路基中涵洞结构物受土压力作用机理分析

内蒙古公路与运输

Highways&TransportationinInnerMongolia

17路基中涵洞结构物受土压力作用机理分析

冯忠居

(西安公路交通大学岩土工程研究所,　西安　710064)

【摘　要】　在对路基中涵洞结构物土压力作用机理分析的基础上,从涵洞结构物合理受力与安全使用角度出发,提出对涵洞结构物施工工艺的改进措施,以供技术人员在公路涵洞设计和施工中参考。

【关键词】　涵洞结构力;土压力;刚性地基;等沉面

　　Abstract:Onthebasisofmechanismanalysisoftheculvertstructureagainsttheearthpressureinhighway

subgrade,inariewofreasonableforceandsafetyapplicationoftheculvertstructure,thispaperputforwordssomeimprovementmeasuresforimprovingconstructiontechnologyofculvertstructures,withreferenceinthedesignandconstructionofthehighwayculvert.

Keywords:culvertstructure;earthpressure;rigidfoundationbed;equaldepositsurface

　　随着我国公路建设投资的不断加大和公路等级的提高,公路路基中涵洞结构物所占的比重越来越大。就已修建的涵洞结构物而言,大约平均3座󰃗km。为确保涵洞结构物上的安全使用,合理设计涵洞结构物的关键在于准确地确定作用于结构物上的土压力和合理处理涵洞结构物所在地基。这就要求首先对涵洞结构物的受力机理进行分析。现行涵洞结构物的设计和施工规范均存在缺陷。由于设计过分保守而造成浪费,或则由于对作用于涵洞上土压力计算偏小而使结构物纵向开裂和破坏,从而严重影响了行车的安全与舒适及人们对现行公路的总体评价。

鉴于目前公路路基中高填土下涵洞结构物修建日益增多,本文拟对涵洞结构物受土压力作用机理进行分析并探讨合理的施工工艺。

1　高填土路基中涵洞结构物破坏现象的调查与分析

影响涵洞结构物设计计算及合理施工方法的主要因素有:①地形条件;②涵洞本身的刚度;③基础的刚度;④地基的刚度;⑤涵洞截面形状与凸出地面的高度;⑥填土高度;⑦填土性质;⑧施工方法。许多学者都曾从不同的角度分析了这些因素对涵洞结构物上土压力大小的影响。并提出对于上埋式涵洞可以通过涵洞顶面上内外土桩间的沉降差来综合反映各种因素对土压力的影响,提出了较合理的计算方法。然而,施工中如何合理处理地基,以防止或降低涵洞产生开裂,至今还没有系统的研究成果。2　涵洞结构物的受土压力作用机理分析211　涵洞结构物受土压力作用机理

涵洞的埋设方式,大致分为上埋式、沟埋式二种。埋设方式不同,其受力情况和涵洞上土压力的计算方法也不同。在实际工程中,由于埋设涵洞的地形、环境与要求不同,可能采用沟埋式,也可能采用上埋式,还可能埋设在狭窄的天然冲沟内。对典型的沟埋式涵洞,当沟槽内填土固结下沉时,必然遇到两侧未扰动土体的阻抗作用,亦即槽壁将对填土部分产生向上的摩阻

力(剪力),使涵洞填土中产生拱效应。由于涵洞的刚度大于填土的刚度,加之涵洞侧向回填土不易密实,导致涵洞顶土体应力集中。所以,沟埋式涵洞土压力将受到两个不同方面的制约。对于上埋式涵洞,由于其与两侧填土变形性质的差别,使得两侧填土相对于洞顶内土桩产生向下的相对位移。在洞顶平面上内外土桩间产生正的沉降差,从而导致洞顶土体应力集中,使洞顶土压力大于土柱压力。

根据目前涵洞的使用情况及设计和施工技术人员反映的实际情况,结合现场的调查资料,运营中约有6315%的涵洞出现裂缝,其中70%又是纵向开裂。从

统计结果来看,涵洞顶填土愈高,涵洞凸出地面的高度愈大,涵洞跨度越大,则开裂的比例越大。对涵洞地基处理越好,涵洞开裂的反而越多,即地基承载力越高,变形越小,开裂的越多。对于软土上修筑涵洞的地基,若用桩基础处理,几乎所有涵洞均出现裂缝甚至破坏,不能正常使用。对涵洞的侧向填土压实不够,涵洞开裂的比例也较大。从设计和施工方面分析涵洞破坏的原因,可以说就是由于对作用于结构物上土压力计算不合理及地基处理不当造成的。

