山区高填方路堤涵洞结构的研究

西部交通建设科技项目

合同编号：2002 318 812 24

山区高填方路堤涵洞结构的研究研究报告简本

长安大学

甘肃省高等级公路建设开发有限公司甘肃省交通规划勘察设计院责任有限公司

甘肃省公路工程总公司

二○○五年六月

1 项目研究背景

近年来，在高速公路的设计中，高填方路堤下设置的涵洞工程越来越多,然而对涵洞的设计与计算理论至今仍不完善,导致计算结果和实际结果相差很大,致使涵洞病害不断发生，严重影响到了高速公路的正常运营和人们对高等级公路的综合评价。据调查，在涵洞设计中因误判导致设计土压力偏小的情况，在设计时被安全系数所遮蔽，长时间后均发生破坏；而由于设计保守，所取土压力集中系数偏大，导致涵洞设计在拱圈和台身上浪费材料，造成的经济损失也十分巨大。同时，涵洞施工过程中由于施工工艺不当等导致涵洞结构体尚未运营而人为破坏的实体工程亦很多。

从已有的研究成果和国内外文献资料来看，立题开展该项目研究主要基于以下两点：

1.1 大量涵洞病害的产生是立项研究的主要诱因

本项目研究人员对西部地区5省17条高速公路182个涵洞进行了实际调研，通过调研发现：①受地质、地貌、气候条件、建筑材料、涵洞用途、施工条件，甚至是设计人员个人爱好等因素的影响，同一条线路上涵洞的结构形式一般都基本相同；②涵洞的破坏主要是由土压力集中引起的纵向结构破坏、由沉降不均匀引起的横向结构破坏，或由这两个原因共同引起的结构斜向破坏；③缺少涵洞勘察资料与涵洞设计验算资料是产生涵洞病害的原因之一，甚至可以说现有的涵洞设计标准图也对涵洞的设计产生一定程度的负面影响；④有些涵洞病害是由施工不当原因引起的；⑤有些涵洞病害是由人为的主观因素引起的，如某条线路上，为减少由台背沉降差引起的跳车问题，在桥台、涵背填土体上普遍进行了强夯处理，这样的处理虽压实了土体，但也对涵洞结构造成了破损；

⑥对涵洞病害问题较重视单位所属的线路上涵洞病害问题相对较少，例如达渝高速公路公司对涵洞病害问题较重视，在建设阶段就对其进行了注浆处理，则调研发现其涵洞病害相对少得多。

1.2 涵洞设计与施工体系不完善是立项研究的主要切点

目前涵洞的设计与施工无成套理论体系的结论，主要表现在如下方面：

（1）在土建类高校中没有设置涵洞设计专门课程。

（2）公路行业将小桥涵结构设计的安全等级定为三级(正确)，但却按用途或习惯将其归在与小桥同类按规范进行设计。这样做的后果是忽视了涵洞工作的特点，即忽视了涵洞与土共同工作的特点。

（3）由于涵洞设计理论不成体系，例如涵洞的过水断面按水力学原理或按交通用途确定，而作用在涵洞周边的土压力按半无限成层土弹性体、按主动土压力、按被动土压力、按隧道围岩土压力、按散粒体的卸载拱压力进行确定，应用较混乱，需要理顺、需要指导、需要创新。

（4）涵洞地基和基础的设计基本套用工业与民用建筑的地基与基础理论或桥台地基与基础的理论，忽视了涵洞作用特点，存在前提和概念的错误。

（5）现有的设计理论与方法中没有考虑涵洞与土体共同工作机理，既不成体系，也存在互不相容的矛盾现象。

（6）施工方法的差异对涵洞的受力影响较大，现有设计理论或规范没有考虑这一点。

如上所述，对涵洞的设计理论与施工方法进行系统研究是非常必需的。

2 主要研究内容及实施方案

2.1 实体工程的现场试验研究

依托工程为4个，分别是甘肃省兰州～海石湾高速公路K50+765涵洞、K84+950涵洞，兰州～临洮高速公路的K5+905涵洞、K5+536涵洞。其中在K50+765涵洞上进行了涵洞的2个纵断面、6个横断面、84个土压力测点、109个土体沉降点的长期观测工作；兰海路K84+950涵洞进行了了1个纵断面、30个土压力、10个土体沉降点的测试；兰临路K5+905涵洞进行了2个纵断面、4个横断面、57个土压力、72个土体沉降点的测试；兰临路K5+536涵洞进行了2个纵断面、3个横断面、45个土压力、55个土体沉降点的测试；在K50+765，K5+905，K536涵洞上进行了数种工况的埋管土压力减荷试验工作。

通过现场试验测试，全面探讨了路埋式涵洞各部位的受力、变形随填土荷载及时间的发展过程，研究了不同工况下涵洞竖向土压力减荷机理，为本课题的顺利完成打下了基础。

2.2 涵洞病害的调研与病害特征分析研究

涵洞病害的调研工作含资料的收集和实地考察两部分工作。其中收集资料600多份，实地考察涵洞182个，涉及陕西、甘肃、宁夏、四川、云南等省的17条高等级公路。通过调研基本上探清了涵洞病害的类型、病害的成因和一般的处治方法。

2.3 涵周材料的室内力学特性试验研究

涵周材料的室内力学特性试验研究可为涵洞的计算分析、理论分析提供基本参数，也可以了解涵洞减荷材料的各种强度、变形特性。室内

试验一共进行了81组压实黄土的单轴压缩试验；32组压实黄土的三轴压缩试验；10组减荷材料的单轴压缩试验；8组减荷材料的三轴压缩试验；8组减荷材料的回弹特性试验；62组原状黄土的湿陷特性试验。

2.4 涵土性状的离心模型试验研究

土工离心模型试验技术是近代科技水平发展的产物，它通过施加在模型上的离心力使模型的重力变大，从而使模型中的应力与原型一样，其试验研究的内容几乎涉及了岩土工程的所有领域。本项目研究在长安大学的离心机上进行。

离心模型试验共进行了以下6组工况的研究：

(1)刚性基础上拱涵与圆管涵的沉降变形试验；

(2)沟谷地形对涵洞工作情况的影响试验；

(3)人工减荷条件下涵洞的工作工况试验；

(4)涵洞人工马斯顿条件创立的试验分析；

(5)涵洞纵断面地形、地质构造影响的试验；

(6)非刚性基础上涵洞工作性状的试验。

2.5 涵土体系共同工作的数值分析与理论研究

涵洞与填土体共同工作的计算分析和理论分析的基础是涵洞实体工程试验实测工作、涵洞病害的调研工作、涵洞土工离心模型试验的工作、相关学术文献的查阅工作,且在此基础上依托掌握的数值分析方法、岩土工程与力学理论、结构力学分析理论、数学物理理论，对涵洞与土体共同工作的机理进行了建模研究，模拟10多种工况进行了数值模型仿真分析工作，基于建模和仿真分析以及工程设计三原则进行了涵洞的设计、施工与病害处治技术研究工作。