高填土涵洞加固实例
孙忠玉
（咸宁市公路管理处 湖北咸宁437100）
摘要： 通过工程实例，论述了软弱地基上高填土涵洞裂缝的表现形式、产生原因以及加固方案的比选，总结了经验教训。
关键词： 软弱地基； 高填土涵洞； 裂缝； 表现形式； 原因； 加固方案； 比选； 经验教训
1 概况
汉（口）十（堰）高速公路武当山至许家棚段K425+640涵洞，365JT设计为L0×h0=4.0×4.5m的盖板涵， M7.5号浆砌块石台身，C25级钢筋砼整体式基础（截面见图1）。涵洞全长88.50m，斜交角135°，洞顶最大填土高度11.38m，设计地基容许承载力300Kpa。工程于2000年2月中旬动工，9月初完工。同年11月底，当填土到洞顶以上3m时，台身、基础陆续出现裂缝。
2 地基及填土情况
涵址位于无明显冲沟的谷地，持力层主要为冲洪积中密细砂土，厚度0.8～1.6m，实测承载力317Kpa（轻型贯入仪法）；下卧层属可塑淤泥质亚砂土，厚度0～5.6m，实测承载力190Kpa； 涵洞两端靠近山脚，部分持力层为强风化绢石英页岩。洞顶及台背填土为砂性土（含风化石），最佳含水量10.13%，最大干容重19.73KN/m3。台背填土对称分层填筑，对于压路机无法碾压的边、角部位采用小型振动夯压实。涵洞开裂后路基365JT施工并未停止，2001年1月初填土至设计标高。
3 裂缝的表现形式
涵洞两端的短边台身前墙首先开裂（可以想见，长边台身背墙也同时开裂），并向涵洞中部扩展延伸，最后发展成2道宽0～23mm的水平裂缝，一道裂缝出现在台身底面（基础顶面），一道位于台身底面以上1.2～1.7m，涵洞中部约50m长的台身保持完好。一个月后，又发现涵洞中部的基础跨中截面附近出现明显开裂，最后发展成3道沿涵洞纵向的通长裂缝，其中最宽的1道有0.5～6.0mm，裂缝表现为涵洞中部宽两端窄。
裂缝长度、宽度和数量随着填土的增高而发展，发展的速率先由慢到快，填土停止后，随着土的固结，又由快到慢，6个月后，裂缝趋于稳定。
4 裂缝原因分析
4.1主观原因分析
（1）在对地基进行分析评价时，承包商由于缺少相关知识的储备，不了解高填土涵洞与一般涵洞的区别，不了解整体式基础和梁式轻型桥台的受力特点，不了解沉降会引起结构产生附加内力，只注意到持力层的承载力已满足设计要求，而忽视了对下卧层承载力和沉降值的验算，片面地认为仅仅产生的沉降可能偏大一些，但不会危及涵洞的安全；再加上业主、监理考虑到换填处理的费用较大，因此从节省投资的愿望出发，决定不进行地基处理。
（2）承包商未能察觉图纸中台身长短不一（图2）的错误。
4.2客观原因分析
(1)基础裂缝
整体式基础为一置于弹性地基上的矩形板，直接承受重载处的地基应力大，远离重载处的地基应力小，地基应力与沉降成正比［1］。由于下卧层强度低、压缩性大，在洞顶和台背填土的作用下，基础边缘的地基应力首先超过容许承载力，产生较大塑性变形，引起地基应力重新分布；随着填土的增高，基础的变形要与地基的变形逐渐协调一致，当产生的弯矩超过计算弯矩时，导致基础在跨中截面附近出现明显开裂。
(2)台身裂缝
填土初期，受涵洞两端的台身长短悬殊和地基不均匀沉降的影响，短边台身不可能发生向跨中的移动，此时其台背土压力只能是静止土压力；当填土达到一定高度时，台身结构抗力及静止土压力无法抗衡长边台背的主动土压力，台身结构产生向短边台背方向的转动，由于背墙附近的填土密实度偏低，使得转动绕墙踵（趾）进行，导致台身底面开裂，这时静止土压力又转变为被动土压力；因为被动土压力远远大于设计时假设的极限主动土压力，所以转动发生不久，产生的弯矩就超过台身的弯矩抗力（台身的受力特点为简支梁），短边台身又在抗弯曲能力最薄弱的截面开裂。
5 裂缝危害性评估［2］
基础和台身裂缝属荷载作用下的弯曲受拉裂缝。基础裂缝的最大宽度超过容许裂缝宽度，影响到结构的正常使用和耐久性，但基础中的受拉钢筋远未达到屈服强度，基础处于带裂缝工作阶段，承载能力满足要求。浆砌块石台身的抗弯拉强度低（尤其是台身底面），脆性大，开裂时的荷载比较接近破坏荷载，当出现荷载引起的裂缝时，往往是结构破坏的前兆，只是由于台背土抗力的平衡作用，才尚未垮塌。因此加固的重点是台身，并应尽快加固。
