EPS板减荷措施在高填土拱涵上的应用

赵金明

（唐山市交通勘察设计院有限公司，河北 唐山063004）

0 引言

伴随着我国公路建设日新月异的发展，尤其是向特殊地理环境（重丘区、山岭区）的延伸，道路工程界对高填方路堤下涵洞的变形、沉降、受力等问题产生了极大的关注。涵洞的实际受力情况应该如何正确计算，以及采取何种有效措施减小涵洞洞身纵向上的不均匀沉降、抵消涵洞洞身与涵洞两侧填土之间的沉降差异、减小涵洞周边的土压力、调整土压力在涵洞横向及纵向上的分布，这些都具有十分重要的研究意义及现实意义。

本文以山西省某高速公路K1+637 处高填土拱涵为试验工点，将EPS板材作为减荷材料，分别铺设于涵洞顶部与侧面，以此研究涵洞在涵洞顶部全部铺设与不铺（即无减荷措施），以及在采用变厚度EPS板材的情况下：填土高度变化引起的涵洞顶部垂直土压力系数的变化规律、涵洞侧向水平土压力系数的变化规律、涵洞洞身与两侧填土间沉降差大小的变化规律。

1 现场试验[1]

1.1 试验现场的岩性与地形

现场试验位于山西省柳林县梁家会村，涵洞位于梁家会村北侧一坡沟内，黄土冲沟微地貌，Q3、Q2黄土，呈坚硬状，地下水没有出露。

涵洞基坑开挖后，首先进行强夯处理，然后分层填筑水泥稳定土，涵洞基础、台身分别采用钢筋混凝土，拱脚、拱圈采用水泥砂浆砌块石。

1.2 现场原位测试

现场原位测试的目的主要是：研究减荷措施下涵洞顶部垂直土压力大小及分布；研究、测试减荷措施下涵洞侧面侧向土压力分布状况；测试减荷材料的压缩变形对减小涵洞引起的路堤填土不均匀沉降的效果。

1.2.1 现场原位测试布置[2-4]

涵洞的结构断面、尺寸以及试验测试段的布设位置如图1所示。涵洞断面上土压力盒、沉降变形点、EPS板材铺设位置如图2所示。

图1 涵洞测试段布置图（单位：cm）

图2 涵洞测试点布置图（单位：cm）

1.2.2 减荷材料的压缩变形量观测、洞身两侧在涵洞同高位置填土的压缩变形量观测

如图2所示，涵洞顶部、侧面铺设的EPS板材在填土荷载作用下的压缩变形量大小，通过设置在涵洞洞身上的竖向、横向变形标，在洞内用游标卡尺量测。洞身两侧与涵洞同高度的填土压缩变形量（试验中没有减荷材料时，即为洞顶平面内外土柱间的沉降差+δ），在土压力计算中是个十分重要的综合性参数[2]，试验中是通过在洞内用游标卡尺读取沉降板指针变化的办法解决的，既不干扰施工，又准确简便。

1.2.3 涵洞各测试段洞身的沉降量观测

在涵洞测试段洞内拱顶中心设置的观测点，采用水准仪在路堤回填前测出其初始标高值，待路堤填筑到一定高度后，再次测量拱顶中心的标高值，从而计算出随填土高度变化的各测试段洞身沉降值。

2 测试结果分析[6]

试验总共埋设了156 个土压力传感器及36 个变形观测点，同时设置多个平行测点观测各测试断面的土压力、压缩量、位移值及沉降量，测试成果的取值均为多点的平均值。现将以上各种试验结果分析如下。

2.1 涵洞顶部垂直土压力系数与填土高度的关系（如图3所示）

图3 涵洞顶部垂直土压力系数与填土高度的关系

从图3可以看出，采取减荷措施的断面的垂直土压力系数都小于没有采取减荷措施的，当填土高度达到28～29m时，采取减荷措施的垂直土压力

系数约为后者的2/5。这一结果说明涵洞顶部铺设EPS板材减荷材料对减小涵洞顶部的实际垂直土压力具有十分明显的效果。从图3还可得出，采取减荷措施的Kv—H曲线，其位置高低排列正好与EPS板材厚度排列顺序相对应，对应的EPS板材厚度为35cm＞27.5cm＞20cm＞12.5cm，这说明涵洞顶部铺设EPS板材厚度越大，减荷效果越明显，但是二者之间没有比例关系。

2.2 涵洞侧向土压力系数与填土高度的关系（如图4所示）

图4 涵洞侧向土压力系数与填土高度的关系

从图4 可以得知，采取减荷措施的第8～15 段的侧向土压力系数，均明显小于未采取减荷措施的；当填土高度达到26m时，采取减荷措施的侧向土压力系数约为没有采取减荷措施者的1/3。这说明洞侧铺设EPS板材对减小涵洞侧向土压力也具有很明显的效果。从图4还可以得出，采取减荷措施的Kh—H曲线，其位置高低排列也正好与所铺设EPS板材厚度排列顺序相对应，对应的EPS板材厚度为12.5cm＞10cm＞7.5cm＞5cm，这说明洞侧铺设的EPS板材越厚，减荷效果越明显，但是二者之间没有比例关系。

