徐建明，肖本林，胡其志，肖衡林

(1. 湖北省漢十高速公路管理處， 湖北 武漢 430051；2. 湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

吹填土通常強(qiáng)度較低，壓縮性較大。在吹填土地基上進(jìn)行涵洞工程建設(shè)是巖土工程領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)難題[1]。涵洞的“埋深效應(yīng)”限制了基底土體的側(cè)向擠出，其作用相當(dāng)于旁壓荷載，有效地提高了地基土的整體穩(wěn)定性[2, 3]。涵洞本身可看作路基的一部分，首先考慮的是路基沉降和整體穩(wěn)定。特別對(duì)吹填土地基上的涵洞，按一般建筑物要求進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算就失去了實(shí)際意義[4, 5]。吹填土地基在發(fā)生整體滑移前及在剪切破壞過程中，都將產(chǎn)生壓縮現(xiàn)象或由于土質(zhì)松軟而出現(xiàn)局部破壞或沖剪破壞，因此地基處理時(shí)要對(duì)涵洞沉降進(jìn)行控制[6, 7]。目前，我國在地基處理設(shè)計(jì)和施工中重視地基強(qiáng)度而忽視沉降控制，是涵洞工程經(jīng)常出現(xiàn)事故的原因之一。

馬強(qiáng)等計(jì)算結(jié)果表明[8]，涵洞地基壓縮模量越大，涵洞頂部受到的土壓力越大，涵頂應(yīng)力集中現(xiàn)象越嚴(yán)重，同時(shí)對(duì)涵洞構(gòu)造物強(qiáng)度的要求就越高。高填路堤下涵洞設(shè)計(jì)時(shí)，由于設(shè)計(jì)人員未充分認(rèn)識(shí)高填方路段涵洞構(gòu)造物及其地基的特點(diǎn)，對(duì)地基的承載力提出了過高的要求，從而使地基基礎(chǔ)方案過于保守，不僅增加了成本，而且對(duì)結(jié)構(gòu)物受力帶來不利影響。

涵洞地基處理重要的是要保證地基的均勻性，避免由于基礎(chǔ)不均勻沉降而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物的破壞。在涵洞高程設(shè)計(jì)中，適當(dāng)考慮一定的沉降量是必要的，合理的沉降縫設(shè)置可避免不均勻沉降引起的結(jié)構(gòu)物破壞。涵洞地基處理時(shí)只需滿足合理的承載力要求，不必將承載力要求提得過高[6,7]，這樣一方面可以簡化處理、節(jié)約造價(jià)，另外一方面有利于改善構(gòu)造物受力狀況。

1 涵洞地基處理原則及流程

對(duì)涵洞地基承載力理論研究表明[7]，地基處理時(shí)宜適當(dāng)考慮固結(jié)、壓密等作用引起的地基承載力增長，對(duì)地基承載力修正計(jì)算后再確定合理的處理方案。

在吹填土上修筑路堤或構(gòu)造物，應(yīng)以控制沉降作為主要目標(biāo)，處理的原則如下：(1) 對(duì)地基強(qiáng)度和變形要求較高的構(gòu)造物采用深層處理；(2) 地基強(qiáng)度和變形要求較小的一般涵洞和低路堤采用淺層處理。

涵洞地基處理流程如圖1所示。在涵洞地基處理時(shí)先考慮硬殼層的應(yīng)力擴(kuò)散作用，并對(duì)地基承載力的深寬修正，當(dāng)承載力不足時(shí)，進(jìn)行地基處理，然后再對(duì)處理后的地基承載力進(jìn)行修正。

圖1 涵洞地基處理流程

由于吹填土具有高壓縮性和低承載力等特點(diǎn)，其處理措施主要是減少變形和提高強(qiáng)度。加筋墊層法多用于公路構(gòu)造物的地基處理，當(dāng)吹填土地基的承載力和變形滿足不了設(shè)計(jì)要求，而吹填土頂部具有一定厚度硬殼層時(shí)，為利用硬殼層的強(qiáng)度，在其頂部分層填筑強(qiáng)度較高的砂(碎石、灰土、爐渣、粉煤灰)或其他性能穩(wěn)定、無侵蝕性的材料，并壓實(shí)至要求的密實(shí)度，并在其內(nèi)部加鋪土工格柵提高墊層抵抗變形破壞的能力，有效地提高荷載在墊層中的擴(kuò)散作用，減小涵洞地基沉降與差異沉降。

