高填方涵洞工程特性理论与应用 陈金福

高填方涵洞工程特性理论与应用陈金福

摘要：随着我国经济实力的不断提升，我国在国家建设中越来越重视公共基础

设施的发展，特别是公路建设，想要发展某一地区的经济，就必然先要进行公路

建设，所以公路建设是我们重要的建设内容。由于我国地势多样，许多公路在建

设中需要进行翻山越岭，因此需要进行一定的排水建设，其中，涵洞则是公路建

设中不可缺少的构筑物，并且在公路建设中使用的数量最多。高填方涵洞就是常

见的一种公路建设涵洞，与其他的构筑物不同，高填方涵洞是利用涵土间的共同

作用来进行受力的，由于这种涵洞的受力特殊性，需要我们对其工程种的特性进

行探讨，以便设计出更符合建设条件的涵洞，来满足公路施工的需要。

关键词：高填方涵洞；工程特性；结构设计

高填方涵洞作为一种排水构筑物，广泛使用在各种道路建设中，是国内外都

十分青睐的一种结构物。高填方涵洞是指在土质条件下填土总高度超过18里面

和石质条件下填土超过20厘米的涵洞。高填方涵洞的造价相对较低，施工的工

程量也比较小，特别的，这种构造物对于自然环境的破坏较少，因为高填方涵洞

的施工要根据地势来进行，通过已有的地势进行合理的排水设计，因此可以较好

的保护地形地势和生态环境。尤其是我国境内山峦众多，沟渠横卧，对于公路这

项公共基础设施的施工带来了一定的困难，尤其是在山区公路的施工众，会存在

许多低洼的地方，要满足其排水需要，就必须进行高填方涵洞的修筑，这样我国

山区公路众就会存在较多的高填方涵洞。由于山区地势复杂，土质分布不均匀，

会造成一系列的问题，比如局部失稳、不均匀沉降、承载力弱等问题，因此我们

要根据这项工程的特性，研究如何加强高填方涵洞承载力，才能使高填方涵洞在

公路建设中更能发挥其作用。

一、高填方涵洞存在的问题

在进行高填方涵洞建设时，“十洞九裂”是常见的问题，而这些涵洞产生的病

害的原因，多为以下几点。

（一）涵洞顶覆土问题

涵洞顶覆土问题包括涵洞顶覆土荷载过大、结构尺寸过于小以及地基的形式

不够合理等。我们可以对比低填方涵洞来进行分析，低填方涵洞常采用“土柱法”

来处理外部荷载问题，并且用分离式地基来节省预算。但是对于高填方涵洞来说。涵洞顶覆土的压力系数与填土的高度呈正比，后者会随前者的增大而增大，但是

一般来说，土拱效应的稳定性较差，那么在填土高度增加的过程中，土压力系数

存在一定的波动，所以两者的关系并未呈现线性变化，而是一种非线性关系，这

也就导致了计算的不精准，所以高填方涵洞不能采用“土柱法”，也不能使用分离

式地基。

（二）基础的不均匀沉降问题

由于对软土地在进行地基处理的时候，会进行一个理论的计算的，但是这个

理论计算的结果是并不准确的，因为地下地基会存在一定不可预估的变形，这种

变形导致填方高度在增加的过程中，涵洞顶部和地基平面的沉降逐渐增加，与之

对应的差异沉降也会增大。特别是对于不对称的涵洞建设时，这种不均匀沉降更

加明显，会拉裂涵洞。

（三）未曾考虑涵洞与土之间的相互作用

许多高填方涵洞在具体设计时，没有考虑涵洞与土之间的相互作用，而是把

这个作用进行简单的简化，一般来说，会把填土简单的当作外部荷载来处理，并

且它以线性的方式来处理填土与涵洞的作用关系，但实际上，施工的地形、地基

条件等等因素也会对高填方涵洞的受力产生影响，需要在施工时，把这些因素考

虑进去。

二、高填方涵洞的减载方法

（一）利用涵洞基础的形式进行减载

这种方法是利用土地相对下沉所造成的影响来完成涵洞的减载，主要是通过

涵洞的基础形式设计来达成这一目标。不过这种方法可能会由于土地的下沉不均

匀或者沉降过大造成软土地基上的涵洞开裂漏水，在具体的实施过程中，对于下

沉量的估计很难控制，因此在一些不允许下沉的公路工程中，这种减载方法并不

常用。

（二）充分利用涵洞的地形优势

在高填方涵洞的设计中，一般可以利用需要施工地方自身的地形来进行涵洞

的减载设计。通常涵洞的沟谷中间不可能正好满足涵洞的设计需求，因此涵洞会

设置在距离沟谷岸坡相对较近的一侧，这样可以减少涵洞洞顶外的土压力，这个

减载的原理是由于土柱体会因为在从顶部进行下移时和岸坡会有一个相对位移，

这中间的位移过程会有摩擦阻力的影响，这样就能使涵洞减载。还有一种涵洞埋

没在沟谷的情况，这种情况下因为沟谷的不对称性，会产生偏载效应，那么涵台

两侧的土压力就会有偏差，出现一方远远大于另一方的情况，那么进而产生地基

不均匀沉降的情况，最后导致构筑物的破坏。所以这种减载的方法要考虑可能会

出现的偏载效应，需要慎重考虑。

（三）利用人工措施进行减载

人工措施减载的主要原理是利用土体相对位移时发生的摩擦阻力把涵洞顶上

的压力向外分散，到达减少涵洞顶压力的目的。一般来说，人工措施的方法有塑

性垫层法、固化法、拱承法、综合减载法等。塑性垫层法是利用在涵洞两侧和顶

部填筑一些塑性土或者塑性材料，达到一定厚度，进行超实填压，以便塑性材料

的变形可以大于外围土体的沉降量，以达到减载效果。固化法则是利用固化材料

对涵洞进行包裹，帮助涵洞承担土压力。拱承法则是利用拱效应，通过固化材料

增加土拱线周围的土体强度，帮助涵洞减少顶上压力。综合减载法就是对上述方

法进行综合应用，具体要根据不同的施工情况，考虑不同方法的优劣，来择优选择。

三、高填方涵洞地基的处理方法

（一）地基换填

地基换填多用于覆盖层较薄，对于地基承载力没有过多要求的地方，这种方

法要对于涵洞内的一些软土进行清理，然后根据实际情况计算出软土清楚的范围、广度、深度等，把清理掉的地方进行换填材料的填充，通过刚性角的扩散，对地

基承载力的要求进一步下降。针对覆盖层薄，但是对于地基承载力却有一定要求

的地方，可以把涵洞内的所有软土进行清理，全部换成岩层等换填材料，以便增

加地基承载力。换填材料有多种，如土加石、砂加石、碎石垫层、砂硕垫层等，

可以根据不同的情况进行选择。

（二）在涵洞底加桩基

换填材料适用于覆盖层不厚的地方，对于覆盖层较厚的地方，换填就是一种

不实际的方法，那么就可以采用更为经济和安全的加桩基的方法，这种方法可以

利用桩基把力传递到持力层。这个方法的主要原理就是利用桩土之间的刚度差异，在桩和桩、土和桩之间都产生一定的沉降差，进而产生摩擦阻力，以转移荷载到