高填方路基工程中拱涵结构受力研究.docxVIP

? ? 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