汕昆高速公路軟土地基高填方涵洞基礎(chǔ)設(shè)計

龍　培，趙鴻瑞，周　帥

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶　400067； 2.重慶高速公路集團有限公司東南營運分公司， 重慶　401121；

3.同濟大學地下建筑與工程系， 上?！?00092)

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汕昆高速公路軟土地基高填方涵洞基礎(chǔ)設(shè)計

龍培1，趙鴻瑞2，周帥3

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶400067； 2.重慶高速公路集團有限公司東南營運分公司， 重慶401121；

3.同濟大學地下建筑與工程系， 上海200092)

摘要：軟土地基上設(shè)置高填方剛性涵洞時，面臨結(jié)構(gòu)物荷載過大而天然地基強度不夠的問題。總結(jié)軟土地基對結(jié)構(gòu)物的影響以及涵洞基礎(chǔ)常見設(shè)計方法，并以汕昆高速公路龍川至懷集段涵洞設(shè)計為依托，闡述位于軟弱地基的涵洞設(shè)計原則，對軟土地基及涵洞基礎(chǔ)進行分析和計算，并指出涵洞基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)充分考慮基礎(chǔ)形式及基礎(chǔ)埋深。

關(guān)鍵詞：高填方；軟土；涵洞；基礎(chǔ)形式；基礎(chǔ)埋深

1工程概況

汕昆高速公路龍川至懷集段(簡稱龍懷段)是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃“7918”布局方案中第17橫—汕頭至昆明高速公路的重要路段，也是廣東省“九縱五橫兩環(huán)”高速公路網(wǎng)規(guī)劃主骨架中“一橫”的重要組成部分。龍懷段路線起于廣東省河源市龍川縣城，與梅(州)河(源)高速公路相接，經(jīng)河源市東源縣、連平縣，韶關(guān)市翁源縣，清遠市英德市、清新區(qū)、陽山縣，止于肇慶市的懷集縣，全長約366.394 km。龍懷段高速公路路基寬度26 m，設(shè)計速度100 km/h。沿線工程地質(zhì)條件較差，主要不良地質(zhì)現(xiàn)象有不穩(wěn)定斜坡、危巖、巖溶、斷層破碎帶和軟土地基等。龍懷段有不少涵洞位于軟土地基上，為涵洞設(shè)計增加了難度。

2軟土地基對高填方涵洞的影響

山區(qū)公路建設(shè)中特別是高等級公路建設(shè)中經(jīng)常涉及高填方涵洞，由于線型要求高，深挖高填就不可避免[1]。而軟土地基由于自身強度低、壓縮性高、均勻性差等工程特性，使高填方涵洞的設(shè)計難度加大。本文結(jié)合龍懷段涵洞的設(shè)計，將軟土地基對高填方涵洞的影響進行如下總結(jié)。

1) 軟土引起涵洞的沉降過大，造成結(jié)構(gòu)開裂或傾斜。

2) 軟土造成涵洞基礎(chǔ)失穩(wěn)危及線外建筑物。

按構(gòu)造形式，涵洞分為管涵、蓋板涵、拱涵、箱涵等[2]。汕昆高速公路龍懷段，高填方涵洞主要采用蓋板涵結(jié)構(gòu)形式。蓋板涵結(jié)構(gòu)簡單，相對于管涵，蓋板涵經(jīng)久耐用不易損壞；相對于拱涵、箱涵，蓋板涵經(jīng)濟實用，施工簡便，且采用預(yù)制裝配施工可縮短工期。

3常見涵洞基礎(chǔ)設(shè)計方法

涵洞基底荷載主要來自于涵洞本身的自重、涵上填土產(chǎn)生的土壓力及汽車活載產(chǎn)生的壓力。這些荷載都由它下方的地基來承受。由于受公路平縱指標限制以及線位處地質(zhì)條件的影響，尤其是高填方涵洞，不可避免會出現(xiàn)涵洞地基承載能力不足的現(xiàn)象。為此，可通過2種方法解決[3]：一是進行地基處理，提高地基承載能力以滿足涵洞的要求；二是選擇新的基礎(chǔ)形式以降低所需要的地基承載能力。有時，也可以2種方法同時使用。

