高填土涵洞的EPS减荷技术及应用分析

摘要：本文通过对EPS材料特点和物理力学特性的分析，指出EPS用于高填方涵洞减荷材料的工程可行性，并以广东云罗高速公路双凤至榃滨段高填土路堤涵洞为例，分析了EPS材料在高填土路堤涵洞中的设计和施工，并根据现场测试的结果来评定EPS的压缩变形和力学特性，验证EPS减荷技术的应用效果。

关键词：高填土；涵洞；EPS；应用

Abstract: This paper analysis the characteristics and physical and mechanical properties of EPS material, pointed out the engineering feasibility of EPS materials for high embankment culverts offloading, and as the example of high embankment culverts in the segment of Guangdong freeway from Yun Luo Bin Tan to Shuangfeng, analysis of the EPS material in the high embankment culverts in the design and construction, and evaluate the compression and mechanical properties on EPS according to the results of field tests, verify the application Effect of offload technology.

Key words: high filling; culvert; EPS; application

中图分类号：U449 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

近年来，由于国家对土地的严格控制，山区机场建设项目越来越多。机场不可避免地需要跨越峡谷深沟。为了使机场免受洪水威胁，同时减少机场对山区环境的影响，一般需要在冲沟处设置涵洞。以西宁曹家堡机场为例，一期建设工程中建设的两条穿场区的钢筋混凝土双孔箱涵，涵顶填土高度约20m，二期扩建工程中对上述两条涵洞进行了延长，并新建两条涵洞，涵顶最大填土高度约30m。

公路领域通常将填土高度超过20m的路堤称为高路堤，但从土压力和结构设计角度来看，将填土高度超过14m的涵洞就认为是高填方涵洞[2]。涵洞受到填土作用的垂直土压力随着填土高度的增加而增大，导致高填土路堤涵洞需要承受巨大的土压力，使得涵洞的结构尺寸及配筋量非常大。为了减小涵洞的结构尺寸，目前公路领域通常采用在涵顶铺设高压缩性材料等方面来减小涵洞的土压力，而在涵洞顶部铺设高压缩性的EPS减荷材料是最方便和有效的方式。

由于民航对行安全的高度重视，因此EPS减荷材料在民航机场中尚未进行大规模试验。本文主要以公路高填土路堤涵洞为例，介绍EPS材料的设计和施工，并对EPS材料的受力特性进行分析，为EPS材料在机场建设领域的推广提供参考。

1 EPS材料的工程应用性能

1.1 EPS材料的特点

EPS是由聚苯乙烯颗粒在加热条件下发泡而成的一种轻型硬质闭孔结构的高分子聚合材料，其具有一定的结构强度，而且具有压缩变形大、保温隔热性能好、生产工艺简单、价格低等特点，在土木工程建设中应用广泛，也是高填方路堤下涵洞减荷的良好材料[3]。将EPS板作为减荷层用于高填方路堤涵洞的建设中，可以充分发挥其压缩变形大的特点。

EPS板的密度一般在10~40kg/m3，公路用EPS板密度一般为20kg/m3，不足普通填料密度的1/50，将其用作轻质填料，可有效减小路基的固结沉降。EPS高分子聚合材料在紫外线照射下容易老化，但在水和土中其化学性质却十分稳定，不容易被微生物分解，在工程中废弃的EPS板应及时回收和循环利用，从而减少对环境的污染。EPS板在加热条件下发泡而成的，具有一定的吸水性，但吸水率不高，用于高填方路堤涵洞中不会影响土基的含水率。EPS板的热稳定性较好，在80℃以下可以正常使用，封闭空腔结构决定了其具有优良的隔热性能，在寒冷地区可用作道路工程的隔热层，减少冰冻对道路的影响。

