涵洞結(jié)構(gòu)兩側(cè)填土對地基承載力特征值影響分析

張 龍, 宮 志

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

1 概 述

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大發(fā)展,高速公路大量建設(shè),涵頂填土大于20 m的高填方涵洞越來越多。高填方涵洞的上部填土高度大,基礎(chǔ)對地基的壓力大,所以對地基承載力要求也高。經(jīng)過計算,考慮上部填土自重、涵洞自重、汽車荷載(高填方時可以忽略)等因素后,高填方涵洞的地基承載力要求可達(dá)500 kpa以上。除了巖石地基,一般密實的粉土、黏土均不能滿足要求,造成高填方涵洞適用范圍較小,或者經(jīng)過對地基處理后適用但工程造價較高。因此,在確保結(jié)構(gòu)安全、造價經(jīng)濟合理的情況下,如何確定高填方涵洞地基承載力要求成為設(shè)計中的重點及難點。

2 地基承載力計算依據(jù)

2.1 天然地基承載力的深度修正

圖1 地基整體剪切破壞示意圖

地基承載力修正原理:隨著上部荷載增加,基底壓力增大,基礎(chǔ)底面以下出現(xiàn)了連續(xù)的剪切滑動面或塑性區(qū);而基礎(chǔ)底面以上的覆土,提供了限制滑動面發(fā)展或塑性區(qū)土體側(cè)向擠出的抗力,從而提高了地基的承載力。

基礎(chǔ)底兩側(cè)的覆土是地基承載力深度修正的充分條件,所以有限制土體剪切滑動面發(fā)展或者為塑性區(qū)內(nèi)土體側(cè)向擠出提供阻力的條件,都可以等效為基礎(chǔ)埋置深度,從而對基礎(chǔ)承載力進(jìn)行深度修正。

2.2 《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG 3363-2019)第3.3.4條

本條規(guī)定：修正后的地基承載力容許值[fa]按式(3.3.4)確定。當(dāng)基礎(chǔ)位于地層上時,[fa]按平均常水位至一般沖刷線的水深每米再增大10 kPa。

[fa]=[fa0]+k1γ1(b-2)+k2γ2(h-3)

式中:[fa]為修正后的地基承載力容許值，kPa。

由條文說明可知,本條款是基于淺基礎(chǔ)理論上,適用于埋深h/b≤4的情況,考慮基礎(chǔ)尺寸及埋置深度等影響因素修訂而成。 一般情況h值為基底埋置深度,對于高填方涵洞兩側(cè)的填土超載能夠?qū)ν馏w可能出現(xiàn)的隆起破壞起到限制作用,則基底埋置深度可從填土面起算。

2.3 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007-2011)第5.2.4條

本條規(guī)定當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于3 m或埋置深度大于0.5 m時,從載荷試驗或其他原位測試、經(jīng)驗值等方法確定的地基承載力特征值,尚應(yīng)按下式修正:

fa=fak+η0γ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

式中:fa為修正后的地基承載力特征值，kPa;fak為地基承載力特征值,kPa,按本規(guī)范第5.2.3條的原則確定。

由條文說明可知,對于大面積壓實填土地基,按照基礎(chǔ)兩側(cè)超載考慮,當(dāng)超載寬度大于基礎(chǔ)寬度兩倍時,可將超載折算成土層厚度作為基礎(chǔ)埋深,基礎(chǔ)兩側(cè)超載不等時取小值。

捕獲模塊完成信號的粗捕獲,采用本地捕獲序列與接收信號做相關(guān)運算,可以從信號和噪聲的混合波形中檢測出目標(biāo)信號,實現(xiàn)捕獲[12]。與相關(guān)模塊類似,內(nèi)部同樣包括4路相關(guān)器。輸出的信號與給定的門限值進(jìn)行比較,如果相關(guān)峰高于門限值,就說明捕獲成功,否則繼續(xù)捕獲。捕獲成功后會啟動計數(shù)器進(jìn)行延時,延時一段時間后開始采集估計信號。

2.4 涵洞基礎(chǔ)承載力修正依據(jù)

基于以上地基承載力修正理論以及公路、建筑規(guī)范條款,涵洞地基承載力需要進(jìn)行深度修正。

由公路規(guī)范可知,涵洞基底埋置深度可從填土面起算。涵洞作為帶狀公路上的構(gòu)造物,在公路長度方向兩側(cè)填土較長(遠(yuǎn)大于2b),但在公路橫向(涵洞長度方向)長度有限且各涵節(jié)填土高度不同。依據(jù)建筑規(guī)范條款,涵洞基底埋置深度應(yīng)以公路橫向填土折算高度控制,同時應(yīng)該分段進(jìn)行修正,取最不利。