4工程實例

圖1　K179+280鋼筋混凝土蓋板涵立面示意

下面對分離式基礎(chǔ)和整體式基礎(chǔ)進行比較。

4.1按分離式基礎(chǔ)設(shè)計

分離式基礎(chǔ)即兩側(cè)的臺身分別置于2個單獨的基礎(chǔ)上，如圖2所示。分離式基礎(chǔ)的優(yōu)點是：1) 節(jié)省材料；2) 基底沉降獨立進行，兩邊沒有連帶關(guān)系。

圖2　分離式基礎(chǔ)涵洞斷面示意

圖2中，涵洞各部位尺寸擬定如下：基礎(chǔ)襟邊C1=0.70 m，臺身寬C2=0.90 m，基礎(chǔ)寬C3=2.30 m，背墻寬C4=0.60 m，搭接寬度C5=0.30 m，基礎(chǔ)高度為1.00 m，鋪底厚為0.40 m，涵洞凈高H0=3.00 m，計算高度H1=3.55 m，基礎(chǔ)頂深H2=14.10 m。

1) 換土法。即將軟弱土層部分或全部挖去，再換填分層夯實強度較高、穩(wěn)定性較好的材料。

2) 擠密法。即用砂樁、夯實、石灰樁、振動碎石樁等使地基容重增加，孔隙比減少，從而提高地基承載能力。

3) 膠結(jié)法。采用化學膠凝劑來增強土顆粒間的聯(lián)結(jié)，以改善地基土的物理力學性質(zhì)。

下面對上述涵洞地基處理方法進行比選。

1) 換填法。

換填厚度的計算實質(zhì)上是軟弱下臥層頂面強度的驗算。目前我國常用的是按應(yīng)力擴散角進行計算的方法，即認為換填層以“θ”角向下擴散基底應(yīng)力，到換填層底面(下臥層頂面)處的壓應(yīng)力與換填層材料的自重應(yīng)力之和σH應(yīng)小于或等于該處下臥層頂面的地基承載能力[σ]H，即

σH≤[σ]H

(1)

換填層底面下的應(yīng)力由3部分組成：下臥層頂面的附加應(yīng)力、基坑回填土的應(yīng)力和換填層的應(yīng)力，即

σH=σh+γshs+γh

(2)

式中：σh為下臥層頂面的附加應(yīng)力，kPa；γs為填土重度，根據(jù)規(guī)范[4]取19 kN/m3；γ為換填材料重度，本例采用砂礫石，根據(jù)規(guī)范[4]取19 kN/m3；hs為填土頂面到基礎(chǔ)底面高度，本例為15.1 m；h為換填深度，m。

σh可根據(jù)國內(nèi)常用的計算公式求得，即

(3)

式中：l為基礎(chǔ)長度，m；b為基礎(chǔ)寬度，m；hs為砂墊層厚度，m；σ為基底處附加應(yīng)力(基底壓力減填土壓力)，kPa；θ為砂墊層壓應(yīng)力擴散角，本例取35°。

不同換填深度下臥層頂面的應(yīng)力計算如表1所示。

表1　下臥層頂面應(yīng)力計算

由于本涵洞位處的軟弱土層較厚，平均厚度約為5 m。在這5 m范圍內(nèi)，地基承載能力[σ]H小于下臥層頂面應(yīng)力σH，均不滿足規(guī)范要求。且由于本涵洞換填層過厚(一般不宜大于3 m)需挖深坑，費工耗料，經(jīng)濟、技術(shù)上往往不合理，故不采用此法。

2) 振密擠密法。

振密擠密法雖然適用于軟弱土層厚度大于3 m的地基，可有效避免大量挖方，但其不足之處在于涵洞地基為軟粘土，土的滲透性小，若采用此法加固則不易將土擠密實，且還會破壞土的結(jié)構(gòu)，加固效果不佳。

