汕昆高速公路软土地基高填方涵洞基础设计
2016-05-17赵鸿瑞
龙 培，赵鸿瑞，周 帅
(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067； 2.重庆高速公路集团有限公司东南营运分公司， 重庆 401121；
3.同济大学地下建筑与工程系， 上海 200092)
汕昆高速公路软土地基高填方涵洞基础设计
龙培1，赵鸿瑞2，周帅3
(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆400067； 2.重庆高速公路集团有限公司东南营运分公司， 重庆401121；
3.同济大学地下建筑与工程系， 上海200092)
摘要：软土地基上设置高填方刚性涵洞时，面临结构物荷载过大而天然地基强度不够的问题。总结软土地基对结构物的影响以及涵洞基础常见设计方法，并以汕昆高速公路龙川至怀集段涵洞设计为依托，阐述位于软弱地基的涵洞设计原则，对软土地基及涵洞基础进行分析和计算，并指出涵洞基础设计应充分考虑基础形式及基础埋深。
关键词：高填方；软土；涵洞；基础形式；基础埋深
1工程概况
汕昆高速公路龙川至怀集段(简称龙怀段)是国家高速公路网规划“7918”布局方案中第17横—汕头至昆明高速公路的重要路段，也是广东省“九纵五横两环”高速公路网规划主骨架中“一横”的重要组成部分。龙怀段路线起于广东省河源市龙川县城，与梅(州)河(源)高速公路相接，经河源市东源县、连平县，韶关市翁源县，清远市英德市、清新区、阳山县，止于肇庆市的怀集县，全长约366.394 km。龙怀段高速公路路基宽度26 m，设计速度100 km/h。沿线工程地质条件较差，主要不良地质现象有不稳定斜坡、危岩、岩溶、断层破碎带和软土地基等。龙怀段有不少涵洞位于软土地基上，为涵洞设计增加了难度。
2软土地基对高填方涵洞的影响
山区公路建设中特别是高等级公路建设中经常涉及高填方涵洞，由于线型要求高，深挖高填就不可避免[1]。而软土地基由于自身强度低、压缩性高、均匀性差等工程特性，使高填方涵洞的设计难度加大。本文结合龙怀段涵洞的设计，将软土地基对高填方涵洞的影响进行如下总结。
1) 软土引起涵洞的沉降过大，造成结构开裂或倾斜。
2) 软土造成涵洞基础失稳危及线外建筑物。
按构造形式，涵洞分为管涵、盖板涵、拱涵、箱涵等[2]。汕昆高速公路龙怀段，高填方涵洞主要采用盖板涵结构形式。盖板涵结构简单，相对于管涵，盖板涵经久耐用不易损坏；相对于拱涵、箱涵，盖板涵经济实用，施工简便，且采用预制装配施工可缩短工期。
3常见涵洞基础设计方法
涵洞基底荷载主要来自于涵洞本身的自重、涵上填土产生的土压力及汽车活载产生的压力。这些荷载都由它下方的地基来承受。由于受公路平纵指标限制以及线位处地质条件的影响，尤其是高填方涵洞，不可避免会出现涵洞地基承载能力不足的现象。为此，可通过2种方法解决[3]：一是进行地基处理，提高地基承载能力以满足涵洞的要求；二是选择新的基础形式以降低所需要的地基承载能力。有时，也可以2种方法同时使用。
4工程实例
图1 K179+280钢筋混凝土盖板涵立面示意
下面对分离式基础和整体式基础进行比较。
4.1按分离式基础设计
分离式基础即两侧的台身分别置于2个单独的基础上，如图2所示。分离式基础的优点是：1) 节省材料；2) 基底沉降独立进行，两边没有连带关系。
图2 分离式基础涵洞断面示意
图2中，涵洞各部位尺寸拟定如下：基础襟边C1=0.70 m，台身宽C2=0.90 m，基础宽C3=2.30 m，背墙宽C4=0.60 m，搭接宽度C5=0.30 m，基础高度为1.00 m，铺底厚为0.40 m，涵洞净高H0=3.00 m，计算高度H1=3.55 m，基础顶深H2=14.10 m。
1) 换土法。即将软弱土层部分或全部挖去，再换填分层夯实强度较高、稳定性较好的材料。
2) 挤密法。即用砂桩、夯实、石灰桩、振动碎石桩等使地基容重增加，孔隙比减少，从而提高地基承载能力。
3) 胶结法。采用化学胶凝剂来增强土颗粒间的联结，以改善地基土的物理力学性质。
下面对上述涵洞地基处理方法进行比选。
1) 换填法。
换填厚度的计算实质上是软弱下卧层顶面强度的验算。目前我国常用的是按应力扩散角进行计算的方法，即认为换填层以“θ”角向下扩散基底应力，到换填层底面(下卧层顶面)处的压应力与换填层材料的自重应力之和σH应小于或等于该处下卧层顶面的地基承载能力[σ]H，即
σH≤[σ]H
(1)
换填层底面下的应力由3部分组成：下卧层顶面的附加应力、基坑回填土的应力和换填层的应力，即
σH=σh+γshs+γh
(2)
式中：σh为下卧层顶面的附加应力，kPa；γs为填土重度，根据规范[4]取19 kN/m3；γ为换填材料重度，本例采用砂砾石，根据规范[4]取19 kN/m3；hs为填土顶面到基础底面高度，本例为15.1 m；h为换填深度，m。
σh可根据国内常用的计算公式求得，即
(3)
式中：l为基础长度，m；b为基础宽度，m；hs为砂垫层厚度，m；σ为基底处附加应力(基底压力减填土压力)，kPa；θ为砂垫层压应力扩散角，本例取35°。
不同换填深度下卧层顶面的应力计算如表1所示。
表1 下卧层顶面应力计算
由于本涵洞位处的软弱土层较厚，平均厚度约为5 m。在这5 m范围内，地基承载能力[σ]H小于下卧层顶面应力σH，均不满足规范要求。且由于本涵洞换填层过厚(一般不宜大于3 m)需挖深坑，费工耗料，经济、技术上往往不合理，故不采用此法。
2) 振密挤密法。
振密挤密法虽然适用于软弱土层厚度大于3 m的地基，可有效避免大量挖方，但其不足之处在于涵洞地基为软粘土，土的渗透性小，若采用此法加固则不易将土挤密实，且还会破坏土的结构，加固效果不佳。
3) 胶结法。
胶结法的缺陷是对施工机具设备和施工单位的素质要求较高，此法会大幅度增加工期和成本。
综上所述，本文得出如下结论：软弱地基上的高填方涵洞，若采用分离式基础，将面临地基处理难度大、经济性不好的问题。
4.2按整体式基础设计
整体式基础即两侧台身下面的基础是一个整体，如图3所示。整体式基础的优点是增加了涵洞的整体刚度，沉降量小且均匀。