2 數(shù)值模擬分析

對(duì)圖2所示涵洞地基進(jìn)行加筋墊層處理，數(shù)值模擬所需的土性參數(shù)通過原位取土和室內(nèi)試驗(yàn)得到，主要計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)取值

圖2 數(shù)值模擬幾何模型示意

如圖2所示，涵洞結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土蓋板涵，涵洞洞身高度h=4 m，基礎(chǔ)寬D=5 m，涵洞寬b=4 m，涵頂填土為含有黏粒的碎石土，最大填土高度H=8 m。為考慮地基處理效果，涵洞地基進(jìn)行均一化處理，基底為經(jīng)過固結(jié)排水后的淤泥質(zhì)黏土，平均厚度約2.0 m；第二層為淤泥，平均厚度約1.0 m；第三層為黏土，未揭穿(數(shù)值模擬中該層厚度取20.0 m)。

采用PLAXIS軟件建立有限元模型，網(wǎng)格劃分采用15節(jié)點(diǎn)三角形高精度單元，在土與涵洞結(jié)構(gòu)的界面設(shè)置接觸單元來模擬兩者之間的相對(duì)滑移。下臥層底部采用固定約束模擬基巖，模型兩側(cè)采用水平約束模擬無限長范圍。涵體采用服從胡克定律的理想線彈性模型，土體采用服從摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型。

2.1 加筋墊層的寬度

通過設(shè)置加筋墊層來進(jìn)行數(shù)值模擬，加筋墊層的厚度為1 m，格柵鋪設(shè)一層，鋪設(shè)于墊層中間，研究不同墊層寬度時(shí)涵頂土壓力與涵體位移，結(jié)果如圖3和圖4所示，圖中加筋墊層的寬度為涵洞下墊層的總寬度。

圖3 墊層寬度與涵頂壓力關(guān)系

圖4 墊層寬度與涵體位移關(guān)系

從圖3可以看出，加筋墊層寬度為5 m，即僅處理基礎(chǔ)正下方范圍地基時(shí)，由于基礎(chǔ)兩側(cè)地基沉降大于加固區(qū)沉降，涵洞臺(tái)背兩側(cè)填土相對(duì)涵體有一個(gè)向下的位移，對(duì)涵體產(chǎn)生向下的拖拽力，使涵頂壓力增大，此時(shí)涵頂壓力比地基不處理時(shí)增大約24 kPa，當(dāng)?shù)鼗幚韺挾却笥?0 m以后，隨著加筋墊層寬度增大，涵頂垂直土壓力急劇減小。

從圖4可以看出，加筋墊層寬度為10～15 m時(shí)，涵體位移得到較好的控制，當(dāng)加筋墊層寬度大于10 m以后，涵體位移趨于平穩(wěn)。因此，加筋墊層的寬度宜為10 m，即超出基礎(chǔ)邊緣兩側(cè)各2.5 m。

2.2 加筋墊層厚度

通過設(shè)置加筋墊層來進(jìn)行數(shù)值模擬，加筋墊層格柵鋪設(shè)一層，鋪設(shè)于墊層中間，研究不同墊層厚度時(shí)涵頂土壓力與涵體位移，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 墊層厚度與涵頂壓力的關(guān)系

由圖5可看出，涵頂壓力隨著加筋墊層厚度的增加呈非線性增大。墊層厚度從0增加到1 m，涵頂壓力增大約3 kPa；從1 m增加到1.5 m，涵頂壓力增大約19 kPa。

圖6 墊層厚度與涵體位移的關(guān)系

由圖6可看出，隨加筋墊層厚度的增加，涵體豎向位移減小，墊層越厚，涵體豎向位移減小越多。墊層厚度從0增加到0.5 m，涵體豎向位移減小約3 cm；從1 m增加到1.5 m，涵體豎向位移減小約20 cm。

因此，加筋墊層厚度過厚時(shí)，雖然能夠減小涵體豎向位移，但是會(huì)引起涵頂壓力的增加，且增大處理費(fèi)用。在涵洞基底進(jìn)行加筋墊層處理時(shí)，墊層厚度的確定應(yīng)在規(guī)范對(duì)涵洞沉降的控制要求的基礎(chǔ)上，綜合考慮墊層設(shè)置對(duì)涵頂垂直土壓力的影響。

