维普资讯 http://www.cqvip.com 第２６卷第１期 企业技术开发 ２ｏｏ７年１月 Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．１ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＩＣＡＬ ＤＥＶＥＬ０ＰＭＥＮＴ ＯＦ ＥＮＴＥＲＰＲＩＳＥ Ｊａｎ．２ｏｏ７ 探讨减小高填方涵洞洞顶土压力的方法 王丽群 （湖南交通职业技术学院，湖南长沙４１０００４） 摘 要：文章以箱涵为例，分析了涵洞＿Ｉ：Ａ－土拱形成机理，并指出采用合理的施工方法使涵洞顶部土体形成“土 拱”．可以有效减小涵洞顶部的土压力从而减小涵洞内力，能有效减小高填方涵洞病害发生的机率。 关键词：高填方涵洞；土拱；彤成机理 中田分类号：Ｕ４４９．８ 文献标识码；Ａ 文章编号：１００６—８９３７（２００７）Ｏ１—００４６—０３ Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｔｏｐ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｈｉｇｈ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｃｕｌｖｅｒｔ ＷＡＮＧ Ｌｉ——ｑｕｎ （Ｈｕｎａｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ。Ｃｈａｎｇｓｈａ，Ｈｕｎａｎ ４１０００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｌｖｅｒｔ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ａｂｏｖｅ ｔｈｅ ａｒｃｈ ｃｕｌｖｅｒｔ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｕｌｖｅｒｔ ｔｏｐ ｓｏｉｌ ｔｏ ｃｒｅａｔｅ ｔｈｅ“Ａｒｃｈｅｓ”ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｓｏｉｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ｔｏｐ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｌｖｅｒｔ ｃｕｌｖｅｒｔｓ ｔｈｅｒｅｂｙ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｉｎｔｅｍａｌ ｆｏｒｃｅ ｔｈａｔ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｃｕｌｖｅｒｔ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｅａｓｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｃｕｌｖｅｒｔ；ａｒｃｈｅｓ；ｆｏｒｍｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ 涵洞在公路、铁路及水利工程中所占的比重较 （图１），由于涵洞与土有刚度差，假定填土高度相 大，以高速公路为例，平均每２００ ｍ就有一道涵洞。 同，填土和地基土质均匀，则：若土柱①中无涵洞， 因此，涵洞的结构安全及变形在很大程度上影响道 则相同条件下土柱①②③④⑤…⑤沉降均匀一致， 路的正常使用功能。由于涵洞的数量远远大于桥 包括涵顶截面在内的任一截面内的土压力大小应该 梁，且无论多大跨径的涵洞，其对路基及路面的影 趋近于ＴＨ（其中： 为填土容重；Ｈ为填土高度），然 响与大型桥梁几乎是等价的。因此，人们在关注桥 而，基于以下几方面的原因，涵顶土压力远大于 Ｈ： 头跳车等现象对公路影响的同时，也越来越关注路 ①涵洞处的实际重量除以其空间体积后的值 基填土之下的涵洞对公路的影响。 