有关深层软土地区桩基涵洞技术的研究

摘 要：本文以深层软土地区1____3.0米涵洞为例:对影响沉降量计算结果的因素进行分析，并探讨沉降对不同类型涵洞的正常使用影响程度，在涵洞孔径选择、构造措施、桩长等方面对深层软土地区涵洞设计提出了一些初步建议。

〔关健词〕深层软土；涵洞；沉降分析；

因软土地基承载力低，沉降量大及固结速率迟缓，故在该地区修建涵洞，常采取预压排水固结法、置换法及桩基等地基加固措施。当软土深度>5.5米时，采用桩基础有明显优势。此前，我国在软土地区已修建了数以千计的桩基础涵洞。经过大量的设计、施工及观测试验，已经积累了丰富的成功经验，同时也存在一些问题。如浅层软土地区桩基一般可打到硬持力层，这类涵洞使用状况良好。对于深度>40.0米的深层软土地区桩基涵洞，当桩打到硬持力层时基础工程费用很高。若采用桩不打到硬持力层的短桩方案，因以往设计时不计桩周负摩擦力的影响，对其工后沉降估计不足而使这类涵洞出现了涵身长度不够，涵节之间不均匀沉降较大等病害问题。本文以1―3.0米桩基涵洞(图1)为例考虑负摩擦力因对短桩涵洞的沉降量进行分析计算建议采取相应的措施容许涵洞产生部分沉降，期达到确保涵洞安全可靠又节省基础工程资的目的。

l设计基本资料:1.1地质资料见(图2}。

1．2甚它衰料冲一活载路肩高度4.5米

2桩墓涵洞的沉降分析:

对于桩基不打到硬持力层的涵洞，因软基的固结沉降发生而使桩身承受负摩擦力。加上桩底软土地基提供反力R较低，阶段性出现单桩承载力小于其承受荷载的情况，涵洞基础必然会发生竖向沉降直到涵洞基础受力达到平衡为止。影响涵洞基础沉降总量的因素有:涵洞基础所承受荷载的大小，桩身正负摩阻力分界点(中性点)的位置及软土地质的物理力学指标的可靠性等。考虑到列车荷载只是间断作用在涵洞上，计算沉降可不计列车活载因素。涵洞基础总沉降包括桩身材料的弹性变形，桩侧摩阻力传至桩底平面使该平面处地基产生的弹性变形，在恒载作用下，中性点地层线至桩底之间土层的压缩沉降量和桩底以下土层的压缩量。因前两项沉降值相对较小，可忽略不计。考虑涵洞荷载比路基荷载要小一点，其总沉降量S总近似等于，在路基荷载作用下，桩身中性点处地层线以下土层的累计沉降量。

2.1在路基恒载作用下，软土分层压缩量的计算

计算荷载:路肩填土高度H一4.5米，路肩顶宽B~8.5米，边坡坡率M―1:1.5，填料容 =18KN/m3。计算方法:采用分层总和法

每米分层计算各层沉降量，计算结果如表1

2.2桩周正、负摩擦力取值的探讨对于深层软土地区的涵洞，桩周正、负摩阻力的设计取值，明显影响该类涵洞沉降计算结果和基础工程量。桥规规定:液性指数介于1.0~1.5的软土地基，打人桩周摩阻力取值为10~30KPa，摩阻力的取值为常数。本人认为桩周摩阻力取值随桩身人土深度不同而变化，即桩周摩阻力取值与桩身入土的深度成正比，作用于桩身表面的摩擦力与摩擦系数和作用桩身表面的侧压力有关。同一类土层与桩身表面的摩擦系数假定为常数，桩身表面的侧压力则随地层深度加深而增大，微段桩周摩阻力可表示为:

令a = a ,根据受力平衡条件建立平衡方程:F正一F负化简可得l/L=0.7。正、负摩阻力比值约为2.33:1。负摩阻力可取土样化验快剪强度10KN/m ，正摩阻力考虑深度因素取20 KN/m2。