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18内蒙古公路与运输

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2000年第1期

冲沟地形中埋设结构物的情况如图1所示。对于这种情况,若坡角(沟坡与地面的夹角)Α=90°,而沟底宽B从小到大变化,或者沟底宽B为一较小的定值,而坡角Α从90°到0°变化,便可反映出涵洞从典型的沟埋式逐渐变化成典型的上埋式的一系列过渡情况的地形条件。因此,沟埋式和上埋式的地形条件可以看作是沟谷地形的两种特殊形式。对于图1所示的埋设涵洞结构物,沟坡具有阻止外土柱固结下沉的效应。由于沟坡影响一直延伸到填土表面,使内土桩相对于外土桩有下移趋势,外土柱通过与内土柱的交接处(实际上是通过土粒间的摩阻力传递的)对内土柱产生一种向上的摩阻力。这就使内土柱重量不致全部传递到涵洞上。另一方面,涵洞侧向填土也要产生压缩变形,使涵洞顶平面产生沉降差;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。

涵洞施工中冲沟边坡应予以充分保留,并严格按照设计要求回填。否则,将会导致涵洞顶土压力的增大或出现偏载现象。

312　采取减荷措施

在涵洞顶部采取铺筑柔性材料的减压措施,可以大大减小土压力,还可以改善涵洞周围土压力分布,改善结构物的受力。这种方法对于高等级公路高填土中埋设的涵洞将更具有实际意义。313　中松侧实法

根据涵洞顶土体的变形机理,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,从而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。事实上,为使路基填土压实质量及其统一标准,在涵洞施工时也可以不改变填土的压实度,而通过增加涵洞侧墙的高度使洞顶填土在变形中将一部分重量转移到侧墙,减小涵洞结构物上的土压力作用。314　地基的处理

对于公路路基中埋设涵洞结构物的地基处理,不能按照其他结构物地基的处理方法来套用,而应根据实际情况确定。对地基进行适当的处理,允许地基在运营中有适量的变形,以减弱作用在涵洞顶上的土压力,使涵洞结构物不会出现开裂现象,同时也使洞顶路面结构受到保护,相对减弱跳车病害。4　工程实例411　工程概况

图1　涵洞结构物受土压力作用机理分析示意图

212　地基处理方法引起涵洞开裂的原因

综上所述,如果地基刚度越大,涵洞地基在受到填土压力作用下产生的变形越小,从而使真正作用在涵洞上的土压力增大;如果地基刚度减小,涵洞地基受到填土压力作用后产生的变形就会增大,从而使真正作用在涵洞上的土压力减小。所以,综合考虑涵洞结构物承受荷载合理与否、设计计算时采用的荷载是否真实以及地基处理情况,将是解决大量涵洞开裂的重要依据。一般认为,地基处理越好,涵洞结构物就越安全,实践证明不完全如此。从工程应用角度来讲,采用合理的设计与施工方法才是重要的。

3　确保路基中涵洞结构物合理受力的有效措施311　利用天然冲沟地形

在太原东山过境高速公路k10+841处有一涵洞,圆弧型涵高为210m,宽210m。圆弧拱采用30#混凝土,涵墙及其涵底均采用C20混凝土(含25%的片石)。涵洞顶填土高度为5417m,属于公路建设中罕见的高填方路基中的涵洞。涵洞结构设计荷载,采用土压力集中系数法,考虑到结构上填土较高的情况,根据已有的经验相应提高安全系数。412　涵洞运营状况调查

涵洞竣工后,经几年来的现场观察,涵洞顶路面与填土至今未发现变形,本身未出现任何裂缝。仅靠近北出口处涵底基础局部出现微小裂缝。究其原因,认为涵位地下水位较高,施工时对地基作特殊处理。

在我国公路路基中修筑涵洞结构物破坏率普遍较高的情况下,太原东山过境高速公路中高填方中的涵洞却相当安全地运营,表明冲沟地形边坡起了一定的减压作用,同时在施工中工程技术人员又采取了合理而有效的措施,严格控制施工质量。

