高填方涵洞土压力分析及减荷措施

何 超

(北京国道通公路设计研究院股份有限公司，北京 100053)

0 引言

山区高填方涵洞有着长度长、填土高的特点，洞身受到的土压力大，相应的涵洞尺寸也较大，若设计时土压力计算过分保守，尺寸过大则导致造价高造成浪费。若涵洞设计考虑欠缺导致尺寸偏小，可能出现涵洞承载能力不足，导致涵洞过早出现开裂等危害。在保证其可靠性和耐久性的情况下能否做到经济合理，是高填方涵洞设计需重视的问题。

1 现行规范涵洞土压力计算

涵洞土压力主要分为以下几类:1)散体极限平衡法；2)土柱法；3)压力集中系数法；4)卸荷拱法；5)根据变形条件以弹性理论为基础的计算方法。我国现行的JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范采用土柱法计算，JTG/T D65—04—2007公路涵洞设计细则则采用压力集中系数法。在设计过程中，由于对涵洞土压力认识不足，若采用了相对偏小的荷载作为设计依据，结果造成涵洞承载力不足，过早产生病害。由于公路涵洞多为混凝土结构，柔性管涵相对较少，混凝土结构刚度大，而土的刚度较小，因此涵洞上部的土位移小于两侧的土的位移，导致涵洞外侧的土对涵顶上方的土柱产生向下的托拽作用。因此，涵洞顶也会受到外侧的土施加的向下附加应力，造成涵洞所受的土压力大于涵洞上部的土重，涵洞与土作用机理可见图1。涵洞所受的土压力并不等于其上土柱的重量，而是相对洞身上方土重较大，根据相关研究表明，涵洞承受的土压力约为上方土重的1.3倍～2.0倍[1]，因此，欠缺合理的计算将导致设计涵洞的承载力不足。

我国JTG D60—2015公路桥涵设计通用规范中，涵洞土压力采用土柱法计算，竖向土压力qv=γH，水平土压力Hq=tan(45°-φ/2)×γH。该式为交通部1954年颁布，并且一直沿用至今，计算时涵洞顶部某一点的竖向土压力仅与土柱的自重荷载有关，忽略了涵洞上方填土与两侧填土滑动引起的附加应力[2]。可能会造成土压力计算值偏小。《公路涵洞设计细则》以及《铁路桥涵设计基本规范》则采用了压力集中系数法，考虑了涵洞与其周围土刚度差异导致土体沉陷变形引起的土附加压力，其计算公式如下：

pv=KγH。

其中，K根据H/D确定；H为填土高；D为涵洞顶宽；K值见表1。

表1 土压力系数K

因此，《公路涵洞设计细则》相对《公路桥涵设计通用规范》更适合涵洞土压力计算。但是，不论是土柱法还是压力集中系数法计算土压力时，均忽略了在高填土产生的拱效应。其计算结果是，涵顶随填土高度的增加，洞身所承受的土压力也同时线性增加，当填土高度较大时，得出的土压力远大于涵洞的实际受力情况，这将导致涵洞的结构过于保守而不经济，用此法进行高填方涵洞的结构设计显然是不合理的。

2 合理考虑“土拱效应”

卸荷拱是隧道设计常用的理论，隧道是先有土体后有洞室，在开挖卸载后，隧道洞身上部一些土体失去支撑后向下发生位移，支护承受部分土体荷载，稳定的岩体则形成拱，使隧道衬砌受力减少，有的甚至可以自持稳定，形成拱效应。但是，在高填方涵洞中，是先有涵洞再有回填的土体，要使涵洞形成拱效应，则必须使涵洞上方部分土体发生向下的位移，在周围填土已压实的情况下，该位移只能通过涵洞下沉实现。另一方面，隧道形成拱效应的均为天然岩体，多年沉降已经趋于稳定，而涵洞上方则为人工填土，密实度相对较低。

