高填方涵洞加筋减载的现场试验研究

马 强 ，郑俊杰，张 军

（1. 湖北工业大学 土木工程与建筑学院，武汉 430068；2. 华中科技大学 岩土与地下工程研究所，武汉 430074）

1 引 言

黄土地区沟壑纵横，在黄土地区的高速公路建设中，高填方涵洞应用相对较多。高填方涵洞通常承受较大的填土荷载，由于其埋深较大，其受力特性有别于一般构筑物。自上个世纪初开始，许多学者对深埋结构的受力与变形特性进行了广泛地分析和讨论。Marston 等[1]的研究结果表明，柔性管道上部垂直土压力小于其上覆土体自重，而刚性管涵上的垂直压力大于其上覆土柱体自重，并指出了管道与填土的相对刚度对涵洞的受力特性具有一定的影响。Sprangler[2]对管道采用先填后挖减载方法进行了试验研究，并得出管道垂直土压力与管道上方内外土柱体之间的相对沉降有关的结论。顾安全[3]通过室内模型试验，研究了在涵顶铺筑松土、谷壳、稻草等作为柔性填料的减载效果，并推导了上埋式涵洞垂直土压力计算表达式。Bennett 等[4]和Abhijit等[5]通过一系列模型试验，对涵洞的变形、应力和应变进行了测量和比较。上述学者以及Hoeg[6]和Penman 等[7]的测试成果都表明，刚性涵洞结构顶部的土压力比其上覆土柱体自重约大50%～100%。

Stone 等[8]和Okabayashi等[9]利用离心模型试验研究了箱涵上覆轻质和柔性填料时的受力与变形特性，对涵体弯矩和变形的测试结果验证了上覆轻质填料的减载作用。Dancygier 等[10]研究了深埋管道上方设置柔性区时，填土与柔性材料之间的相互作用的机制，并通过系列模型试验得到了减载效果最佳的柔性区域的尺寸及布置方式。Sun 等[11]应用有限元方法分析了深埋结构上覆轻质发泡材料时的应力和变形。王晓谋等[12]以相似理论为基础，用海绵模拟柔性填料铺设在涵顶进行室内模型试验，推导了涵顶铺设柔性填料情况下的土压力计算公式。Vaslestad 等[13]在2 个足尺涵洞顶部开挖减载孔并回填超轻聚苯乙烯块，研究了涵洞长期受力特性及柔性材料的长期减载效果，由于聚苯乙烯材料成本较高，制约了其在高速公路工程中的应用。Lee 等[14]通过试验研究了涵顶采用废旧轮胎作为轻质回填材料的涵顶减载效果。马强等[15]利用数值模拟对中松侧实、柔性填料、先填后挖等减载措施对涵顶土压力的影响进行了分析。上述研究表明，可压缩材料作为回填材料能够减小涵顶受到的土压力。综上所述，由于可压缩材料的本构关系不明确或长期性能不稳定，或者工程造价太高，大大限制了这些减载措施的应用。为此，杨锡武等[16]提出了在柔性填料上方铺设加筋材料的加筋桥减载法，并通过系列模型试验对其减载效果进行了分析。

目前，国内外尚没有比较完整的加筋桥减载法处理高填方涵洞的现场试验的相关报道。现场测试结果的匮乏制约了加筋桥减载法地推广和应用。本文的主要目的是通过对现场实测结果的分析来研究高填方涵洞上覆土压力的分布及变化规律，为涵顶设置加筋桥的高填方涵洞的设计和土压力计算理论研究提供参考和依据。

2 涵洞加筋桥减载的原理

要对涵洞进行有效的减载，应当先弄清楚涵洞-填土的相互工作机制[17]。

2.1 涵洞-填土相互作用

图1 为涵洞-填土共同工作机制示意图[18]。图中 M11、M12和 M13为涵顶路堤填土的质量，M22为涵洞的质量，M21和 M23为涵洞台背填土质量。K11、K12和 K13为涵顶路堤填土的刚度，K22为涵洞刚度，K21和 K23为涵洞台背填土刚度， τ1、τ2表示涵顶内、外土柱体之间的摩擦力（或剪切力）。

由图1 可知，由于涵洞刚度 K22大于涵洞台背填土刚度 K21和 K23，使得 M11和 M13的竖向位移大于 M12的竖向位移。则作用在涵顶上的土压力不仅仅是上覆土柱体重量 12M g ，还有涵顶上部内、外土柱体之间的剪力传递，则作用在涵顶的实际土压力为