6 加固方案
6.1方案1——内嵌箱型结构法（图3）。涵洞上游的汇水面积不大，因此可在涵洞内增设一个L0×h0=3.2×1.5m的钢筋砼箱型结构，结构壁厚40cm，砼强度等级C30，四周配置双层受力钢筋。台身开裂的段落，主筋φ22@10cm，分布筋φ12@15cm；其它段落，主筋φ12@15cm，分布筋φ12@20cm。
6.2方案2——增大截面法（图4）。在涵洞内将台身和基础各加厚50cm，所用材料与原结构的相同，基础主筋φ12@15cm，分布筋φ12@20cm。为加强与原结构的结合，接触面需经凿毛处理。
6.3方案3——托梁拔柱法［3］。此方法是在不拆上部结构的情况下实施拆除下部结构的一门综合性365JT技术。包括相关结构加固技术，上部结构顶升技术及下部结构拆除技术等。
施工工艺：在涵洞内用千斤顶顶升开裂台身的上构，用枕木搭设临时支撑；拆除台身裂缝上下各0.5 m范围内的浆砌块石，最里面的一皮块石不拆，以抵挡台背填土，为防止上部台身塌落，采用间隔拆除的方法，每处的拆除长度不超过2m；然后立模压注C30小石子砼（掺早强剂）；达到设计强度后，拆除临时支撑，转入下一段的施工；处理完台身裂缝，再在原基础上现浇一层厚50cm的钢筋砼板，砼强度等级、钢筋型号及布置与方案2相同。
6.4加固方案的比选及加固效果
方案2、方案3需等待涵洞的沉降变形完全停止后才能实施，这势必造成工程延期和症状进一步恶化。方案1改变了涵洞的结构体系，相当于在涵洞内部增设了一个刚构支撑，阻止了裂缝的继续发展，使结构的内力和变形大大减小，同时又充分利用了原有结构，保证了新老结构共同受力；竣工后上面行人，下面过水，使用功能没有大的降低，因此决定采用此方案进行加固（三种方案的比较见表1）。
加固处理后一年多的监测结果表明，加固方案是成功的，达到了预期的效果，竣工验收合格。
表1
方案名称 造价（万元） 工期（天） 施工难度 施工安全性 加固后的结构可靠性
内嵌箱型结构法（1） 27.8 50 小 安全 可靠
增大截面法（2） 14.7 60 较大 安全 不一定可靠
托梁拔柱法（3） 12.6 30 大 不安全 不一定可靠
7 经验教训
7.1地基容许承载力不是一个常数，它是和构造物的容许变形值密切联系在一起的。构筑物对变形的要求高时，容许承载力就应该控制得小一些，反之就可以用得大一些。下卧层为软弱土时，持力层的承载力取值主要不是根据持力层的性质来确定，而主要由下卧层的强度和变形所控制［4］。
7.2采用整体式基础，可以降低地基的平均应力，但应力的分布不均匀，容易产生不均匀沉降［1］；梁式轻型桥台台身与上部构造、支撑梁一起组成的四铰框架是几何可变结构，它缺少的一个约束靠台背对称恒定的土压力提供［5］，而地基不均匀沉降会破坏这种平衡；因此，地基土质不良时，不宜采用此种结构类型的涵洞。
7.3对于高填土整体式基础的涵洞，其基础的受力特点相当于地下室基础，建议按深基础（埋深H1≥5m）设计。台背填土不仅会对涵洞地基产生附加压应力，同时还由于沉降差的存在，台背与填土之间会产生负摩阻力，进一步
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增大地基的应力应变［6］。
7.4斜交涵洞沉降缝划分时，若不能保证一块基础板上的两侧台身长度一致，台身应按柔性墩台计算［7］。
7.5浇注钢筋砼基础时，由于操作不当上部钢筋网易产生下沉，导致基础弯矩抗力减少，跨中截面过早开裂。
7.6因填土高度不等，基础沿涵洞纵向会产生中部大两端小的沉降，为了确保流水畅通，基础沿纵向应预留拱度。
7.7软弱地基抗剪强度低，固结慢，填土时需控制地基中各点剪应力的增加值小于或慢于土的强度增长。
参考文献
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