山区高填涵顶垂直土压力现场测试及计算研究

总第１２８期　２００６年第１２期　西部探矿工程　ＷＥＳＴ—ＣＨＩＮＡ　ＥＸＰＬ０ＲＡＴＩＯＮ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ｓｅｒｉｅｓ　Ｎｏ．１２８　Ｄｅｃ．２００６　文章编号：１００４－－５７１６（２００６）１２一Ｏ０７１—０３　中图分类号：　ＦＵ４４文献标识码：Ｂ　山区高填涵顶垂直土压力现场测试及计算研究　鲁瑞林，张永兴，王桂林，胡居义　（重庆大学土木工程学院，重庆４０００４５）　摘要：通过涵顶垂直土压力和填土沉降变形现场测试，提出了山区高填涵洞的“土拱卸荷效应”概念，并结合目前规范　和非线性土压力计算方法，研究作用于高填涵顶垂直土压力的计算问题，为实际工程的设计和施工提供合理有效的指　导与建议。　关键词：高填涵洞；垂直土压力；沉降；回归分析　随着我国西部大开发战略的迅速推进，山区高填涵洞已广　泛使用于交通、水利及市政工程等基础设施领域，其顶部垂直土　压力是涵洞结构设计时的主要计算荷载。目前不同行业及部门　的涵顶土压力计算结果相互之间出入很大ｌ１～，且不考虑开挖边　坡对土压力的影响；同时，国内外对高填涵洞“土拱”的形成、“拱　效应”对结构物受力的影响以及如何考虑“拱效应”具有不同的观　点。如果涵顶荷载计算值偏小，所设计的结构就不足以承受涵顶　上部荷载而产生过大变形、裂缝甚至破坏，反之则造成不必要的　定，路堤基底良好。　２　拱涵为现浇砼型式，里程桩号Ｋ１２＋９９５，涵长２６５．３６ｍ．　标准尺寸为ｂ×ｈ一２×２．５ｍ　，位于冲沟底部，上部填土高达　５２．２９ｍ，在国内外实属罕见。拱涵基础置于基岩上，并对沟心残　积层亚粘土进行清除，填土采用土石混合料，分层的最大松铺厚　度为４０ｃｍ，采用重型振动碾压机分层碾压。碾压过程中遵循先　轻后重，先稳后振，先低后高，先慢后快以及轮迹重叠等原则，至　少碾压３遍直到达到规定的压实度为准。　为了减少或消除路基沉降引起的质量病害，并为路基、路面　浪费。文献Ｅ３］表明，运营中约有６３．５　的涵洞出现裂缝，其中　７０　为纵向裂缝。为确保涵洞结构物的安全可靠和经济实用性，　如何准确计算涵顶垂直土压力已成为指导工程实践的关键问　题。　设计和施工提供合理指导和建议，对该工程进行了涵顶垂直土　压力和填土沉降监测工作。　２．２测试方案布置及成果分析　２．２．１土压力盒的埋设　１　目前规范采用的计算方法　公路和铁路设计规范，都考虑了恒载和活载问题。现根据压　根据工程实际情况，在涵顶轴线位置处布设土压力盒以测　定其涵顶垂直土压力，共布设土压力盒７个，编号分别为１、２、３、　４、５、６、７，采用钢弦式双膜土压力盒，施工中土压力盒２ｍ高度范　围内应尽量避免强夯或不当施工而造成仪器破坏，填土高度每　实填土现场施工情况，只讨论涵洞上部的填土荷载对涵洞的影　响。　１．１　《铁路桥涵设计基本规范》　铁路规范对于涵顶的填土荷载计算有如下规定　－　Ｊ：　竖向压力：Ｐ　一ｋ　Ｈ　（１）　增加５ｍ进行测读数一次。土压力盒平面布置详见图１。　２．２．２沉降管及沉降磁环的埋设　式中：Ｈ　涵顶填土高度；　填土重度；　根据现场地形和施工条件，在涵中位置选择一断面，在拱顶　上部及外侧处共布置３个沉降标，编号分别为Ａ、ｌ｛、Ｃ。采用ｃＪ　－ｋ　根据Ｈ／Ｄ（Ｄ为涵洞外部宽度）确定的系数，而对经久　８２型钢尺沉降仪，主要由两部分组成，一是地下材料埋入部　钢尺　压实土ｋ取１．０。　分，由沉降管、底盖和沉降磁环组成；二是地面接受仪器　１．２《公路桥涵设计通用规范》　沉降仪。在填土夯实施工中埋设沉降管，每个沉降管分别在涵顶　填土高５ｍ、ｌＯｒｅ、１５ｍ和２０ｍ处垂直外套沉降磁环，以系统监测　（２）　公路规范中压实填土荷载的计算公式如下［。】：　竖向压力：Ｐｖ＝　Ｈ　涵洞上部填土的沉降量，在施工中应认真夯实沉降管周围填土　并达到设计压实度要求。沉降标平面布置详见图２。　２．