2.3 墊層強(qiáng)度參數(shù)

通過改變加筋墊層填料的強(qiáng)度參數(shù)、值來分析墊層材料參數(shù)對(duì)涵洞土壓力與位移的影響，數(shù)值模擬中加筋墊層的厚度為1 m，格柵鋪設(shè)一層于墊層中間。不同墊層參數(shù)時(shí)涵頂土壓力與涵體位移結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 涵體位移與墊層強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系

圖8 涵頂垂直土壓力與墊層強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系

由圖7可知，涵頂垂直土壓力隨墊層c、φ值的增大而有所增大。總體來看墊層c、φ值對(duì)涵頂土壓的影響不超過15%。

由圖8可知，涵洞豎向位移隨墊層c、φ值的增大而減小，并最終趨于穩(wěn)定。因此，為減小吹填土地基上方涵洞的沉降，應(yīng)采用c、φ值較大的墊層填料。

2.4 格柵層數(shù)

通過數(shù)值模擬手段，對(duì)無筋換填墊層和不同加筋層數(shù)時(shí)加筋墊層法的處理效果進(jìn)行研究。格柵設(shè)于1 m墊層中部，多層格柵時(shí)，格柵之間間距40 cm。不同加筋層數(shù)時(shí)涵頂土壓力與涵體位移計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 涵頂壓力和涵體豎向位移

由表2可知，在涵洞基底采用換填墊層法處理以后，涵洞豎向位移得到有效的控制，但同時(shí)會(huì)引起涵頂土壓力的增加。墊層中加入格柵以后，涵洞豎向位移進(jìn)一步減小，涵頂土壓力基本不變。隨著加筋層數(shù)的增加，涵體位移逐漸減小，但是通過增加層數(shù)來減小涵體位移的效果逐漸減弱。

因此，在進(jìn)行涵洞加筋地基設(shè)計(jì)時(shí)，加筋層數(shù)的設(shè)置要考慮加筋效果，過多加筋層數(shù)往往使格柵的加筋效率降低。

在1 m厚墊層中鋪設(shè)3層格柵時(shí)，自上而下三層格柵軸力分布如圖9所示。由圖9可以看出，下層格柵的軸力大于上層格柵軸力。且格柵軸力沿格柵分布不均勻，在墊層中心約1/3范圍內(nèi)，格柵軸力很小，在基底左右兩側(cè)1/3范圍內(nèi)格柵軸力相對(duì)較大。因此，在加筋墊層設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮在墊層不同位置鋪設(shè)不同強(qiáng)度的格柵，且在墊層左右兩側(cè)1/3范圍加鋪一層格柵或采用格柵反包形式，以提高格柵加筋效率。

圖9 格柵軸向拉力

2.5 格柵剛度

通過數(shù)值模擬對(duì)加筋墊層法采用不同剛度的格柵進(jìn)行加筋時(shí)的處理效果進(jìn)行研究。加筋層數(shù)為三層，格柵等間距布置于1 m厚的砂墊層中，不同剛度格柵加筋時(shí)涵頂土壓力與涵體位移計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 涵頂壓力與涵體豎向位移

由表3可知，在涵洞基底采用換填墊層法處理以后，涵洞豎向位移得到有效的控制，但同時(shí)會(huì)引起涵頂土壓力的增加。墊層中加入格柵以后，涵洞豎向位移進(jìn)一步減小，涵頂土壓力基本不變。隨著格柵剛度的增加，涵體位移逐漸減小，但是通過提高格柵剛度來減小涵體位移的效果逐漸減弱。

3 結(jié) 語

加筋墊層法能夠有效地減小吹填土地基上涵洞的沉降，涵頂土壓力隨加筋墊層寬度的增大而減小，并逐漸趨于穩(wěn)定，隨墊層厚度及其強(qiáng)度參數(shù)的增加呈非線性增大，涵體沉降得以有效減小。加筋層數(shù)和格柵剛度的增加對(duì)減小涵體沉降有一定的作用，但同時(shí)會(huì)使涵頂土壓力增大。在工程實(shí)踐中可采用加筋墊層法對(duì)涵洞吹填土地基進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)沉降與涵頂壓力綜合考慮，選取恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)。

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