高填方路基工程中拱涵结构受力研究

廖若超

（梅州市市政建设集团有限公司，广东 梅州 514021）

0 引言

涵洞是路基中常见的一种结构物，一般用于过人、过水或者连接道路两旁交通[1]。根据不同的用处，涵洞被分为不同的形式，最常见的是盖板涵，施工方便，结构简单，多用于过人；其次是箱涵，当跨径较小时，采用现浇箱涵最为经济，当箱涵要从已有道路或铁路下方穿越时，多采取箱涵顶进的技术；最后是圆管涵和拱涵，二者多用于山区路基排水。拱涵的好处在于没有顶板与侧墙的直角转角，应力集中不明显[2]。

涵洞作为路基的一部分，常常会因为涵顶上部填土过高而开裂[3]。因此针对高填方路基涵洞有越来越多的专家学者研究其减载措施，比如铺设EPS 板或柔性材料，增加涵顶沉降来降低涵顶内外土柱沉降差，从而降低涵顶上部土压力[4]。以汕汾高速公路潮州互通立交至径南工业园连接线道路新建工程K4+138 的高填方拱涵为例，研究高填方拱涵的结构特性，并介绍拱涵上部填土的施工要点。

1 涵洞病害

涵洞一直以来都有“十涵九裂”的说法，最常见的病害是开裂，表1总结了常见的涵洞病害。

表1 涵洞常见病害

2 工程概况

以汕汾高速公路潮州互通立交至径南工业园连接线道路新建工程K4+138 高填方钢筋混凝土拱涵为例，设计资料如下：

第一，该道路中所设置的拱涵为过水涵洞，根据工程地质资料，将拱涵设计为无压力式拱涵，洞口为八字翼墙；涵洞上部填土22～23m，属于高填方涵洞。图1为拱涵设计立面图。

图1 高填方拱涵设计立面图

第二，拱涵位于一侧山谷一侧平原的地形中，因此在设计时按照偏心构件配筋，并根据规范要求验算拱涵在正常使用和极限状态下的承载力、裂缝要求、最小配筋率等。

第三，涵身荷载包括涵顶恒载和车辆荷载。涵顶恒载以涵顶填土的自重应力为主，填土统一按照新填土计算自重。计算涵洞竖向压力时，在填土自重的基础上乘以土压力系数。若仅以填土自重作为竖向土压力，在使用过程中，涵顶的实际荷载要超过土的自重，是因为填土与涵洞之间存在相互作用力。在计算水平土压力时，也要乘以横向土压力系数。土的自重γ=19kN/m3，内摩擦角ψ=35o，道路上的汽车荷载，以车轮为基点，按照30o角向下扩散。对于低填方涵洞，车辆荷载对涵洞的结构受力有显著的影响，而对于高填方涵洞，涵洞上部填土荷载已经足够大，加之车辆荷载扩散到拱顶非常小。因此，在计算高填方拱涵的涵周压力时，只考虑竖向土压力、水平土压力，不考虑汽车荷载对拱涵结构的影响。

第四，采用“m”法计算弹性地基作用效应，该工程设计取m=80000kN/m4。

3 拱涵的承载特性

3.1 拱涵的沉降分布曲线

如图2所示，根据填土的相对位置可将拱涵上方填土可分为内土柱和外土柱，在拱涵跨度范围内的涵顶上方填土称为内土柱，拱涵跨度范围以外的其他填土称为外土柱。拱涵内土柱与外土柱的差值即为沉降差。沉降不均匀也会导致拱涵出现病害。拱涵是钢筋混凝土材料，刚度较大，属于地基的一部分，因此地基产生沉降时，拱涵上部土体的沉降较小，而拱涵以外的土体刚度比拱涵小，因此沉降会大于拱涵顶部的土体沉降。

这种地基刚度的不均匀，会使涵顶土体沉降速率慢，涵周土体沉降快，内土柱与外土柱之间存在摩阻力，外土柱对内土柱产生向下的摩阻力，相当于增加了涵顶土压力。因此，涵洞上方经常会出现裂缝的原因是：在设计计算时，涵顶荷载包括涵顶土体自重和汽车荷载，没有考虑土体与涵洞之间的相互作用，导致涵洞实际承受的荷载大于设计值。

目前，越来越多的专家和学者意识到此问题，在计算荷载时要考虑土体与涵洞之间的相互作用，因此，在新版《公路高填方涵洞设计规范》（JTG/ T 3365-02—2020)）中规定了涵顶填土自重的计算方式。但涵洞与土体之间的相互作用非常复杂，不同性质的土体与涵洞之间的相互作用也差别较大。因此，在进行计算时要充分考虑不同地区的地质情况，可以先进行建模模拟。

图2中，等沉面代表了当内外土柱差到达一定高度后，就不再存在，内外土柱沉降将一致，到路基顶面不再出现不均匀沉降。可以看出，当涵顶填土足够高时，等沉面一定会出现，所以在设计高填方涵洞时，可以忽略不均匀沉降对路基带来的影响。

图2 拱涵内外土柱和等沉面示意图

3.2 拱涵涵周土压力

拱涵不同于其他涵型，盖板涵上部为平板，边角处易产生应力集中，导致开裂或其他病害。而拱涵的拱结构可以缓解此问题，不会存在边角应力集中。图3为拱涵的涵周土压力包络图，包括涵顶土压力、涵侧土压力、涵底土压力。从图中可以看出，涵顶土压力呈“倒v 型”，拱顶处土压力最大，越往外土压力越小。为了更好地解释这一现象，我国著名的学者顾安全教授提出了“顾安全公式”，将涵洞看作倒置的地基。如此一来，与刚性地基的受力情况一致，如图4所示。