2．3计算桩周摩擦力中性点及沉降量：

如(图3)所示，单桩受到正、负摩擦力，

桩顶荷载，自重及基底反力的作用。受负摩擦力的影响，初期桩身暂时受力不平衡，随着桩身的下沉，负摩擦力长度逐渐缩短，直到某一点桩身受力平衡为止。假定桩身全长L，负摩擦力长度，正摩擦力长度。可建立单桩受力平衡方程:

P+f1 (5)

P____单桩顶承受恒载KN,P= =105KN 。

Z____桩身自重KN,取2.34LKN。

f1____桩周表面承受的负摩擦力KN/m2，取10KN/m2。

f2____桩周表面承受的正摩擦力KN/m2，取20.0KN/m2。

R____桩底反力KN。

U____桩身周长m，取1.2m。

将L、Xl、X2以及其它各项参数代人平衡方程(5)，化简可得:

X1=(6)

把各种桩长L及地基反力R代人计算式(6)，结果见表2

3、沉降对涵洞的使用影响分析

当涵洞桩基不打到硬持力层，其工后沉降将会很大。若采用加长桩身来控制这类涵洞的沉降量，因增加的基础工程费用相当可观而未必合理。有必要分析沉降量对不同类型涵洞的影响，并为将要发生的沉降预留一些措施，使该类涵洞造价经济、安全可靠。涵洞按其功能特点可分为三种类型:交通涵、排洪涵和灌溉涵。

交通涵要求净空高，路面平顺。正常情况下:汽通净高H≥3.5米，机通净高H≥2.7米，人通净高H≥2.2米。因该地区铁路路基填土高度≤4.5米，涵洞能满足的净高H≤3.9米对于汽通涵洞而言上有轨道标高限制，下有路面排水等条件限制。当汽通涵洞沉降量超过40cm时，就不能保证净高H=35米的要求。必须控制其沉降量在40cm以内。对于机通、人通涵洞来讲，涵洞顶板上面有填土，如果控制沉降量取值较小，基础工程投资增加较多而没有必要，可按设计净高(等于规定净高加预估沉降量)的方案进行涵洞设计。

排洪涵要求能满足排洪需要，沉降对其影响表现为过水面积的减少，原则上只要最终有效过水面积能满足排洪要求就没有大问题。涵洞设计时可适当加大过水面积和预留涵洞长度，以满足排洪及其它方面的需要。从节省工程造价的角度

来说只要有效过水面积能满足排洪要求控制沉降量取值越大越经济。从某既有铁路涵洞的使用情况来看，在发生多达60cm的沉降变形时，主要病害表现为涵洞中间塌腰、涵顶出现掉碴问题。建议该地区排洪涵洞的控制沉降量不宜≥60cm。这类涵洞的孔径可适当放大，并预留沉降引起的涵长增量和控制涵节之间的不均匀沉降量。

灌溉涵洞孔径小，净高低，过大的沉降量导致其过水面积严重缩减。如沉降量为socm时，孔径为1.0米的圆涵过水面积缩小50%。当沉降量控制严格时，基础工程费用将很高，若改用矩涵，可以容许发生一定沉降，工程费用将明显降低。考虑维修养护的需要，矩涵控制沉降应≤50cm。

4存在的问题及结论

4.1存在的问题

①沉降量计算值与地质物理力学指标取值的准确性密切相关。土样化验边界条件与原状土存在差异，影响钻探土样化验结果的主、客观因素也非常多。涵洞的理论计算总沉降量需要做工点试验进行验证。

②路基采用打人插塑板，填土预压软土处理措施，在填土预压、排水固结以后，软土物理力学指标变化方面的资料不足。从某既有铁路涵洞的使用情况来看，虽然沉降量已达到60cm，但涵洞还是能带病工作。软土固结以后的物理力学指标的变化资料还要进一步收集，验证。

4.2结论

①设计涵洞前，应认真消化勘测，线路纵坡等资料。根据各类涵洞对沉降量的敏感程度，拟订合适的控制沉降量。保证涵洞能满足正常使用的要求，达到控制工程投资的目的。

②深厚层软土地区，当涵洞桩基不到硬底时，总沉降控制效果不太好。设计中应预留沉降引起的增量涵长，桩尖必须进人软塑土层一定长度。

③为减少涵节之间的不均匀沉降和软土压缩外移对涵节的牵引病害，涵节下面应设钢筋混凝土整体基础。