山区公路高填土涵洞设计与加固要点分析
时间：2023-02-17 10:05:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
吴淀杭
（浙江数智交院科技股份有限公司，杭州 310000）
造成山区涵洞出现裂缝的原因较多，主要原因有：设计方案中的涵洞结构形式与工程地质条件不符、结构尺寸偏小、结构配筋不足、涵洞基础荷载设计值不合理、沉降缝设置不合理等。施工阶段有地基处理不当、台背回填工序错误和压实不够等。高填土涵洞相对于低填土涵洞，其承受的土压力大、对地基沉降要求更高。
2.1 重视涵洞基础结构设计
对山区公路高填土涵洞进行设计时，设计人员应结合涵洞基础结构设计确定设计方案。基础结构设计中，涵洞台背填土、换填设计、土拱效应控制都会改变涵洞基础结构的应力值，使设计中的结构主体产生改变。
1）高填土涵洞基础结构中，台背填土会形成负摩阻力，使地基应力改变。设计人员应按照地基压应力值设计要求，分析涵洞填土高度不同时的地基形式、预拱度[1]。
2）山区涵洞在山坳低洼处的地基本身的承载力较弱，基础结构设计中，还应通过换填的方式增强涵洞基础区域地基承载能力。对此，设计人员可将抗侵蚀、稳定、强度高的材料换填至地基中，改变涵洞基础结构的大变形模量、抗压强度。
3）涵洞填土高度大于16 m时，高填土涵洞上方会形成土拱，产生土拱效应。设计人员应充分利用土拱效应中填土高度与涵洞顶部压力的非线性变化来计算涵洞顶部土压力，优化高填土涵洞结构尺寸，从而减少工程造价。
2.2 明确基础换填处理要求
山区中的地质一般为沉积土，基础土层相对软弱，高涵洞地基承载力低。修正高涵洞地基承载力的难度大，所以，可以通过换填地基土层的方式，使基础层承载力符合高涵洞荷载能力、稳定性的控制要求。基础换填是近年来提高高填土涵洞地基承载力的常用手段，主要原理是将抗侵蚀、高强度、稳定性好的材料换填到涵洞基础下的软弱层内，然后通过分层压实，提高基础层的密实度，使其满足涵洞承载要求。但基础换填层范围需要控制在0.5～3.0 m，可采用的换填材料包括砂石、碎石、素土、灰土等。为保证换填后土层的压实效果，还应控制好垫层内的含水量，以及换填后的碾压次数。
2.3 合理选择高填土涵洞结构形式
目前，山区高填土涵洞结构设计中，箱形涵洞和拱形涵洞较为常见。设计人员可基于山区地形条件，评估涵洞横向、竖向荷载，确定涵洞顶部填土高度。实践证明，相同孔径下，拱形涵洞的结构承载力大于箱形涵洞。根据此涵洞结构特点，可以设定10 m以下填土高度以箱形涵洞较为适用，反之，10 m以上填土高度以拱形涵洞较为适用。相较于其他加固方案，箱形结构可作为涵洞中的刚构支撑构件进行加固，能够与涵洞原结构成为整体，有利于增强涵洞稳定性，降低涵洞内裂缝、结构变形风险，同时确保加固后的涵洞结构符合山区高填土涵洞行车、过水的基本要求。
同时考虑到山区公路工程的施工便捷性，高填土涵洞结构设计多以箱形涵洞为主。箱形涵洞的结构呈箱形，可应用钢筋混凝土现浇成整体结构，由底板、侧墙、顶板、沉降缝、洞口挡块、八字墙等组成。涵身一般为钢筋混凝土构成的闭合式框架结构，横截面为长方形、正方形。翼墙和涵洞洞身连成整体，运用八字式翼墙时，还应提前在洞身、翼墙的间隙布设沉降缝。涵洞洞身底由混凝土、砂砾垫层组成，沉降缝需要贯穿涵身整个断面，方向和涵身轴线相互。高填土箱形涵洞的涵身同样需要设置1道沉降缝，涵身长度大于20 m时，还应按照项目的实际情况，每6 m设置1道沉降缝。
2.4 加强地基荷载设计值的控制
设计山区公路高填土涵洞时，地基荷载设计值同样会使涵洞结构变形值改变，所以，设计人员还应加强地基荷载设计值的控制。对于山区高填土涵洞区域的软弱下卧层，其承载力验算一般可通过平均基底压力求解下顶面的压力，确定该区域的偏心荷载。具体来说，设计人员应结合高填土涵洞的特点明确其变形控制要求，然后以此为依据计算地基荷载设计值、地基承载力。通常情况下，高填土涵洞荷载具体包括土压力、填土自重，汽车活载效应较小。对于山区一级公路荷载，可结合涵洞填土厚度将涵洞活载换算为等代均布土层厚度，具体见表1。
表1 高填土涵洞填土高度及其活载情况
由表1可知，填土高度超过10 m后，涵洞活载变化值浮动较小，所以，计算涵洞地基荷载设计值时，设计人员仅需考虑土压力、填土自重即可[2]。按照山区公路桥涵设计的相关规范可知，分离式、整体式桥涵基础结构的地基承载力都应大于350 kPa。
