浅谈公路涵洞设计的体会
摘 要:随着公路建设事业的快速发展，涵洞作为公路构造物的重要组成部分之一，所起到的作用是不可忽视的。涵洞设计的合理与否关系到整个公路的工程造价和使用质量。本文主要论述了公路涵洞的设计方法与设计过程中一些注意问题，可供相关设计人员作参考。
关键词:公路,涵洞,规范,设计,地基承载力
近几年，公路建设事业不断加快，在施工中公路不可避免的会跨越沟谷、溪沟、河流、人工渠道等，以及为了排除路基内侧边沟水流，常常需要修建涵洞。涵洞是公路构造物的重要组成部分之一，也是公路工程建设中的一部分，其设计不仅关系到工程整体造价，并且影响着公路的使用质量。但是，在实际设计中，仍存在不少问题，以下笔者根据设计体会,对这些问题提出一些见解和看法,希望能对设计人员有一定的启发作用。
1 涵台尺寸的验算
涵洞通道的涵台材料一般为素混凝土,因此,涵台尺寸可采用《公路圬工桥涵设计规范》(JTGD61-2005)的公式进行强度和稳定验算,可把涵台看作为轻型桥台,按上下端为简支的竖粱进行计算。计算项目主要包括涵台的偏心距、偏心受压承载力、抗弯拉强度、抗剪强度、局部承压等。一般说来,抗压、抗剪、局部承压强度比较容易满足规范要求。在涵顶填土比较小的情况下,一般通过限制偏心距的办法来控制涵台尺寸的大小;若涵顶填土比较大,计算的偏心距e不满足≤0.6s(s值为截面或换算截面重心轴至偏心方向截面边缘的距离)的要求时,规范规定按如下公式计算构件的承载力:
式中:Nd一轴向力设计值;
γ0一结构重要性系数;
A一构件截面面积,对于组合截面应按弹性模量比换算为换算截面面积;
W一构件受拉边缘的弹性抵抗矩;
ftmd一构件受拉边层的弯曲抗拉强度设计值;
e一轴向力偏心距;
φ一砌体偏心受压构件承载力影响系数。
当构件截面的轴向力较小,而偏心距e比较大,超过规范规定的限值时,截面的受拉边还有可能小于抗弯拉强度设计值,在这种情况下可按上述公式进行计算。按此公式验算,结构将不出现裂缝,因此就不需要通过限制偏心距的方法来控制结构的裂缝。由此可见,对于高填土的涵洞通道,一般通过验算受拉边层的抗弯拉强度来控制涵台尺寸的大小。
2 涵顶填土垂直压力的计算
影响涵洞结构设计的因素有多方面,对高填土涵洞来说,控制荷载为涵顶覆土的垂直压力。公路规范一般按σ=γH来计算土的垂直压应力,但此公式不能正确反映具体工况下涵顶的真实土压力。影响涵顶覆土垂直压力的因素较多,其中涵顶覆土与其两侧土体的沉降差是土压力大小的重要影响因素,考虑此影响,可按如下公式计算土的垂直压应力:
σ=KγH
式中: σ一土的垂直压应力;
K一不同工况下土的垂直压应力系数;
γ一涵顶土体的容重;
H一涵顶的填土高。
如图1所示,在路基施工完成后,填土将发生一定的沉降,涵顶覆土与其两侧填土的沉降量有可能不一致,导致两者间产生摩擦力F。若涵顶覆土的沉降小于两侧填土的沉降,涵顶覆土所受的摩擦力F方向向下,涵洞覆土的垂直压力大于其重量,则K>1.0;反之,则K<1.0;若涵顶覆土的沉降等于两侧填土的沉降,两者之间不产生摩擦力,即F=0,涵洞覆土的垂直压力等于其重量,则K=1.0。公路规范的公式仅考虑K=1.0的情况,这是不够全面的。在实际施工中,由于施工方法和施工质量的差异,常会出现涵顶填土的沉降小于两侧填土沉降的情况,此时涵顶承受土体的实际压力大于土柱的重量,即K>1.0,这也是马斯顿及国内许多部门所证实的“等沉陷”理论。对于K>1.0时的取值,国内不同部门或学者的研究结论有所差别,在进行涵洞结构设计时,应重视K值的不同对计算结果的影响,并采取适当的方法确保计算结果接近结构的实际受力状况。