2.3 涵洞基底压力系数与填土高度的关系（如图5所示）

图5 涵洞基底压力系数与填土高度的关系

从图5 可以得知，采取减荷措施的涵洞基底压力系数小于没有减荷措施的断面，并且EPS 板材的厚度越大，基底受到的压力越小，即基础所承担的荷载越小，这一结果与拱顶的数据规律是吻合的；采取减荷措施的断面基底的压力大致是没有减荷断面的4/5左右，没有涵洞顶部的减荷效果明显，这是因为涵洞横断面竖直投影宽度比较大，涵洞台身俯斜角也大，导致从涵洞顶部所卸掉的土压力有相当一部分转移到台身和基础襟边上，从而导致基底压力减小的比例比涵洞顶部要小。

2.4 洞侧填土沉降分析

通过试验测量，得到了涵洞顶部平面两侧填土的平均沉降量与填土高度的关系（图6 中的S—H曲线），涵洞顶部EPS 板材的压缩变形量与填土高度的关系（图7中的εh—H曲线），前者与后者相减，得到涵洞顶部平面内外土柱沉降差与填土高度的关系（图8中的δ—H曲线）。

图6 涵洞顶部平面两侧填土的平均沉降量与填土高度的关系

图7 涵洞顶部EPS板材压缩变形与填土高度的关系

图8 涵洞顶部平面内外沉降差与填土高度的关系

图8中，沉降差曲线为+δ出现在涵洞顶部没有铺EPS板材的涵段，故图3中相应没有铺设EPS板材涵段的垂直土压力系数均Kv＞1；沉降差为-δ出现在涵洞顶部铺设EPS 板材的涵段，故图3中铺设EPS 板材涵段的垂直土压力系数为Kv＜1；-δ曲线簇，按其|-δ|予以排序，结果依次为：35cm＞27.5cm＞20cm，故图3 中对应的曲线族的排序也大致相同。

以上分析既揭示了涵洞顶部EPS 板材以其自身较大的压缩变形调整了涵洞顶部垂直土压力大小的实质，又证明了垂直土压力与±δ这一综合性参数的对应关系，这一点对涵洞顶部垂直土压力的计算有至关重要的作用。

2.5 涵洞的沉降分析

涵洞纵断面有一定的坡度，每截涵洞的落差大致为42cm，故在相同土层标高情况下，对于各断面来说填土厚度并不相同，所以图9所示的涵洞各断面及对应的沉降曲线，并不是在同一填土高度时得到的数据。

图9 涵洞纵向沉降分布曲线

从图9可以得知：

（1）路堤梯形断面的填土荷载与涵洞纵向沉降曲线大致对应；

（2）以第15 测试断面为界，没有采取减荷措施的断面右边出现了最大沉降量；相反左边第8～15 断面，因全部采取了减荷措施，涵洞顶部垂直土压力系数得以显著减小，继而由基底压力引起的沉降也得到减小；假若涵洞台背竖直，涵洞顶部铺设EPS 板材减荷材料，涵洞基础襟边宽度再适当减小，可以预知，采取减荷措施的左边第8～15 断面的沉降量会进一步减小。

从以上两条总结得知：依据填土高度的变化，在涵洞顶部铺设变厚度的EPS板材，可以改善涵洞洞身结构的不均匀沉降问题。

3 结语

通过现场原位试验发现，EPS板材作为高填方刚性涵洞顶部铺设的减荷材料，所得到的减荷效果十分显著，同时还可减少涵洞本身的不均匀沉降以保证结构的安全性，减小路堤填土中引起的沉降差以确保路面的平整性。通过减荷措施的试验研究，希望为以后工程设计提供一定的参考，以便减小结构物尺寸，节约一定的工程造价。

[1] 赵金明. EPS 板减荷措施在高填土拱涵上的应用研究[D].西安：长安大学，2007.

[2] 顾安全.上埋式管道及洞室垂直土压力的研究[J].岩土工程学报，1981，（1）：13-15.

[3] 王晓谋，顾安全.上埋式管道垂直土压力减荷措施[J].岩土工程学报，1989，（3）：25-34.

[4] 顾安全，郭婷婷，王兴平.高填土涵洞（管）采用EPS板减荷的试验研究[J]. 岩土工程学报，2005，27（5）：500-504.

[5] 折学森.填埋式管道垂直土压力的计算[J]. 西北建筑工程学院学报，1993,（1）：28-34.

[6] 冯忠居，张新占.涵洞土压力与填土沉降差关系分析[J].内蒙古公路与运输，2002，（1）：21-23.