由以上分析可知，一般情况下涵顶土压力大于其上覆土柱体重量。由图1 可以看出，涵洞与其台背填土的刚度差异越大，21M （或 23M ）与 22M 之间的差异沉降越大，1τ 和2τ 也随之增大，由式（1）可知，涵顶土压力也将增大。

图1 涵洞-填土作用机制示意图 Fig.1 Mechanism of culvert-filling interaction

2.2 涵洞减载原理

如图2 所示，在高填方路堤下采用人工措施减小涵顶上方填土的刚度（12K′12K＜ ），可减小涵顶内外土柱体之间的沉降差，甚至使涵顶内土柱体的沉降量略大于外土柱体的沉降量，可以减小内、外土柱体之间的剪应力1τ 和2τ ，甚至使内、外土柱体之间的剪应力1τ 和2τ 反向，将作用在涵洞顶部的填土荷载转移到涵洞台背填土上，以达到减小涵顶填土荷载的目的。

图2 涵洞减载原理示意 Fig.2 Mechanism of load reduction of culvert

2.3 加筋桥减载法

加筋桥减载法[16]就是在涵顶上方一定宽度和高度范围内铺填压实度较小的松散土体或柔性填料，形成一个柔性减载孔来增大涵顶上方土柱体的沉降，但为了避免减载孔内的松土或柔性填料引起过量沉降，在减载孔上方铺设一层或多层土工格栅，并在其上填土压密，格栅两端锚固在两侧密实土层中，形成加筋桥，如图3 所示。

在涵顶采用加筋桥减载法时应当保证涵顶松散填土顶部的沉降 s1大于同一平面涵顶两侧填土沉降s2，即内、外土柱体之间的沉降差：Δ s = (s1- s2) ＞ 0。加筋桥减载法可以通过2 种方式将涵顶内土柱体的自重荷载传递到外土柱体：（1）在填土自重作用下，涵顶松散填土会发生较大的沉降，从而通过内、外土柱体接触面上的剪切力将涵顶上方土柱体自重向涵顶两侧土柱体转移；（2）埋设于涵顶减载孔上方的格栅或其他加筋材料，通过“提兜效应”部分承担作用于涵顶上的垂直土压力，并将这部分荷载转移到外土柱体上，从而进一步减小涵顶土压力。

图3 涵洞加筋桥减载法示意图 Fig.3 Load reduction by imperfect ditch covered with geogrid

3 现场试验

3.1 工程概况

长（治）安（阳）高速公路的长治－平顺段位于山西省东南部，公路沿途地貌单元主要为黄土覆盖构造剥蚀基岩低中山区、陶清河山间凹陷区、冲积平原区。本试验段涵洞位于长治－平顺高速公路第11 合同段。涵洞所在区域地貌类型主要为丘陵地貌，公路沿线存在的特殊性岩土主要为湿陷性黄土，岩性一般为粉土，少数为粉质黏土。年降水量一般在537.4～656.7 mm，地质勘察范围内未发现地下水。

3.2 现场试验设计

现场试验以桩号为MHK42＋059 处的高填方混凝土拱涵为测试对象，该涵洞总长为89.52 m，高度为6.35 m，顶部宽度为7.0 m，基础宽度为 9.65 m，净宽为3.0 m。涵洞上方最大填土高度为17.2 m，基底平面沟谷宽度约为31.6 m，涵洞轴线距离左侧岸坡约为10.6 m，边坡坡角接近90°，涵洞轴线距离右侧岸坡约为21 m，边坡坡角接近90°，该涵洞为典型的宽胸腔非对称沟埋式涵洞。本试验结合该拱涵结构，在涵顶采用加筋桥减载措施，通过在涵顶不同位置布设振弦式土压力盒测试涵洞的受力状态及受力变化规律。

涵洞路段具体施工步骤为：①涵洞结构施工完成后，在涵洞两侧分层填土并反复碾压，直至填土高度达到预设格栅所在高程；②在涵顶上方，沿涵洞轴线将填土开挖并清除，形成一宽度为7 m 而高度渐变的沟槽；③在涵顶上方的沟槽中回填重度约为14.8 kN/m3的松散煤渣，直至预设格栅所在高程；④在松散煤渣顶部铺设新型三向格栅，而后分层填土并压实。现场试验测试断面及测点布置如图4 所示。