小于土的容重，因而，涵洞处对基底压应力小于其 现行涵洞结构物设计和施工规范均存在缺陷， 它土柱处对基底压应力。 在不同工况下，有时对于作用于涵洞上的土压力考 虑偏小而使结构物纵向开裂破坏，从而严重影响行 车的安全舒适及人们对现行公路的总体评价。 本文以箱涵为例，分析涵洞上方“土拱”形成机 理，根据“土拱”形成机理，采取合理的施工方法使 涵洞顶部土体形成“土拱”，可以有效减小涵洞顶部 的土压力从而减小涵洞内力，并有效减小病害发生 图１土柱划分示意图 的机率。 ②涵洞洞身整体刚度远大于土的刚度，因此，以 １土拱形成机理 涵洞顶面处的水平截面为界，将①～⑤土柱分为两部 假定路基由与涵洞等宽的一个个的土柱组成 分，在截面以上部分对该截面的土压力作用下，涵身 的压缩变形远小于该截面以下其它土柱的变形。 基于以上两点，假定土柱间无粘结，可以自由 收稿日期：２０ｏ６一ｌＯ—ｌｌ 作者简介：王丽群（１９７４一），女，辽宁铁岭人，大学本科，工程师， 滑动，则土柱①相对于土柱②③等，其变形沉降量要 主要研究方向：道路桥粱。 小一个８值（图２）。 维普资讯 http://www.cqvip.com 簦 箜 ．塑一 三堕登！堡ｉ寸减小高填方涵洞洞顶土压力的方法 ４７ ｊ｝ｌｌ｛ 世 图２土柱沉降差示意图 然而实际上，土柱①②～④是一个整体，相邻之 地基 间是连续的，土体内部是有粘结的，土柱界面仅仅 图３涵洞顶部土压力的极大值 是为了研究方便而人为划分的一种模型。在土柱沉 涵洞产生非常不利的影响。 降一致的情况下，可以认为该土柱一旦出现８值， ②若涵洞地基相对较弱，导致涵洞的沉降大于 土体之间互相的粘结力就表现出来了。部分土体移 相邻土体的沉降，致使相邻土柱对涵洞所在土柱的 动时，必然要受到静止土体的阻抗，这种阻抗力即 拖拽力向上，使涵顶土压力小于－ｙＨ，若涵洞沉降较 抗剪强度。变形调整的结果，将使移动土体底部的 大，可导致涵顶与两侧土体出现较复杂的应力状 压力减小，相邻的不动土体底部压力增加。土体中 态，产生一种“拱”的效应，使涵洞在拱的作用下实 产生的这种压力传递作用，称为“土拱效应”。当这 际受力远小于设计计算值，因而涵洞较稳定（图４）。 种土拱效应充分发挥时，移动土体底部某一平面上 呷 将受到不变的压力，这时“土拱”便形成了。若涵顶 ｊ｝ｌｌ｛ 世 平面外土柱沉降大于平面内土柱的沉降，则沉降差 —’’～ —为＋８，反之为一８。 叶一 从土体变形的角度分析，在原状土或已固结稳 ⑤ ③ ① ② ④ ⑤ 定的填土中开挖修筑涵洞，在洞顶土体中之所以能 涵洞 形成土拱，是与一８分不开的。倘若不产生一８，则“外 土柱”对“内土柱”的阻抗就无从发挥，土拱也就不 图４涵顶土压力小于ＹＨ的情况示意图 会形成。 在涵顶新填土中，土拱的形成需具备两个条 综上所述，通过一定的构造、施工等措施。能够 件：填土要有一定的高度；一８要达到一定的数值。 避免涵洞顶部的高应力状态，同时也能使涵洞顶应 如仅Ｈ满足，而一８不满足时，涵顶填土中的应力状 力远小于设计计算值。 态可得到改善，但还不能充分发挥土柱间的阻抗作 用，填土中仅有土拱效应而土拱尚未形成；若一８值 ３减小高填方涵洞洞顶土压力的方法 继续增大，涵顶压力可继续减小直至形成“土拱”。 通过一定施工方法和施工工艺，创造条件使涵 基于以上原因，我们在施工当中可采取一定的 洞顶部以上土体形成“土拱”，可以减轻涵洞负荷。在 措施，也就是使涵洞顶部的土柱沉降差出现较大 设计施工中，我们可人为地采取措施，创造形成一８ 的一８即“土拱”来削减涵顶土压力。 的条件，使高填方路基下的涵洞处于有利的受力条 ２与土柱沉降差有关的两种工程实际情况 件下。 ３．１充分利用沟谷地形 与土柱沉降差有关的两种工程实际情况如下： 沟谷填土路基土压力及沉降与一般高填方路 ①由于涵洞基础较坚固以及涵洞凸出地面较 基的土压力及沉降存在明显的不同特性。沟谷中心 高，使图２中土柱①的沉降值较之土柱②③…④更 部位土柱沉降变形大于沟侧墙处土柱的沉降变形。 小，８值更大，土体对土柱①的拖拽力更大，其极限 沟中心处的垂直土压力小于沟侧墙处的垂直土压 情况为８值足够大时，导致土柱的土即将破裂，则 力，土压力与变形之间的关系是：相对沉降大的土 涵顶土压力值为破裂面范围内的土的重量加上两 柱压应力小，相对沉降小的土柱压应力大。 