浅析现代公路工程施工中的高填方涵洞措施

摘要：由于高填方涵洞所受荷载大。涉及到的受力因素多，复杂多变，因此在设计时很难准确确定涵洞土压力的大小，所以，高填方公路涵洞在应用中常常会出现开裂、错位等一系列病害，如何采取措施能减小涵洞上所受的土压力显得意义重大。本文结合公路工程实例，对施工中的高填方涵洞措施进行论述。

关键词：公路；高填方涵洞；施工措施

中图分类号：X734 文献标识码：A文章编号：

前言

随着国民经济的快速发展，现代高等级公路越来越多，必然会遇到更多的高填方涵洞。然而公路高填方涵洞施工中，在涵顶铺设柔性材料能够有效降低涵顶所受垂直土压力，改善结构受力状态，减小结构尺寸，减小工程量。

一、涵洞减荷的试验

1. 1 减荷原理

在高填方涵洞顶部铺设具有一定压缩性质的材料来减小正沉降差，并产生负沉降差，使外土柱对内土柱产生向上的附加摩擦力，从而使外土柱和涵洞共同承担涵顶的土柱压力，达到减小作用于涵顶土柱压力的目的。

1. 2 试验概况

由于涵洞基础位于岩石地基上，在某一盖板涵洞顶部净跨范围内铺设30cm 厚聚苯乙烯泡沫板(EPS)，涵顶最大填土高度为15.3m，主要测试涵顶垂直土压力。涵洞结构尺寸、EPS板铺设及测试仪器埋设情况如图1 所示。

图1 涵洞结构尺寸、EPS板铺设及测试仪器埋设(单位:cm)

1. 3 EPS板应力-应变关系

所选EPS板密度为24kg/m3，应力-应变关系曲线如图2所示: EPS板变形分为弹性、塑性和硬化3个阶段。当应变小于5%时，EPS板处于弹性阶段，之后进入塑性屈服; 应变达到70% 后EPS板进入硬化阶段。并将应变为10%时的应力定义为EPS板的抗压强度，EPS板的这种压缩特性使其成为理想的减荷材料。

图2 EPS板应力-应变曲线

1. 4 涵顶垂直土压力分析

涵顶垂直土压力-填土高度曲线如图3所示。图3表明，采取减荷措施且涵顶填土高度＜4.0m时，涵顶受到的土压力大于土柱压力γH，此时的减荷效果并不明显;当填土高度超过4.0m后，涵顶受到的垂直土压力开始小于γH，且土压力值随填土高度的增加而缓慢增加，EPS 板开始发挥减荷效果，最终涵顶土压力为土柱压力的0.28～0.47 倍。涵台顶部的垂直土压力在填土较低时略大于土柱压力;当EPS板发挥减荷效果后，涵台顶部土压力开始增大，其压力值明显大于土柱压力值，最终涵顶土压力为土柱压力的1. 54～1.93倍。这也说明，铺设EPS板使得涵顶上部土体内部应力重新分布，涵顶土柱将一部分土压力传递到EPS板顶两侧，并有明显土拱效应，而此时的土拱效应具有不稳定的特点。

填土高度H/m

图3 涵顶垂直土压力-填土高度曲线

当填土高度低于4.0m、尤其是在2. 0m高的填土时，由于压路机由静压改为振动碾压，其振动强度加倍，出现应力集中现象，垂直土压力大于相应的土柱压力; 这是由于填土层较薄时: ①机械碾压使得土压力盒在碾压瞬间受力薄板向下凹曲变形，压路机过去后不能完全回弹，故所测土压力值偏大; ②填土低的时候，EPS板处于弹性变形阶段，压缩变形量较小。当填土高度＞2.0m后，随着填土高度的增加，以上两点原因逐渐消除; 当填土高度超过4.0m后，减荷效果逐渐显露。

二、 施工技术研究

试验证明，EPS板压缩性大，材料性能稳定，在荷载较低时又具有一定的结构强度，是理想的柔性减荷材料。但是，正是由于EPS板特殊的大压缩性，使得其在涵洞减荷初期处于弹性阶段，当填土达到一定高度时(与EPS板强度有关)才发挥减荷效果。然而，目前高填方涵洞普遍采用机械化施工，挖掘机、推土机、压路机的吨位都相当大，当它们的轮胎或是履带直接。

a挖掘机填土高度H/m

b推土机填土高度H/m

图4 挖掘机及推土机荷载对EPS 板受力影响

作用在EPS板上，或在EPS 板顶填土不高的情况下直接上机械碾压，会使得EPS板在还没有发挥减荷的情况下，发生较大的压缩变形，使得其在减荷后期发挥不了减荷效果。因此，在施工开始时，应当采取措施保证EPS板的变形在弹性范围内，可通过计算确定工程措施。

2. 1 挖掘机荷载影响

路基工程施工中常用挖掘机的性能参数为:①机械质量=6000kg;②履带宽度=0.6m;③履带接地长度=3.64m;④轨距= 2.38m;⑤接地比压=47.6kPa。EPS板所受到的附加荷载采用应力扩散角方法计算，由于履带接地长度约为履带宽度的6倍，可近似按条形基础的情况进行计算。

填土在未经压实的情况下较为松散，因此取扩散角θ= 15°，挖掘机履带对EPS 板产生的附加荷载可用式(1)计算:

（1）

式中: ΔP为EPS 板顶附加应力;p为机械接地比压;a为履带宽度;H为填土高度。EPS 板顶填土高0～1. 5m时，挖掘机对EPS 板的影响如图4a所示。可见挖掘机自重荷载在EPS板顶产生的附加应力较小，附加荷载与填土自重之和均小于50kPa。由于挖斗与机身具有一定的距离，挖掘机自身重量并不均衡，因而会对履带产生偏压，使得履带局部应力较大。为防止履带偏压对EPS 板造成破坏，需要顶部填土高度超过0.5m后，才可用挖掘机履带对填土进行压实。

2. 2 推土机荷载影响

经过挖掘机压实后的填土扩散角θ会相应增大，取θ=20°，常用推土机的性能参数为: ①机械质量=24700kg;②履带宽度=0.56m;③履带接地长度=2.84m;④轨距=2.00m;⑤接地比压=76.0kPa。推土机对EPS板的影响如图4b所示，当填土高度为0.8m时，EPS板顶总压应力值为46.0kPa，远小于EPS板5%应变时的应力值90kPa。因此，当填土高度超过0.8m后，便可使用推土机对填土进行压实。

2. 3 压路机荷载影响

由于压路机的振动轮与填土面之间的接触面积很小，同时，当填土高度超过1.0m时才考虑压路机，振动轮与填土面接触宽度不足填土高度的1/10，此时采用应力扩散角的概念进行施工荷载的附加应力计算已不适合。近似采用弹性半空间假定的布辛奈斯克方程，求解EPS 板所受压路机的附加应力:

(2)

式中: ΔP 为EPS 板顶附加应力; p0为压路机作用填土面均布荷载，p0=p / (ab) 或p0= pm/(ab);p为振动轮静线荷载; pm为振动能激振力;a为振动轮宽度; b 为振动轮接地宽度; H为填土高度。

压路机振动轮的动荷载对EPS板的附加应力是将动荷载峰值按静荷载情况代入式(2)计算得到。由于没有考虑振动轮的动力荷载对填土、EPS板与振动轮三者的动力响应，与实际有一定的偏差。但为保护EPS 板及减荷效果和保证施工质量提供依据。

常用压路机性能参数为: ①机械自重=25400kg;②振动轮宽=2.17m;③振动轮接地宽度=0.1m;④振动轮静线荷载=772m;⑤振动轮激振力=416kN/275kN。计算出的振动轮静荷载作用下的EPS板顶压力曲线如图5a所示。在振动轮静荷载附加应力和填土荷载的总压应力作用下，填土高度1.2m时EPS板顶的压力约100kPa，密度为24kg /m3的EPS板抗压强度约110kPa，满足施工要求。因此，EPS板顶的填土高度超过1.2m后，便可采用压路机对填土进行静力压实。

采用拟静力法计算得到的压路机振动轮的动荷载对EPS板产生的附加应力与EPS板所受总压应力随土高度的变化情况如图5b所示。图5b表明，填土高度为2m时，EPS板顶振动荷载与土体自重总的压力约为150kPa，与24kg/m3的EPS板动弹性强度相等，随着填土高度的继续增加，振动荷载的影响会越来越小。因此，当填土高度超过2m以后，便可对填土采用压路机进行振动压实。

a动荷载填土高度H/m b 静荷载填土高度H/m

图5 振动轮静荷载与动荷载对EPS板受力影响

2. 4 填土施工过程

涵洞施工完毕后，可在涵台顶面砌筑与EPS板相同高度的砖石或混凝土保护砌块。砌块可以阻止机械在施工过程中对EPS板的压缩破坏。涵侧填土的施工过程与正常填土相同，当涵侧填土高度与砌块高度相同时铺设EPS板，随后用挖掘机在涵顶铺设≥0.5m厚的细粒土，粒径≤2cm为宜，同时保证涵洞两侧填土与涵顶填土同高;然后先用挖斗底面缓慢压实涵顶填土2遍，接着用挖掘机履带满压3～5遍，保证填土密实;接着进行侧面下一层土体回填。

第2 层土回填时，先填涵洞侧面，预留出涵顶宽度位置，涵侧填后用推土机从两侧向中间反推，填土粒径不宜大于6cm，然后推土机反复压实。重复上述工序，填土高度超过1.2m后可采用压路机静力压实; 填土高度超过2m后，按正常施工顺序施工。该套施工技术已在试验涵洞工程中进行了实际应用，在机械施工荷载影响下，EPS板处于弹性阶段，量测得到的变形很小，验证了该套技术的可行性。

2. 5 减荷效果监测

当高填方涵洞采用EPS板减荷技术后，为验证EPS板的减荷效果是否达到设计要求，可对涵洞减荷后的土压力和EPS 板的压缩变形进行监测。一般来说，只需进行EPS板的变形监测即可，通过EPS板的压缩变形反算出EPS 板受到的土压力，从而得到EPS板的减荷效果。可采用土压力传感器对减荷后的涵洞土压力进行监测得到更准确的结果。

三、 结束语

综上所述，EPS板具有高压缩性，结构性能稳定，是良好的减荷材料。在高填方涵顶铺设EPS板，使得涵洞顶部上方土体应力重分布，能有效减小涵顶土压力，改善涵洞结构受力，减荷措施具有重要的应用价值，建议推广应用。

参考文献：

［1］白冰.聚苯乙烯泡沫塑料的测试及其在土工中的应用［J］.岩土工程学报，1993，15(2):104-108．

【2】罗智刚，李永刚，李力.涵洞洞顶垂直土压力的分析及计算[J].太原理工大学学报，2004(6)