图4 现场测试断面（单位：cm） Fig.4 Sketch of culvert sections (unit: cm)

如图4 所示，路堤顶面宽度为30 m，现场测试的4 个断面分别位于路肩及距路肩10 m 对应的涵洞节段，4 个断面的减载孔高度分别为2.0、1.5、1.0、0.5 m。在涵顶上方及格栅上、下分层埋设土压力盒来测试不同填土高度的涵顶垂直土压力，通过对称布置土压力盒，研究土压力变化规律和偏载效应[19]。各测试断面土压力盒布置如图5 所示。

在施工过程中，对4 个断面涵顶土压力进行连续观测，测试之初有2 个土压力盒（48063，63034）失效。主要测试成果绘于图6～11 中。（注：图中的填土高度均为格栅上方填土的高度）

图6 的曲线反映了1-1 断面格栅下表面处土压力随填土高度的变化规律。由图6 看出，由于涵洞上方布置了减载孔，其中回填材料的模量远小于其两侧密实填土，减载孔两侧土体的压缩量小于涵洞上方减载孔的压缩量，从而在格栅平面处，内外土柱体之间产生正的沉降差，通过内、外土柱体之间的摩擦与剪切作用以及格栅的“提兜作用”，涵顶上部填土压力向涵洞两侧土体转移，缓解了涵顶土压力集中现象，使涵洞上方土压力小于线性土压力。同时在涵洞轴线左右3.75 m 处，土压力显著增大，随着到涵洞轴线距离的增加，涵顶两侧土压力逐渐减小而趋于上覆土柱自重。此外，由于在1-1 断面处涵洞轴线到左右边坡的距离分别为10.6、21.0 m，涵顶土压力出现偏载效应，即距离边坡较远的一侧的土压力大于距离边坡较近一侧的土压力，实测填土完成时1-1 断面左右两侧应力差值为93 kPa。偏载效应会导致涵台外某一侧的土压力过大，从而导致地基产生不均匀沉陷，引起结构物开裂。涵洞设计和施工过程中，应重视偏载效应对结构内力的影响。

图5 现场测点布置（单位：cm） Fig.5 Layout of earth pressure cells (unit: cm)

图6 格栅下表面处的土压力（1-1 断面） Fig.6 Distributions of earth pressure below the geogrid of section 1-1

图7 格栅上表面处的土压力（1-1 断面） Fig.7 Distributions of earth pressure above the geogrid of section 1-1

在格栅上表面处，涵顶及其外侧土压力分布规律如图7 所示。图中的测试成果同样表明，内、外土柱体之间的摩擦与剪切作用将涵顶上部填土压力向涵洞两侧土体转移，降低了涵顶土压力集中程度，使涵顶土压力小于上覆土体自重。此外，由图可以看到，当填土高度为2.8 m 时，格栅上表面各处土压力相差不大。随着填土高度的增加，减载孔外侧距离涵洞轴线3.75 m 处土压力开始增大。随着填土高度进一步增大至12.0 m 后，减载孔外侧距离涵洞轴线7.25 m 处的土压力开始增大。由此可见，涵洞上方土柱体之间的剪力随着填土高度的增加逐渐向远离涵轴处扩散。

比较图6、7 可以看出，格栅上、下表面处土压力并不相等。涵洞轴线处格栅上表面土压力略大于其下表面土压力，而在距离涵洞轴线3.75 m 处，格栅下表面土压力略大于其上表面的土压力。格栅上、下表面的土压力相差10%左右，证明了格栅的“提兜作用”可以减小涵顶压力，使减载效率提高10%左右。

图8 为4-4 断面格栅上表面处的土压力，通过与图7 的对比可以看出，相同填土高时，4-4 断面涵洞轴线上方土压力大于1-1 断面，而减载孔两侧土压力小于1-1 断面。4-4 断面减载孔高度仅有 0.5 m，而1-1 断面减载孔高度为2.0 m，因此，较高的减载孔有利于提高涵顶荷载转移的效率。

图8 格栅上表面处的土压力（4-4 断面） Fig.8 Distributions of earth pressure above the geogrid of section 4-4