3) 膠結(jié)法。

膠結(jié)法的缺陷是對施工機具設(shè)備和施工單位的素質(zhì)要求較高，此法會大幅度增加工期和成本。

綜上所述，本文得出如下結(jié)論：軟弱地基上的高填方涵洞，若采用分離式基礎(chǔ)，將面臨地基處理難度大、經(jīng)濟性不好的問題。

4.2按整體式基礎(chǔ)設(shè)計

整體式基礎(chǔ)即兩側(cè)臺身下面的基礎(chǔ)是一個整體，如圖3所示。整體式基礎(chǔ)的優(yōu)點是增加了涵洞的整體剛度，沉降量小且均勻。

圖3　整體式基礎(chǔ)涵洞斷面示意

圖3中，涵洞各部位尺寸擬定如下：基礎(chǔ)襟邊C1=0.20 m，臺身寬C2=0.60 m，基礎(chǔ)寬C3=2.80 m，背墻寬C4=0.30 m，搭接寬度C5=0.30 m，基礎(chǔ)高度為1.00 m，鋪底厚為0.00 m，涵洞凈高H0=3.00 m，計算高度H1=3.35 m，基礎(chǔ)頂深H2=13.82 m。

4.3基礎(chǔ)埋深對地基容許承載能力的修正

根據(jù)規(guī)范要求[6]，當基礎(chǔ)處于粘性土、粉土、砂土和碎石土的地基，且基礎(chǔ)兩側(cè)埋置深度超過3 m時，可進行地基承載容許值能力的修正。修正后的地基承載能力為：

(4)

基底埋置深度h1一般由天然地面或一般沖刷線算起，但對于基礎(chǔ)兩側(cè)有填土的情況則應(yīng)具體分析。因為基礎(chǔ)兩側(cè)的填土荷載能對土體可能出現(xiàn)的隆起破壞起限制作用，從而提高地基承載能力。故本例基底埋置深度h1為H2+基礎(chǔ)高=14.82 m，即

(5)

但依據(jù)國內(nèi)外試驗資料，當h/b≤4時，地基承載能力與深度成正比；當410時，地基承載力幾乎為一常數(shù)[7]。因此，需驗算基礎(chǔ)埋深與地基寬度的比值h/b是否小于4，以判斷計算結(jié)果的準確性，即

h/b=14.82/5.6=2.65<4

(6)

4.4高填方涵洞減載

除整體式基礎(chǔ)和獨立基礎(chǔ)外，還可通過其他方法對高填方涵洞減荷以達到所需設(shè)計要求。例如，將一定厚度的EPS 板鋪設(shè)在蓋板涵頂部進行減荷[8]，或在涵頂上方填筑海綿軟質(zhì)材料[9]，或通過加筋橋[10]等減載方法處理高填方涵洞的高荷載問題。但這些方法也有缺陷：一是不能對減載的大小定量計算，不能定量計算出所采用的材料能承載或減少多大涵頂土壓力；二是所采取軟質(zhì)材料減載措施施工操作復(fù)雜，施工質(zhì)量難以控制，難以達到設(shè)計的減載要求，有的減載方法(如通過使涵洞產(chǎn)生下沉以在涵洞上方形成卸荷拱的減載方法)還可能會對路面等地面結(jié)構(gòu)物和涵洞本身的變形產(chǎn)生不利影響。因此，上述減載方法在龍懷段中未采用。

5結(jié)束語

高填方涵洞作為一種特殊的排水結(jié)構(gòu)物廣泛存在于各類公路工程中，而在軟弱地基上設(shè)置高填方涵洞仍是一項比較困難的工作。筆者總結(jié)了軟土地基對高填方涵洞的影響以及高填方涵洞的設(shè)計方法，并以汕昆高速公路工程龍川至懷集段涵洞基礎(chǔ)設(shè)計為依托，對軟土地基及涵洞基礎(chǔ)進行了計算和分析，確定了最安全、經(jīng)濟、實用的方案，其可為今后相似涵洞的地基設(shè)計提供參考。

參 考 文 獻

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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

文章編號：1009-6477(2016)02-0001-04

中圖分類號：U449.1

文獻標識碼：A

作者簡介：龍培(1982-)，男，重慶市人，本科，工程師。

收稿日期：2015-08-24

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.001