在天然冲沟中埋设涵洞结构物,其边坡对涵洞的受力具有明显的减荷作用。这种作用随路基填土的压实程度和碾压机械的动力效应的增强而减弱。所以,在

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总第63期

内蒙古公路与运输

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19FDN-2减水剂在桥梁混凝土中的应用

刘　坚　贾殿成

(内蒙古乌兰察布盟公路勘察设计院,　集宁　012000)

【摘　要】　介绍FDN-2减水剂的功能及使用效果,并通过工程实例说明其对混凝土性能及强度的影响。【关键词】　减水剂;坍落度;强度

　　在高等级公路桥梁施工中,为了满足混凝土设计强度和拟定的坍落度,确保混凝土质量,常采用性能好

的高效能减水剂,如萘系FDN-2型等。本文结合工程实践介绍FDN-2型的性能及对混凝土桥梁的影响。

1　萘系减水剂的功能

以萘为主要原料,经磺化、缩合、中和而成。如VF、UVF、FDN、NNO型号均属萘系高效减水剂的范畴,其功能及特点是:

①减水效能高。掺高效减水剂的混凝土,可以大幅度地减少混凝土用水量。使用FDN-2型减水剂,减水率为25%左右,从而能显著改善混凝土各项物理力学性能,如分散避免凝聚的功能,加以在混凝土使用后引气性很小或不引气,这就促进了混凝土早强和高强,尤其适于配制C50强度等级以上的混凝土和灌注桩、泵送流态混凝土。②缓凝和引气作用较小。可以采用较大剂量,掺量可达混凝土的115%。FDN-2型高效减水剂属于一种表面活性物质。在混凝土拌和物中具有吸附、分散、湿润和润滑作用,因而能显著地改善混凝土拌和物的工作性。5　结论

③流态化效果好。使用高效减水剂可以制备流动性特别好的流态混凝土。即使采用普通混凝土的水灰比,拌制出的混凝土坍落度大,却不发生泌水和离析现象,不加振捣就可以进行浇筑。掺高效FDN-2型减水剂的混凝土坍落度达20～22cm时,泌水量仅为基准混凝土的20%左右。这就为制作大型和断面复杂结构物以及采用泵送混凝土等施工新工艺提供了有利条件,从而使施工方便省力,工效高,且工程造价低。掺有FDN-2型减水剂的混凝土的凝结时间比基准混凝土稍有延缓,但弹性模量、干缩性方面与基准混凝土大体相同。

2　高效减水剂对水泥的适应性

我国水泥品种多,其矿物组成较复杂,不同类型的外加剂对不同矿物组成的水泥有着不同的适应性,水泥及其组成矿物对高效减水剂的吸附量的次序如下:

C3A>煤矸石>C3S>矿渣

根据试验,FDN-2型高效减水剂掺入硅酸盐水泥和普通硅酸水泥中后使用效果最好。3　高效减水剂对混凝土性能及强度影响

实例1:以金沟河大桥预应力T梁施工为例,混凝土设计强度50MPa,采用天山牌P・0525R水泥,要

[1]顾安全1上埋式管道及洞室垂直土压力的研究1岩土工程学报,

1981,(1)1

[2]冯忠居1大型沟埋式蛋型管道土压力的非线性有限元分析1西安

①对于不同地形地质条件下修筑涵洞结构物,应从结构物受土压力作用机理出发,采取相应的有利于结构物受力的措施,宜采用固定模式进行设计和施工。否则,涵洞结构很容易产生裂缝、变形甚至破坏。②采用“中松侧实法”时应注意填土较高的情况,而“松”和“实”是相对的,“松”是为保证填土达到路基填土所要求的最低压实标准。否则,只顾减小涵洞洞顶上的土压力,却使填土在自重和外载作用下产生过大的变形,影响公路的正常运营。

6　参考文献

公路交通大学学报,1996,(4)1

[3]折学森1路基涵洞的土压力计算1中国公路学报,1992,(3)1[4]林选青1高填土下结构物的竖向土压力及结构设计计算方法1土

木工程学报,1989,(4)1

[5]冯忠居,黄安录1高等级公路中地下结构物上土压力的有限元分析

1西安公路交通大学学报,1998,(4(B))1

[6]太原东山过境高速公路高填土路基现场试验资料119971

(编辑　柴金义)

原稿收稿日期:1999-11-23　修改稿收稿日期:2000-02-03

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