根据以往研究表明，高填方涵洞上方土体形成了不稳定的土拱，可承受部分土体荷载，若完全采用隧道的卸荷拱理论计算，则低估了涵洞上方的土压力。若不考虑拱效应，其计算结果是，随填土高度的增加，涵顶土压力也同时线性增加，最终计算结果远大于涵洞的实际受力情况，这将导致涵洞的结构过于保守而不经济。当路堤高度在18 m以上时，土压力随着填土的高度出现非线性变化，可采用下式计算[3,4]，qv=3.712 8γH0.454 3，qH=3.712 8λγH0.454 3。该式考虑了不稳定的土拱效应，计算结果相对土柱法和压力集中系数法较小，比卸荷拱法结果偏大，与高填方涵洞受力情况更相符，在保证安全可靠的前提下，可使涵洞设计尺寸更为经济。

3 涵洞的减荷措施

高填方涵洞必然会产生较大的土压力，为了满足受力要求，需采取有效措施降低竖向土压力及内外侧土体沉降差。现高填方涵洞减荷措施一般是通过改变沉降特性完成的，即减少涵洞上部土体与外侧土体的沉降差，甚至使涵洞上方土体沉降大于外侧土体沉降，人为的造成“土拱效应”，从而达到减少竖向土压力的效果。

1)中松侧实法。该方法是在路基填土时，涵洞上方土体碾压相对较松，两侧土体碾压紧实，使涵洞上方土体的刚度小于两侧土体刚度，减少了涵洞内外的沉降差，从而降低涵洞顶部土压力集中现象。内外侧土体刚度比越小，涵洞顶部的土压力集中系数越小。但是填土碾压较松，路基的沉降量将会变大，可能导致路基失稳，对公路的正常运营会产生一些安全隐患。因此在施工过程中，必须注意涵洞顶部填土碾压松实的程度，碾压过实则较难起到减荷作用，过松将会影响路基的质量。

2)柔性填料法。该方法为中松侧实法的改良。主要采用刚度较小的柔性填料，路基填筑时，将柔性材料铺设在涵洞上方一定范围，从而改善涵洞上方土体的变形情况，可减少涵洞内外土体的沉降差，从而减少竖向土压力。目前部分工程采用泡沫聚苯乙烯EPS等轻质材料埋设在涵洞顶部，文献[5]中通过EPS材料的现场测试，并结合室内试验以及有限元分析，得出不同填土高度时，既定减荷条件下EPS材料厚度、密度的定量关系，对不同类型涵洞减荷材料的埋设范围做出了分析，可为设计及施工方选择柔性填料法时，提供一定参考。

3)加筋桥减荷法。涵洞上方局部土体压实程度小于两侧土体，为了防止沉降过大而影响路基稳定，将该层松散的土体分层加筋压实，加筋两端固定在两侧密实的土体中，“加筋桥”便可形成。“加筋桥”可减少涵洞内外侧土体的沉降差，同时，筋材锚固于两侧土体中，也可够承担部分涵洞上方的竖向土压力，并将这部分土压力传递外侧土体上，从而减小涵洞受到的竖向土压力。

4)先填后挖法。先填后挖法是先完成路基回填，待路基碾压密实后再开槽修建涵洞。此时，涵洞两侧土体已先行沉降，其沉降量将小于涵洞上方土体的沉降量。因此涵洞顶部受到的竖向土压力便可减小。但在实际工程中，该方法施工较为繁琐，高填方涵洞较难开槽修建涵洞，该方法使用较少。

4 结语

涵洞上土压力是涵洞设计的重要指标，而土压力的大小与土体的沉降变形差有着密切联系。在山区高填方涵洞设计时，应合理考虑填土的沉降变形差对土压力计算的影响，还应考虑高填土产生的拱效应，避免土压力计算远大于涵洞的实际受力情况，这是涵洞结构设计安全可靠、经济合理的关键，同时还应从涵洞受力机理出发，减少涵洞内外侧填土的沉降变形差，使涵洞结构设计更为科学合理。