３现场测试成果资料整理及分析　式中符号意义同（１）式。　２工程实例与分析　２．１工程概况　２．３．１　涵顶垂直土压力存在明显的“土拱卸荷效应”现象　该工程施工期历时近一年，监测设施保护得力，土压力盒测　金渝大道ｃ标段位于重庆市渝北区鸳鸯镇境内，为重庆市　主要交通干道之一，其里程桩号Ｋｌ３＋６６Ｏ～Ｋ１４＋６８Ｏ为填方路　基段。场地隶属于丘陵斜坡地貌，其冲沟发育，冲沟切割深度约　７０ｍ，基岩出露良好，以新田沟组的黄色砂岩和砂质泥岩为主，沟　心有残积层亚粘土分布，厚度１～４ｍ，无不良地质现象，场地稳　试数据准确可靠．且较为系统，能够有效反应涵顶垂直土压力情　况。其测试成果资料整理见表１。　为使涵顶垂直土压力数据更为直观，现将表１中的平均值绘　制成图３。　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｄｅｃ．２００６　西部探矿工程　ＮＯ．１２　５００．１ｌ　１（Ｘ　ｘ】　Ｉ　Ｉ（Ｘ　ｘ】　｝　１０００　，　４１）０．０　三　１。３～．．ｅ４　Ｊ　１］ｊ　』¨　３００．０　Ｉ　Ｉ　涵洞轴线　涵中　图１　涵顶土压力盒平面布置示意图（单ｆ　；ｃｍ）　一　』１　＿＿　　—Ｌ　５。　涵　０　＿Ｊ　ｏ　－　中　０　进　ｌｌ　／　　一一．．　．～口　７Ｂ　ｌ３Ｉ　暑…．＿一　出　口　涵洞轴线　０　０　一　鹭　富』ｃ己　三＇　０　…　０　图２沉降标平面布置示意图（单位：ｍｍ）　表ｌ　不同填土高度情况下涵顶垂直土压力　表１和图３表明，对于山区高填方涵顶垂直土压力，在填土　较低时接近理论值ＹＨ，而在填土较高时，产生了明显的“土拱卸　荷效应”．土压力小于理论值，理论值与实测值之差的土压力由土　拱“承担”，此土拱“支撑”于沟槽的岸坡上，岸坡承担了部分土压　力。　２．３．２涵顶上部轴线位置沉降大于拱侧沉降　在施工过程中，沉降仪可方便测得相应施工填土高度的土　层沉降量。现选取填土高度为４０ｍ时，距涵顶５ｍ、１０ｍ、１５ｍ和　２０ｍ高度处沉降标Ａ、ｔｊ、Ｃ的沉降量做分析，并绘制成图４。　图４表明，拱顶上部轴线Ｂ处沉降量明显大于涵洞两侧Ａ、　Ｃ处沉降量，但随填土高度的增加，拱顶与两侧沉降量差值逐渐　ｌＩ．０　壤｛　｛ｌｌ　图３涵顶垂直土压力１’随填土高度Ｈ变化示意图　Ｉ＿１　ｃｍ　—●ｒ一１　ｍ　—■一２Ｏｍ　Ａ　１３　（　　降标编号　图４填土高度为４０ｍ时涵顶上部填土沉降变形示意图　变小。由于涵洞及基础两侧具有刚度较大的基岩，致使上部填土　土层在拱顶范围内沉降变形大于两侧填土的沉降变形，填土土　层形成向上凹的曲面形式。　２．３．３涵顶上方“土拱”具有“不稳定性”特征　涵顶垂直土压力系数Ｋｖ（涵顶实测土压力平均值　填土自　重ＹＨ）是工程设计的一个重要指标值，直接关系到设计荷载的　取值大小。现根据垂直土压力盒平均值绘制成图５。　ｌ・２　蛊　ｌ　骚　。’。　Ｏ．６　酱　Ｏ．２　Ｏ　Ｏ　ｌＯ　２０　３０　４０　５０　６０　填土高　髓（ｍ｝　图５涵顶垂直土压力系数Ｋｖ随填土高度Ｈ变化示意图　图５表明，Ｋｖ随填土高度Ｈ的增加而减小；同时，图３　ｌｉ』．证　实了该“土拱”具有不稳定性，仍有部分土压力传递到涵顶上，使　涵顶上的土压力随填土高度增加而增大，但增大幅度随填土高　度的增大而减少，涵顶土压力曲线变得越来越平缓。这种“不稳　定性”是高填方涵洞上方“土拱”的一个重要特点。　２．３．４有利于施工流程促进了卸荷现象产生　（下转第７４页）　二ｌ　＂　；维普资讯 http://www.cqvip.com