2.5 三段地基承載力修正法

綜上,提出三段地基承載力修正法,如圖2所示。假定取1 m涵長為單元,三段基底埋置深度說明如下:

A段:兩側(cè)采用填土高度;

B段:一側(cè)采用填土高度,一側(cè)采用換算填土高度,二者取小值;

C段:采用天然地面高。

圖2 三段地基承載力修正法示意

3 算 例

3.1 《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG 3363-2019)算例1

某高速公路蓋板涵,跨徑6 m*5 m(凈跨),涵頂填土高度Th=20m,基礎(chǔ)埋深H=28 m,基礎(chǔ)底寬B=8 m。取黏性土計算,重度r2取19 kN/m3,寬度修正系數(shù)k1=0,深度修正系數(shù)k2=1.5。H/B=28/8=3.5小于4,相關(guān)參數(shù)如圖3所示?？紤]上部填土、涵洞自重、汽車荷載(高填土?xí)r可以忽略)等因素的基底應(yīng)力為595 kPa。

圖3 6×5 m蓋板涵參數(shù)示意圖

根據(jù)規(guī)范第3.3.4條公式計算:

fa0=595-1.5×19×(28-3)=-97.59 kPa。

同時給出跨徑6 m×5 m不同填土高度時的fa0,見表1。

表1 6 m×5 m蓋板涵地基承載力特征值

由以上算例可知,跨徑6 m*5 m蓋板涵按照路基中心填土高度進(jìn)行深度修正后fa0均為負(fù)值,無法為計算地基承載力特征值提供依據(jù)。

3.2 三段基底承載力修正法算例2

算例2的設(shè)計參數(shù)與算例1相同,按照三段基底承載力修正法計算B、C段的基底承載力計算數(shù)值(見表2),其中B段取C段折算后的埋置深度進(jìn)行修正,C段未修正。

通過表2可以看出,考慮涵長方向的三段基底承載力修正法后,三段受力有較大差異,并且C段為地基承載力受控節(jié)段?？紤]地基承載力深度修正后,地基承載力要求最大為288 kPa,比正常節(jié)段基底應(yīng)力595 kPa低很多。

表2 6 m×6 m蓋板涵地基承載力特征值

3.3 蓋板涵三段基底承載力分布規(guī)律

根據(jù)三段地基承載力計算方法,隨后對2 m、4 m、6 m跨徑0.5～20 m填土高度范圍進(jìn)行計算,分別列出2 m×2 m、4 m×4 m、6 m×5 m跨徑的地基承載力特征值折線圖,如圖4～圖6所示。

圖4 2×2蓋板涵承載力特征值

圖6 6×5 m蓋板涵承載力特征值

可以看出,隨著覆土高度的增加,2 m跨徑時基底承載力先由B段控制,增加到一定高度時,變?yōu)镃段控制。4 m及6 m跨徑時基本由C段控制。 A段始終不作為控制節(jié)段。

上述變化反映了覆土高度及涵洞尺寸對基底承載力的共同影響。當(dāng)覆土低時,B段受到覆土和車輛荷載的作用,基底應(yīng)力修正量較少,C段覆土較低且無車輛荷載,基底應(yīng)力較小,B段起控制作用,隨著覆土高度的增加,B段基底應(yīng)力修正量增多,C段覆土增加,C段開始起到控制作用。對于4 m及6 m跨徑時,由于其凈空尺寸相比2 m跨徑較大,則B段埋深大,基底應(yīng)力修正量較多,導(dǎo)致大跨徑時基底承載力基本由C段控制。當(dāng)然對于不同條件下承載力要求還應(yīng)需要具體計算。

4 結(jié) 論

(1) 現(xiàn)有規(guī)范適用于橋涵淺基礎(chǔ),對于高填方涵洞地基承載力計算沒有針對性規(guī)定。

(2) 基于公路和建筑規(guī)范條款,提出了三段涵洞地基承載力埋置深度修正法。

(3) 對于高填方涵洞深度修正后地基承載力與基底承載力差異很大,一方面擴大高填方涵洞適用范圍,也避免地基處理的造價浪費;同時也與有關(guān)文獻(xiàn)中提出的,對于大于16 m的高填方涵洞將產(chǎn)生明顯的拱效應(yīng)相對應(yīng)。

(4) 地基承載力受覆土高度及涵洞尺寸的共同影響,對于各種跨徑不同填土高度涵洞的B、C段受控節(jié)段需要計算得出,但A段不作為受控節(jié)段。