图3 整体式基础涵洞断面示意
图3中，涵洞各部位尺寸拟定如下：基础襟边C1=0.20 m，台身宽C2=0.60 m，基础宽C3=2.80 m，背墙宽C4=0.30 m，搭接宽度C5=0.30 m，基础高度为1.00 m，铺底厚为0.00 m，涵洞净高H0=3.00 m，计算高度H1=3.35 m，基础顶深H2=13.82 m。
4.3基础埋深对地基容许承载能力的修正
根据规范要求[6]，当基础处于粘性土、粉土、砂土和碎石土的地基，且基础两侧埋置深度超过3 m时，可进行地基承载容许值能力的修正。修正后的地基承载能力为：
(4)
基底埋置深度h1一般由天然地面或一般冲刷线算起，但对于基础两侧有填土的情况则应具体分析。因为基础两侧的填土荷载能对土体可能出现的隆起破坏起限制作用，从而提高地基承载能力。故本例基底埋置深度h1为H2+基础高=14.82 m，即
(5)
但依据国内外试验资料，当h/b≤4时，地基承载能力与深度成正比；当4
h/b=14.82/5.6=2.65<4
(6)
4.4高填方涵洞减载
除整体式基础和独立基础外，还可通过其他方法对高填方涵洞减荷以达到所需设计要求。例如，将一定厚度的EPS 板铺设在盖板涵顶部进行减荷[8]，或在涵顶上方填筑海绵软质材料[9]，或通过加筋桥[10]等减载方法处理高填方涵洞的高荷载问题。但这些方法也有缺陷：一是不能对减载的大小定量计算，不能定量计算出所采用的材料能承载或减少多大涵顶土压力；二是所采取软质材料减载措施施工操作复杂，施工质量难以控制，难以达到设计的减载要求，有的减载方法(如通过使涵洞产生下沉以在涵洞上方形成卸荷拱的减载方法)还可能会对路面等地面结构物和涵洞本身的变形产生不利影响。因此，上述减载方法在龙怀段中未采用。
5结束语
高填方涵洞作为一种特殊的排水结构物广泛存在于各类公路工程中，而在软弱地基上设置高填方涵洞仍是一项比较困难的工作。笔者总结了软土地基对高填方涵洞的影响以及高填方涵洞的设计方法，并以汕昆高速公路工程龙川至怀集段涵洞基础设计为依托，对软土地基及涵洞基础进行了计算和分析，确定了最安全、经济、实用的方案，其可为今后相似涵洞的地基设计提供参考。
参 考 文 献
[1]聂宜勇.高填方涵洞的设计要点[J].吉林交通科技，2007，38(14)：178-179.
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[3]王玉泉.涵洞整体式基础分析与设计[J].北方交通，2008(5)：119-122.
[4]中交公路规划设计院有限公司. JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2004.
[5]叶观宝，高彦斌.地基处理[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.
[6]中交公路规划设计院有限公司.JTG D63—2007公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京：人民交通出版社，2007.
[7]凌治平，易经武.基础工程[M].北京：人民交通出版社，2004.
[8]曹周阳，王晓谋，顾安全，等.高填方涵洞EPS板减荷施工技术研究[J].施工技术，2011，40(20)：67-70.
[9]王晓谋，顾安全.上埋式管道垂直土压力的减荷措施[J].岩工工程学报，1990，12(3)：83-89.
[10]杨锡武，张永兴.山区公路高填方涵洞加筋桥减载方法及其设计理论研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(9)：1561-1571.
Design of High Filling Culvert Foundation on Soft Soil Subgrade of Shantou-Kunming Expressway
LONG Pei1, ZHAO Hongrui2, ZHOU Shuai3
Abstract:Setting of high filling culverts on soft soil subgrade faces the problems of excessive load on structures and insufficient strength of natural subgrade. This paper summarizes influences of soft soil subgrade on structures and common design methods for culvert foundation, and expatiates the principles for design of culverts on weak subgrade dependent on design of culverts at Longchuan-Huaiji section of Shangtou-Kunming Expressway, analyzes and calculates soft soil subgrade and culvert foundation, and points out forms and burial depth of foundation shall be fully considered in design of culvert foundation.
Keywords:high filling; soft soil; culvert; foundation form; burial depth of foundation
文章编号：1009-6477(2016)02-0001-04
中图分类号：U449.1
文献标识码：A
作者简介：龙培(1982-)，男，重庆市人，本科，工程师。
收稿日期：2015-08-24
DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.001
