宽的增加而减小，不过沉降减小的速率逐渐下降。槽宽增加的同时，涵顶土压力也有所提高，土压力变化曲线与沉降曲线接近，当槽宽大于1.0 m后，土压力值变化较小。因此，采用井字形地连墙法进行地基处理时可适当提高换填槽的宽度，但过分增加换填宽度对地基处理的效果不大，同时会增加施工成本。

图9 涵洞基底沉降随槽宽变化曲线

图10 涵顶土压力随槽宽变化曲线

4.3 换填槽轴线间距

涵洞纵向换填槽轴线间距对基底沉降和涵顶土压力的影响如图11和图12所示。从图中可知，随着沿涵洞纵向换填槽轴线间距的增加，地基土的置换率下降，基底沉降逐渐增加。当轴线间距为2 m时，基底沉降仅为未进行地基处理时基底沉降的63.4%，而当轴线间距为6 m时，基底沉降较间距为2 m时增加了17.9%；与此同时轴线间距从2 m增加到6 m，涵顶土压力仅减小了2.8%。可见，换填槽轴线间距过大时，起不到复合地基的作用，因此，为到达良好的地基处理效果，沿涵洞纵向的换填槽轴线间距不宜过大。

图11 涵洞基底沉降随轴线间距变化曲线

图12 涵顶土压力随轴线间距变化曲线

4.4 地基处理范围的影响

地基处理范围是指横断面方向的换填槽范围，具体定义为从涵洞横断面中点到换填槽边缘处，处理范围是左右对称的。从图13至图16可以看出，与其他影响因素不同的是，增大井字形地连墙法地基处理的范围，可以同时减小涵洞基底沉降和涵顶土压力。同时，较大的地基处理范围能使涵洞与周围填土之间沉降与土压力沿横断面方向的变化趋于平缓。因此，建议采用井字形地连墙法进行地基处理时，涵洞沿横断面方向的处理宽度不小于基础底板宽度的两倍。

图13 涵洞基底沉降随地基处理范围变化曲线

图14 涵顶土压力随地基处理范围变化曲线

图15 不同地基处理范围下基底平面沉降曲线

图16 不同地基处理范围下涵洞上方土压力曲线

4.5 换填材料性质

图17和图18分别表示井字形换填槽内换填材料的弹性模量E不同时涵洞基底沉降和涵顶土压力的变化规律。填料性质对涵洞基底沉降有较大影响，提高换填材料的E值，可有效减小涵洞基底沉降。当换填槽内材料弹性模量到达100 MPa时，涵洞基底的沉降仅为未经地基处理时基底沉降的71.2%，与此同时，涵顶土压力较未经地基处理时提高了8%左右。