西部探矿工程　Ｄｅｃ．２００６　Ｎｏ．１２　天然地基土的渗透系数和经压密注浆后的复合地基的渗透系数　对比，来了解压密注浆加固处理的效果和压密注浆检测加固处　理后渗透性能，参数见表２。　表２岩土渗透性分级　表３压水试验成果表　渗透系数ｋ（ｃｍ／ｓ）　ｋ＜１０　渗透性等级　极微透水　１０　≤ｋ＜１０　１０　≤ｋ＜ｌ０　微透水　弱透水　ｌＯ　≤ｋ＜ｌ０　２　ｌＯ　≤ｋ＜ｌｏ０　ｔ｝｜等透水　强透水　极强透水　ｋ≥１００　我们先用孔与孔中间部位或三孔的中心点，作为压水试验　的测试点（相对薄弱点），作为加固后渗透性能的分析材料，其本　身具有一定的安全系数。在施工后１５ｄ作了压水试验检测点次　４Ｏ次，部分结果如表３所示。　由表３明显可见，填土地基经压浆加固后，０．５ｍ以下填土地　基的渗透系数小于１０　ｃｍ／ｓ，查规范《ＧＢ５００２１—２００１》、　５结束语　（１）填土地基中压密注浆加固并非纯渗透注浆，而是渗透压　密、劈裂灌浆、填充和挤密相结合，并使其脱水固结，形成了浆脉　网络为骨架的复合地基，使土层整体结构得到加强，从而提高了　复合地基的力学强度和防渗性能。　《ＧＢ５０２８７－－９９》及其渗透系数小于１０　ｃｍ／ｓ，表明防渗性能有　（２）压密注浆在填土中的加固处理作用是明显的，效果是显　著的。由于该方法简单易行、快速、成本低、效果显著，故可推广　应用。　参考文献：　了明显的提高，满足了设计的要求，并经过合肥市市容局及安徽　省华夏建设监理公司的验收。　根据《注浆技术规范》，水泥的强度及防渗性能与龄期长短有　密切的关系，水泥加固强度及防渗性能应在２８ｄ后进行，而我们　检测的龄期为２Ｏｄ，但检测的结果已经满足了设计的要求。　［Ｉ］缱筑地　处　规范（ＪＧＪ７９—９１）［ｓ］．北京大学．１｝ｌ１日汁划山版礼　１９９８．　综上所述，压密注浆在浅层填土地基防渗加固处理上是有　效的，而且处理效果比较显著。　（上接第７２页）　Ｅ２Ｊ地坫处胖手册（第１版）［Ｍ］．１｝】　建筑工业｝Ｉ』版｝上，２０００．　导与建议也更为合理。　（１）对于山区高填方拱涵，具有明显的“土拱卸荷效应”和“不　在施工初期，由于强夯措施具有吨位大，能量高的特点，为了　４结论　不直接给涵洞结构物造成不利影响甚至破坏，在涵顶１５ｍ填土　高度范围内采用一般方式进行碾压夯实，而两侧填土进行强夯，　一稳定性”特征，影响其拱顶垂直土压力系数Ｋｖ因素很多，主要包　线性土压力公式中的回归系数将因工程条件不同而各异；　（２）为了更好地利用涵顶土压力应力卸荷现象，可以采取中松侧　填土压实度、边坡坡度、拱涵位置、拱涵尺寸等等，非　客观上造成了拱顶沉降大于两侧沉降，有利于“土拱”的形成，进　括施工工艺、步促进了卸荷现象的产生。　３非线性土压力计算公式与规范比较　使涵洞拱顶填土的压实度小于其两侧填土的压实度。　文献［４］表明，涵顶垂直土压力与填土高度呈非线性关系，可　实的处理方法，Ｌ两侧部分填土；或者在涵洞顶部　采用以下数学模型计算高填方涵洞的涵顶垂直土压力，即高填方　在施工回填过程中应认真夯实填：铺筑柔性材料等减压措施，以期达到减小洞顶土压力的目的；　涵洞的非线性土压力计算公式：　ｏ一∈７Ｈ…　（３）　（３）在实际工程中，应尽量选用天然沟谷地形埋设涵洞，沟谷　地形对涵洞洞顶的土压力能起到明显的减荷作用。　参考文献：　利：，２００２．　式中：∈，ｎ　回归系数；其余符号意义同（１）式。　利用数值回归分析方法，求得回归系数∈一１．８２０３，Ｉｎ一　０．６２１２，相关系数ｒ一０．９９８２。　］铁路桥涵设计基奉规范（ＴＢＩ　０００２．１—１９９９）［ｓ］．北京：铁道出版　利用非线性、铁路规范与公路规范公式分别计算拱顶垂直土　［１压力．计算结果表明，拱顶垂直土压力随填土高度增加而增大，公　路规范呈线性增加，铁路规范计算值较公路规范更大，而非线性　ｔ　Ｊ计算公式值最小。现场测试情况表明，公路规范和铁路规　范计算值大于实测值，随填土高度的增加差值愈大，利用上述两　［２］公路桥涵设计通用规范（Ｊ　Ｉ１Ｊ　Ｉ）６０—２００４）Ｉｓ］．ＪＥ　：交通Ｈｊ版礼，　２００４．　ＩＳ］顺安全．｝：埋式管道及涮窒垂　土　１９８１（１）．　的研究ＬＪ］．　土ｊ：程学报，　种规范计算山区高填涵顶垂直土压力而进行设计均将造成不必　［１］杨锡武．山区公路高填　涵涮ｚｔ－Ｊｔ；ＪＪＮ论及ＪＪＩｌ筋减戟研究［Ｉ）：】．承庆　要的浪费；而本文计算公式与实测值更吻合，对设计和施工的指　大学博｝：沦义，２００４．