3.1 箱形结构内嵌加固方案
1）采用箱形结构内嵌加固方案时，设计人员应详细验算箱形结构的最大覆土高度、填土高度等设计参数，同时在不计冲击效应的情况下，根据箱形结构的受力情况计算其冲击系数，分别验算加固设计中箱形结构的截面抗弯、裂缝宽度、抗剪强度设计的可靠性。
2）基于箱形结构内嵌加固设计方案，山区公路桥梁的常见荷载组合较为特殊，应重视内嵌加固结构在承载极限状态、正常使用状态下的荷载要求。同时验算内嵌加固时，涵洞正截面抗弯验算要求，并根据主筋类型、截面抗弯要求，估算箱形结构正面抗弯承载力所需的配筋量。
3.2 增加截面加固方案
3.2.1 加固设计原理
增大截面加固方案可有效提高涵洞截面的承载力，使其抗拉、抗压、抗弯性能符合加固设计要求。设计人员可结合山区高填土涵洞基础结构设计、涵洞结构中裂缝类型加固处理高填土涵洞。但在通过增大截面法满足高填土涵洞加固要求时，新浇混凝土级别应高于原有结构，且混凝土标号应不小于C30[3]。
加固过程中，各截面所用的受力钢筋直径应在12～25 mm，构造钢筋直径应在10～8 mm。焊接原有受力结构、新增纵向受力钢筋时，短筋直径应大于12 mm，短筋间距应小于500 mm。截面两侧同时加固处理时，还应用U形箍筋连接新增结构与原结构。在此过程中，设计人员还应准确计算高填土涵洞加固时，受弯、裂缝区域结构的抗裂性、承载力，同时根据叠合区域的构件受力特征，加固混凝土结构，使其承载力小于整浇结构。在上述桥梁工程中，截面加固方案的关键在于增加腹板厚度，加设后涵洞梁结构抗弯强度、抗剪强度分别提升27%、25%。
3.2.2 加固效果分析
增加截面加固方案在山区高填土涵洞工程中的应用，可减少加固设计对原结构的影响，更灵活地改变涵洞内部结构的受力情况，处理涵洞裂缝风险，使其稳固性、安全性符合山区公路桥梁工程运行要求。但是对于不同的高填土涵洞工程，增加截面加固设计的侧重点会有明显的差异性，设计人员还应根据涵洞工程的实际情况制订增加截面加固方案。
3.3 托梁拔柱加固方案
3.3.1 加固设计原理
山区高填土涵洞加固设计中，托梁拔柱是在不拆除涵洞上部结构的基础上，将涵洞下部结构拆除，以此通过调整涵洞结构设计的方式加固处理高填土涵洞。采用托梁拔柱加固设计方案时，相关人员可用顶升设施将涵洞上部结构顶升，并搭设临时支护结构，然后拆除涵洞裂缝区域的衬砌结构。在此过程中，为避免出现上部结构塌落，设计人员还应在加固设计中严格控制拆除长度，同时在处理完台身裂缝后，通过现浇混凝土层的方式，对涵洞结构进行加固处理。
设计人员在加固设计时，应提前确定下部结构的拆除长度和拆除范围，同时设计裂缝区域加固处理时的混凝土配比，以及混凝土强度等级、主筋分布情况、布筋型号。对于跨河桥梁工程，其涵洞加固设计时还应考虑涵洞的排洪功能，重点改变基础结构、涵洞竖墙的受力状态。
3.3.2 加固设计方案
1）山区高填土涵洞加固过程中，涵洞加固结构包括基础结构、竖墙结构、盖板结构。盖板厚度应不小于85 cm、基础结构厚度不小于68 cm、竖墙高度不小于5 m，各结构的净高、净宽分别为5 m、6 m。在此基础上，设计人员可建立3D设计模型，整体计算各结构的裂缝加固效果、配筋率。
2）根据模型中加固前的设计荷载，计算填土高度大于3 m时产生的荷载，确定高填土涵洞设计参数。荷载参考值包括竖墙承受压力、涵洞盖板压力、活载压力、自重压力，以及活载产生的水平及竖向压力等。之后，设计人员在增厚竖墙、盖板结构的基础上，还应模拟涵洞下部结构中竖墙与盖板的连接设计，分析加固效果。
3）通过分析托梁拔柱加固设计效果可知，利用此种加固方案，原结构荷载设计值明显增加，同时有利于优化涵洞截面受力，控制截面弯矩，减少加固设计对涵洞原有抗洪功能的影响。设计人员可基于该加固方案，更科学地控制涵洞墙体、盖板结构中的配筋率，保障涵洞整体结构的安全性。
在山区公路后期运营过程中高填土涵洞出现裂缝后应及时有效加固处理，设计人员应深入分析增大截面、托梁拔柱、箱梁内嵌等加固方案的基本优势，并结合山区地质条件、桥身裂缝成因等实际情况选择更适用的加固设计方案。
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