1.2 EPS材料的物理力学特性

EPS材料由封闭的多孔颗粒胶结而成，作为一种路堤轻质填料必须具有一定的结构强度，在EPS材料的压缩变形过程中表现出粘弹性特性，其变形通常会分为线弹性阶段、塑性阶段和硬化阶段等三个阶段[4]。当填土高度较小时，EPS材料的变形量很小，表现出弹性变形特征；随着填土高度的增加，EPS材料会产生屈曲，空腔结构会逐渐破坏，从而进入塑性阶段，并产生较大的压缩变形；当填土高度继续增加，EPS材料的空腔结构会完全破坏，材料变得十分密实，并进入硬化阶段。EPS板作为一种热塑性材料，其在使用过程中具有明显的蠕变和松弛现象，可以通过室内三轴压缩试验来分析其应力-应变特性。

2 EPS减荷技术在高填方路堤涵洞工程中的应用

2.1 工程概况

广东云浮至罗定高速公路在双凤至榃滨段的K34+000～K54+970有高填方路堤21处，累计达2824.5m。该路段沿线以侵蚀丘陵为主，地形起伏较大。项目区河流多发源于大云雾山、云开大山及其余脉，略呈辐射状，多直接或间接汇入西江。路线区属亚热带季风气候，气候温和、雨量充沛。因此，为保证水流畅通和行人的通行设置了大量的过水涵洞和人行通道，以减少道路施工对山区环境的影响。但由于该地区路堤高度都在15m以上，工程设计采用EPS板来减轻路堤填土对涵洞结构的压力，从而保证涵洞结构的稳定性和结构安全。

2.2 EPS板减荷技术设计

EPS材料的特殊结构使其具有良好的物理力学性能，是高填方路堤涵洞理想的减荷材料。山区高填方涵洞EPS材料减荷技术的设计的主要内容是确定EPS板的厚度、密度及其铺设方式[5]。

2.2.1 EPS板的铺设方式

由于罗定高速双凤至榃滨段涵洞处于弱风化粉砂岩层上，而该路段高填方路堤的填土高度均超过15m，这对地基的承载力提出了较高的要求，如用普通填料进行回填，可能会因地基承载力不足导致路堤的不均匀沉降，并引起涵洞的结构损伤。因此，需要在涵洞净跨范围内铺设EPS板来降低涵洞顶部的荷载。由于路基横断面呈梯形布置，涵洞在纵向承受的荷载近似梯形，考虑在涵顶采用变厚度EPS板进行纵向铺设，从而尽可能使减荷后涵洞的垂直土压力的分布趋于均匀，从而减少涵洞纵向不均匀沉降。

2.2.2 EPS板密度与厚度的确定

通过大量的工程实践可知，涵顶EPS板的密度、厚度与涵顶填土高度密切相关。涵顶填土高度越大，涵顶的土压力也就越大，就必须增加EPS板密度和厚度，但由于涵顶纵向填土呈梯形荷载，EPS板的厚度应由路面中线向两侧逐渐变薄，EPS板的密度布置应考虑路堤填土中土压力分布的空间效应，在路面正下方EPS板的密度应大于上下游两边的涵顶EPS板的密度。因此，结合该工程的实际情况和土压力的计算结果，路面正下方选用密度为30kg/m3、厚度为36cm的EPS板，而上下游两边的涵顶EPS板的密度可由28kg/m3逐渐减少到26kg/m3，厚度由30cm逐渐减少到25cm。

2.3 EPS减荷技术的施工

2.3.1 EPS板的分割

由于工厂生产的EPS板规格较多，在选用EPS板时，应根据高填方路堤的荷载情况及施工实际情况，结合EPS板的尺寸及用量情况进行综合考虑。EPS材料的热稳定性较好，可以采用电热丝切割成减荷设计所需的尺寸，在EPS材料脱模后应放置三周以上，以排出和挥发残余气体，并使其设计强度达到工程需求。