图3 高填方拱涵涵周土压力分布示意图

图4 基底土压力分布

涵洞涵侧土压力并非呈线性分布，在侧墙的上端和下端，由于涵洞顶板和底板有支撑作用，刚度大于侧墙中间部分，在水平土压力的作用下，侧墙中间出现挠曲变形，水平土压力出现卸拱效应，从而导致中间水平土压力最小，这是因为：第一，涵洞基础和底板的厚度大于涵顶，底板的刚度大于涵顶，底板在水平土压力作用下的压缩变形量小于顶板，导致最小水平土压力上移；第二，受土层自重的影响，水平土压力随土层深度逐渐递增，但拱涵的侧墙厚度随着深度的增大逐渐变厚，产生的变形越小，因此对应的水平土压力也越小。涵底土压力呈“中间小，两边大”的形态，拱涵基础两端刚度大，出现了应力集中。

4 高填方拱涵施工要点

拱涵的刚度远大于地基土，在施工时要注意填土的压实以及拱涵的施工位置。以下是拱涵的施工要点：

第一，拱涵在下放时要检查下方位置与进口的标高及角度，若与实际的沟渠标高差异过大，则需要重新标注。

第二，拱涵上方要设置上拱度，上拱度的设置分两种情况：高填方、跨径大且长的拱涵需要计算上拱度；除此以外的拱涵不需要计算，按照拱涵所处的位置选择合适的上拱度即可。上拱度的设置规则如表2所示，表中H 为路线中心线处自涵洞流水槽至路面顶面的高度，单位为mm。

表2 上拱度的设置规定

第三，拱涵的制作方式分为预制和现浇，一般拱圈是预制，底板为现浇。现浇底板可以让基础与拱涵更好地连接。当采取现浇的方式对拱涵进行制作时，要注意混凝土的浇筑流程，将基础与涵台身一起浇筑，保证拱涵的整体性。另外，浇筑拱涵所用的混凝土达到地基承载力容许值后才能拆除模板，开展下一步施工。这是因为拱涵属于地基的一部分，为隐蔽工程，一旦强度没有达到地基承载力容许值，上部路基的强度就会受到影响。

第四，涵洞的纵向长度一般大于路面宽度，尤其是高填方拱涵，会在路基两侧放坡，增加拱涵的长度。路基不均匀沉降是高填方路基的常见病害，而拱涵作为刚性基础，出现不均匀沉降会导致拱涵开裂。因此在实际工程中，每隔4～6m 会设置沉降缝，沉降缝贯穿整个路基纵断面，沉降缝的宽度大约2cm。沉降缝的设置有两个好处：一是防止不均匀沉降，损坏拱涵结构；二是方便施工，涵身过长既不方便运输，也不便于浇筑。但根据地基情况的不同，也可以不设沉降缝，表3为沉降缝的设置规定。

表3 沉降缝的设置规定

沉降缝的施工也尤其重要。为了避免有填料和水进入拱涵内，表4中描述了不同位置的沉降缝防水措施。

表4 拱涵不同位置的防水措施

第五，八字翼墙与涵身间的沉降缝可于浇筑翼墙混凝土时，在涵身端面敷设数层沥青和油毡而形成（厚度1～2cm）。

第六，涵洞施工完成后，混凝土强度达到设计强度的85%时，方可进行涵洞涵身两侧的回填。涵身两侧的墙背填土要求严格夯实，以防止涵洞与路基之间的路面因填土沉陷而影响行车。洞身两侧填土应严格对称均衡，水平分层夯实，其每侧长度不应小于洞身两侧填土高度的一倍，压实度不小于96%。涵洞两侧紧靠涵台部分的回填土不宜采用大型机械进行压实施工，宜采用人工配合小型机械的方法。拱涵上部土体压实也需要符合相关规定，图5为填土压实范围及相应部位需要的机具[5]。

图5 拱涵填土压实范围

第七，高速公路、一级公路、二级公路路堤与涵洞连接处应设置过渡段，其长度宜按2～3 倍路基填土高度确定；路基压实度不应小于96%。

5 结论

以汕汾高速公路潮州互通立交至径南工业园连接线道路新建工程K4+138 的高填方拱涵为例，探讨了拱涵在设计和施工时的要点，并分析了高填方拱涵的受力特点，得出以下结论：

第一，计算高填方拱涵的涵周压力时，只考虑竖向土压力、水平土压力，不考虑汽车荷载对拱涵结构的影响。

第二，拱涵刚度较大，属于地基的一部分，因此地基产生沉降时，拱涵上部土体的沉降较小。而拱涵以外的土体刚度比拱涵小，因此沉降会大于拱涵顶部的土体沉降。

第三，涵顶土压力，拱顶处土压力最大，越往外，土压力越小；涵底土压力则呈现出“中间小，两边大”的形态。

涵洞最主要的病害就是开裂。高填方涵洞虽然不考虑汽车荷载的影响，但上覆填土自重却非常大，因此，对于高填方涵洞，关键的问题就是解决上部荷载过大。在考虑总体工程造价合理的情况下，有的路基涵洞四周土方回填可以采用轻质土回填，起到减少一部分自重的作用；还有的路基可以采取涵顶减荷措施。随着我国对科研的支持，相信“十涵九裂”的问题将很快被攻克。