侧土体的拖拽力的竖向分力（图３）。此种情况将对 如图５所示，沟坡具有阻止外土柱固结下沉的 维普资讯 http://www.cqvip.com 企业技术开发 ２００７年１月 效应，由于沟坡影响一直延伸到填土表面，使内土 大地基处理范围的方法，即使是涵侧土体满足路基 仍 柱相对于外土柱有下移的趋势，外土柱通过与内土 填筑要求不需要进行处理，但为了涵洞的安全，柱的交接处（实际上是通过土粒间的摩阻力传递 可将地基处理的范围扩大到涵洞两涵台以外一定 缩小两者沉 的）对内土柱产生一种向上的摩阻力，这就使内土 的范围，以减小涵洞两侧土体的沉降， 柱重量不致全部传递到涵洞上。另一方面，涵洞侧 降差。４．２适当减小涵洞地基强度 向填土也要产生压缩变形，使涵洞顶平面产生沉降 ３．在扩大涵洞地基处理的基础上，由于涵洞对基 差，外土柱相对于内土柱又有下移的趋势（但这种 趋势不一定能延伸到填土表面），于是，外土柱重量 向内土柱转移，从而使洞顶上压力增大。因此，对于 沟谷地形中修筑的涵洞，必须从沟坡和洞顶平面沉 降差两方面反映各因素对土压力的影响。 填土顶面 ～一－寿ｈ一一： 二 二 一等沉面一＿ ｊ｝ 一土一一 一杜 ． ３ ｌ 图５利用Ｖ型沟谷修筑涵洞示意图 ３．２采用高压缩性填充材料或“中松侧实”填土法 根据涵顶土体的变形机理，在涵洞顶一定厚度 范围使涵洞顶填土的压实度小于涵洞两侧填土的 压实度。这样，当土体在固结变形的过程中，涵洞顶 土体的变形将大于两侧土体的变形量，使涵洞顶填 土的质量转移到两侧的填土，从而减小在涵洞结构 物上的土压力作用，达到减荷的目的。 ３．３提高涵台背后填土压实度或采用低压缩性材料 在进行涵台背填土时，采用级配碎石、级配砂 砾等强度高、压缩性低的材料填筑。同时，在填筑过 程当中，严格控制填筑质量，分层压实，减薄压实层 厚度，提高压实功，以最大限度地提高其密实度。这 样，涵洞两侧的土柱的沉降将会减小，与涵顶土柱 的沉降差也会减小，从而减小涵洞顶部的集中应力。 ３．４采取合理的地基处理方法 采取合理的地基处理方法，如加固涵洞两侧地 基或采用相对松软的涵洞地基，使地基产生一８差。 ３．４．１扩大涵洞地基的处理范围 对于较软弱的地基，若只注重涵洞地基承载力 而只处理涵洞基础范围内的地基，这将会扩大涵洞 与两侧土体的沉降差，同时将大幅度地提高涵洞顶 部的集中应力，不利于涵洞的稳定。因此，可采取扩 底的压力小于涵侧土柱对处理后地基的压力，因 此，其沉降值仍会略小于涵侧土柱，涵顶仍会发生 应力集中，因而可以采取在满足地基承载力的基础 上，适当降低涵底地基土的密实度，从而达到增大 涵洞底沉降量，减小涵洞与涵侧土体沉降差，甚至 产生一８值，形成“土拱”。 对于能满足涵洞地基承载力的一般土质，为了 形成土拱，可以采取只处理涵侧填土的方法而对涵 洞基础不作处理，减少涵侧土柱的工后沉降量，从 而达到减小８值，甚至在涵底沉降较大时产生一８ 值，形成土拱效应。 对于地基承载力很高，甚至可以忽略地基沉降 变形的硬土、石质基底，可在涵底填筑一定厚度的 掺粘土的级配碎石和级配砂砾、砂和工业废渣等， 以形成一层“褥垫”，创造基底变形条件，增加涵洞 沉降，从而产生“土拱”效应。 ３．５反挖法施工涵洞 先分层将路基填筑至一定的高度，然后反挖涵 洞基槽，涵洞修筑好后再回填亦可有效形成“土 拱”。 以上涵洞地基处理的方法与提高涵台台背填 土压实度或涵顶填土“中松侧实”等方法相结合，可 取得更加显著的效果。 ４结语 实践证明，通过以上一些方法，可以有效地减 小涵洞的顶部竖向土压力，从而减少病害的发生。 参考文献： 【１】ＪＴＪ０２１—８９，公路桥涵设计通用规范【Ｓ】． 『２１ ＪＴＪ ０２４—８５。公路桥涵地基与基础设计规范【ｓ】． 『３１韩拴奎．高填方涵洞设计探讨【ＪＪ＿太原科技，２００１，（５）． 『４１朝拴奎．涵洞土压力与沉降［Ｊ】．山西交通科技，２０００，（１）． 『５１冯忠居．路基中涵洞结构物受土压力作用机理分析【Ｊ】．内 蒙古公路与运输，２０００，（１）．