图1 路堤填土沉降示意图
3 地基的处理
高填方涵洞通道一般采用整体式基础,通过计算,其基底应力一般能达到400kPa以上,对于一般地质条件下的基础持力层,这个地基承载力是较难满足的。地质资料显示,一般的粘土地基容许承载力为250kPa左右,一般的强风化岩层地基容许承载力为300～350kPa。由于岩层的埋深较大,涵洞基础以置在土质地基上居多,即使地基的承载力通过基础的宽度和深度修正,也难以满足要求,必然要通过地基换填,换填至承载力较大的地层,方能保证涵洞的受力。换填的材料可选用片石、碎石或素混凝土,换填深度视实际的地质条件而定。高填方涵洞通道地基换填的工程量比较大,不同的地质条件,其换填数量也有差别。
国内有些学者认为,高填方涵洞通道对地基承载力的要求,与一般独立建筑物对地基承载力的要求具有根本的区别。根据相关理论,地基的破坏形式主要有三种:整体剪切破坏、局部剪切破坏、刺入剪切破坏。根据地基土物理力学性能的不同,地基发生破坏的形式也不同。整体剪切破坏常发生在浅埋基础下的密砂或硬粘土等坚实地基中;局部剪切破坏一般发生于中等密实砂土中;而刺入剪切破坏发生在松砂及软土地基中。地基的剪切破坏形式,除了与地基土的性质有关外,还同基础埋置深度、加荷速度等因素有关。一般独立建筑物浅埋基础的地基承载力是指使地基达到完全剪切破坏时的最小压力,而涵洞是埋置在路基内的结构物,可看作是路基土体的一部分,它的沉降变形与周围土体是同步的,首先考虑的是路基的沉降变形和整体稳定,若路基是稳定的,则涵洞也是安全的。
公路规范所给出的各类土的地基容许承载力表及有关计算公式,是根据大量的地基荷载试验资料及已建成桥梁的使用经验,经过统计分析后得到的。由于我国地域广阔,土质情况比较复杂,制订规范时所收集的资料及其代表性也有很大的局限性,根据规范提供的公式计算得到的地基容许承载力值与现场实际测定值有一定的出入,会比现场试验值小一些,这在某些工程上得过验证。由此看来,地堪报告上的地基承载力是留有一定富余的,了解这一点,对设计和施工是有帮助的。
据此可认为,虽然高填土涵洞通道的基底计算应力要比地堪报告所提供的地基承载力要大,但此计算应力并不是控制设计与施工的关键因素,根据“涵洞本身是路基的一部分”的指导思想,重要的是对地基的处理,保证地基的均匀性和稳定性,避免基础的不均匀沉降变形,同时增加台背回填土的压实度,加强施工过程的监控力度,重视提高施工质量。实际上,涵洞基础也会发生一定的沉降,但这种沉降应该是微小的,均匀的。沉降是因为地基土层的变形,这种变形在一定程度上提高了地基的承载力。同时,沉降使得涵顶填土的垂直压力变小(即K<1.0),对涵洞本身也起到减荷作用。
4 结束语
随着我国公路建设的不断发展和交通运输行业持续增长，对公路的使用性能与质量将会进一步提高。因此，在公路涵洞的设计中，应该本着“安全、适用、经济、美观”的设计原则，不断提高细部设计的质量，只有这样才能满足高性能、高质量的公路发展趋势。
参考文献
[1] 刘丽，山区高速公路涵洞总体设计[J]山西交通科技，2010.04
[2] 卓雪竹，公路涵洞设计的若干问题探讨[J]西南公路，2011.01
