现代公路工程施工中高填方涵洞措施论文

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