2.3.2 EPS板的铺设和路堤填土施工

在涵洞顶面填土和EPS板的施工时，涵洞顶面两侧的填土可按照正常填土的施工工序进行，对涵洞两侧填土对称填筑，但应适当提高两侧填土的压实度。在压实过程中，压路机边缘应离EPS板20~30cm，并采用静压方式对涵洞两侧填土进行碾压。

当涵洞两侧填土高度达到涵顶标高时，应在涵顶及时铺设EPS板。为防止初填土时损伤EPS结构层，涵顶第一层填土应采用粒径小于10cm的回填土，厚度不应少于60cm。为防止倾倒土体的冲击荷载使EPS产生较大的压缩变形，应用装载机低空铺土，并用挖掘机斗轻压两遍，以保证填土的压实厚度和压实功均衡。然后用推土机从两侧向中间反推填土和充分压实，依次分多层完成涵顶的填土工作[6]。

3 高填方路堤涵洞EPS减荷材料的受力特性分析

3.1 现场测试

该工程涵洞EPS减荷层布置在涵顶净跨范围内，为分析涵顶与涵侧EPS的压缩变形，通过在路面中线两侧埋设压力盒来测试填土高度引起的涵顶土压力，并对路面两个主断面EPS板的变形进行测试[5]。

对于一般的高填方涵洞采用单一密度的EPS板就能达到预期减荷效果，而当填土高度超过20m时，采用单一密度的EPS板的减荷效果就不会很理想，有必要采取多种密度EPS板叠加组合方案进行较高填土的涵洞减荷。通过对多种密度EPS板叠加组合材料代替单一密度EPS板进行减荷性能的测试分析，研究不同密度EPS板叠加组合随着填土高度增加而不断压缩变形的密度特性，从而充分发挥EPS材料的性能，使其达到最佳的减荷效果。

3.2 涵洞的受力特性分析

大量试验的测试结果表明，多种密度叠加组合EPS材料的应力-应变曲线屈服点提前到来，而硬化点则大大推迟，从而提供了很大的塑性压缩变形量，可以显著提高高填方路堤涵洞的减荷效果。此外，各组合层的密度差也会影响EPS材料的应力-应变曲线，相邻两种EPS板的密度差值过大时，应力-应变曲线会出现硬化转折，从而会影响EPS材料的减荷效果，而当相邻两种EPS板的密度差值过小时，应力-应变曲线较为平滑，减荷效果较好，但会增加工程施工的工作量，通常可以将两种EPS板的密度差控制在4~6kg/m3之间，从而产生较好的性价比。

4 结论

EPS材料具有较大的压缩变形和稳定的力学性能，是一种理想的减荷材料，将其用于高填方路堤涵洞的减荷层，可以充分发挥其压缩变形大的特点。实践表明EPS材料减荷技术具有良好的工程应用效果，成为高填方路堤涵洞减荷技术最方便和有效的方式，具有良好的应用前景。EPS材料在公路建设中的应用较为广泛，而在机场建设中仍未使用。期待在机场建设中对该材料进行试验、推广，以加强结构安全性，并达到节省投资的目的。

参考文献：

[1] 宗赵波. EPS板性能及其在道路工程中的应用[J]. 山西建筑, 2010, 36(28):273~274.

[2] 姜峰林. EPS板材料特性及其岩土工程应用概述[J]. 广东建材, 2011(6):149~151.

[3] 梁燕,谢永利,刘保健.聚苯乙烯泡沫(EPS)变形特性的试验研究[J]. 中南公路工程, 2007, 32(3):76~81

[4] 毛快,张俊彦.聚苯乙烯泡沫(EPS)压缩蠕变试验研究[J]. 材料导报, 2007(21):468~470.

[5] 雷正辉,张荣辉,王艳.公路路基使用EPS材料的试验研究[J].路基工程,2008,(3):126~127.

[6] 顾安全; 吕镇锋; 姜峰林等. 高填土盖板涵EPS板减荷试验及设计方法[J]. 岩土工程学报, 2009, 31(10):1481~1486.