沿涵洞轴线，涵顶处土压力随填土高度的变化规律如图9 所示。（土柱法为文献[20]推荐的线性土压力计算方法，其大小为涵洞上覆土体自重。）

图9 涵顶轴线处涵顶土压力 Fig.9 Earth pressure along the axial of culvert on the crown

由图9 可知，涵顶平面垂直土压力随着填土荷载的增加而呈非线性增加。实测1-1 与2-2 断面涵顶土压力均小于其上覆土柱体自重。实测4-4 断面涵顶土压力在填土之初略小于土柱法计算结果，当填土高度为5.8～9.2 m 时，涵顶压力增长速率增大，略大于线性土压力，而后随着填土高度进一步增加，涵顶压力增长速率又逐渐减小，涵顶压力又逐渐小于线性土压力计算结果。产生这一现象的原因是4-4 断面减载孔高度较小（0.5 m），在填土过程中逐渐被压实，继续填土，不能再起到减载作用，而引起涵顶土压力增大，并大于线性土压力计算结果。而当填土高度大于一定高度（9.2 m）以后，岸坡对填土的摩擦作用逐渐表现出来，从而又使涵顶上方的土压力减小。由图6 中1-1 断面测试成果可知，距离岸坡较近的一侧，涵顶外侧的土压力较小，这也是岸坡和涵洞上方填土之间的摩阻力作用的结果。

从图9 也可以看出，在相同填土高度时，1-1断面涵顶土压力最小，4-4 断面涵顶土压力最大。填土高于9.2 m 以后，1-1 断面土压力比4-4 断面小40%左右。由此可知，涵顶减载效果与减载孔高度密切相关，不同的减载孔高度对涵洞减载效果有较大的影响，减载孔高度越高，减载效果越明显。

沿涵洞轴线，格栅下、上表面的土压力随填土高度的变化规律如图10、11 所示。

由图10 可以看出1-1 和2-2 断面格栅下表面土压力实测值均小于按线性土压力理论（土柱法）计算的结果。3-3 与4-4 断面格栅下表面土压力实测结果与线性土压力理论计算结果较为接近。在填土高度大于6.3 m 以后，由于减载孔填料被逐渐压密，3-3 和4-4 断面的格栅上方填土压力增长速率有所增大。

图9 中各断面处土压力均大于图10 中的土压力，这部分差值是由减载孔中松散填料自重引起的。

图10 涵洞轴线处格栅下表面土压力 Fig.10 Earth pressure below the geogrid along the axial of culvert

由图11 可以看出，格栅上表面处土压力随填土荷载的增加呈非线性增加。通过与图10 结果进行对比可以看出，在减载孔上方格栅上表面压力要大于格栅下表面的压力。而由图6、7 的比较可以看出，在减载孔两侧，格栅上表面处的压力小于格栅下表面处的压力。这表明在减载孔上方铺设格栅，格栅具有“提兜效应”，将减载孔上的土压力向其两侧转移，从而减小涵顶所受的土压力。

图11 涵洞轴线处格栅上表面土压力 Fig.11 Earth pressure above the geogrid along the axial of culvert

4 结 论

（1）在涵顶采用加筋桥减载改变了涵洞上方的土压力分布，将原来集中于涵洞上方的荷载通过内外土柱之间的摩擦传递到涵顶两侧，使作用于涵顶上方的土压力向涵台外侧转移，从而减小了涵顶应力，达到减载的目的。

（2）减载孔上方铺设的格栅具有“提兜效应”，使涵顶上方土压力更加有效地转移至涵顶两侧，进一步减小涵顶压力。此外由于格栅具有加筋作用，铺设格栅可避免因松散填料长期变形引起的路面工后不均匀沉降。

（3）涵顶减载效果与减载孔高度密切相关，不同的减载孔高度对涵洞减载效果有较大的影响，减载孔高度越高，减载效果越明显。为取得较好的减载效果，可以考虑增大减载孔高度，但过高的减载孔高度又可能引起上部土柱体过大的沉降，因此，在涵顶减载孔尺寸确定时应当综合考虑减载效率及其对路堤沉降的影响。

（4）涵洞距离两侧岸坡不相等时，距离岸坡较近一侧的土压力小于远离岸坡一侧的土压力，从而产生“偏载效应”。其效应可能引起不均匀沉降和结构受力不均，故在涵洞选址与设计时应考虑“偏载效应”的不利影响。

高填方涵洞采用加筋桥减载措施后涵顶土压力随填土呈非线性增长的规律，也证实了加筋桥减载法的有效性，现场测试成果为高填方涵洞加筋减载的设计和土压力计算提供了试验依据。加筋桥减载将涵顶土压力传递到涵台外，增加了涵台外的土压力，涵台外土压力的增加对涵洞受力的影响有待进一步研究。

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