高填土涵洞加固實(shí)例
孫忠玉
（咸寧市公路管理處 湖北咸寧437100）
摘要： 通過工程實(shí)例，論述了軟弱地基上高填土涵洞裂縫的表現(xiàn)形式、產(chǎn)生原因以及加固方案的比選，總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。
關(guān)鍵詞： 軟弱地基； 高填土涵洞； 裂縫； 表現(xiàn)形式； 原因； 加固方案； 比選； 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)
1 概況
漢（口）十（堰）高速公路武當(dāng)山至許家棚段K425+640涵洞，365JT設(shè)計(jì)為L0×h0=4.0×4.5m的蓋板涵， M7.5號漿砌塊石臺身，C25級鋼筋砼整體式基礎(chǔ)（截面見圖1）。涵洞全長88.50m，斜交角135°，洞頂最大填土高度11.38m，設(shè)計(jì)地基容許承載力300Kpa。工程于2000年2月中旬動工，9月初完工。同年11月底，當(dāng)填土到洞頂以上3m時(shí)，臺身、基礎(chǔ)陸續(xù)出現(xiàn)裂縫。
2 地基及填土情況
涵址位于無明顯沖溝的谷地，持力層主要為沖洪積中密細(xì)砂土，厚度0.8～1.6m，實(shí)測承載力317Kpa（輕型貫入儀法）；下臥層屬可塑淤泥質(zhì)亞砂土，厚度0～5.6m，實(shí)測承載力190Kpa； 涵洞兩端靠近山腳，部分持力層為強(qiáng)風(fēng)化絹石英頁巖。洞頂及臺背填土為砂性土（含風(fēng)化石），最佳含水量10.13%，最大干容重19.73KN/m3。臺背填土對稱分層填筑，對于壓路機(jī)無法碾壓的邊、角部位采用小型振動夯壓實(shí)。涵洞開裂后路基365JT施工并未停止，2001年1月初填土至設(shè)計(jì)標(biāo)高。
3 裂縫的表現(xiàn)形式
涵洞兩端的短邊臺身前墻首先開裂（可以想見，長邊臺身背墻也同時(shí)開裂），并向涵洞中部擴(kuò)展延伸，最后發(fā)展成2道寬0～23mm的水平裂縫，一道裂縫出現(xiàn)在臺身底面（基礎(chǔ)頂面），一道位于臺身底面以上1.2～1.7m，涵洞中部約50m長的臺身保持完好。一個(gè)月后，又發(fā)現(xiàn)涵洞中部的基礎(chǔ)跨中截面附近出現(xiàn)明顯開裂，最后發(fā)展成3道沿涵洞縱向的通長裂縫，其中最寬的1道有0.5～6.0mm，裂縫表現(xiàn)為涵洞中部寬兩端窄。
裂縫長度、寬度和數(shù)量隨著填土的增高而發(fā)展，發(fā)展的速率先由慢到快，填土停止后，隨著土的固結(jié)，又由快到慢，6個(gè)月后，裂縫趨于穩(wěn)定。
4 裂縫原因分析
4.1主觀原因分析
（1）在對地基進(jìn)行分析評價(jià)時(shí)，承包商由于缺少相關(guān)知識的儲備，不了解高填土涵洞與一般涵洞的區(qū)別，不了解整體式基礎(chǔ)和梁式輕型橋臺的受力特點(diǎn)，不了解沉降會引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，只注意到持力層的承載力已滿足設(shè)計(jì)要求，而忽視了對下臥層承載力和沉降值的驗(yàn)算，片面地認(rèn)為僅僅產(chǎn)生的沉降可能偏大一些，但不會危及涵洞的安全；再加上業(yè)主、監(jiān)理考慮到換填處理的費(fèi)用較大，因此從節(jié)省投資的愿望出發(fā)，決定不進(jìn)行地基處理。
（2）承包商未能察覺圖紙中臺身長短不一（圖2）的錯(cuò)誤。
4.2客觀原因分析
(1)基礎(chǔ)裂縫
整體式基礎(chǔ)為一置于彈性地基上的矩形板，直接承受重載處的地基應(yīng)力大，遠(yuǎn)離重載處的地基應(yīng)力小，地基應(yīng)力與沉降成正比［1］。由于下臥層強(qiáng)度低、壓縮性大，在洞頂和臺背填土的作用下，基礎(chǔ)邊緣的地基應(yīng)力首先超過容許承載力，產(chǎn)生較大塑性變形，引起地基應(yīng)力重新分布；隨著填土的增高，基礎(chǔ)的變形要與地基的變形逐漸協(xié)調(diào)一致，當(dāng)產(chǎn)生的彎矩超過計(jì)算彎矩時(shí)，導(dǎo)致基礎(chǔ)在跨中截面附近出現(xiàn)明顯開裂。
(2)臺身裂縫
填土初期，受涵洞兩端的臺身長短懸殊和地基不均勻沉降的影響，短邊臺身不可能發(fā)生向跨中的移動，此時(shí)其臺背土壓力只能是靜止土壓力；當(dāng)填土達(dá)到一定高度時(shí)，臺身結(jié)構(gòu)抗力及靜止土壓力無法抗衡長邊臺背的主動土壓力，臺身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向短邊臺背方向的轉(zhuǎn)動，由于背墻附近的填土密實(shí)度偏低，使得轉(zhuǎn)動繞墻踵（趾）進(jìn)行，導(dǎo)致臺身底面開裂，這時(shí)靜止土壓力又轉(zhuǎn)變?yōu)楸粍油翂毫Γ灰驗(yàn)楸粍油翂毫h(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)的極限主動土壓力，所以轉(zhuǎn)動發(fā)生不久，產(chǎn)生的彎矩就超過臺身的彎矩抗力（臺身的受力特點(diǎn)為簡支梁），短邊臺身又在抗彎曲能力最薄弱的截面開裂。
5 裂縫危害性評估［2］
基礎(chǔ)和臺身裂縫屬荷載作用下的彎曲受拉裂縫。基礎(chǔ)裂縫的最大寬度超過容許裂縫寬度，影響到結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性，但基礎(chǔ)中的受拉鋼筋遠(yuǎn)未達(dá)到屈服強(qiáng)度，基礎(chǔ)處于帶裂縫工作階段，承載能力滿足要求。漿砌塊石臺身的抗彎拉強(qiáng)度低（尤其是臺身底面），脆性大，開裂時(shí)的荷載比較接近破壞荷載，當(dāng)出現(xiàn)荷載引起的裂縫時(shí)，往往是結(jié)構(gòu)破壞的前兆，只是由于臺背土抗力的平衡作用，才尚未垮塌。因此加固的重點(diǎn)是臺身，并應(yīng)盡快加固。
6 加固方案
6.1方案1——內(nèi)嵌箱型結(jié)構(gòu)法（圖3）。涵洞上游的匯水面積不大，因此可在涵洞內(nèi)增設(shè)一個(gè)L0×h0=3.2×1.5m的鋼筋砼箱型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)壁厚40cm，砼強(qiáng)度等級C30，四周配置雙層受力鋼筋。臺身開裂的段落，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（圖4）。在涵洞內(nèi)將臺身和基礎(chǔ)各加厚50cm，所用材料與原結(jié)構(gòu)的相同，基礎(chǔ)主筋φ12@15cm，分布筋φ12@20cm。為加強(qiáng)與原結(jié)構(gòu)的結(jié)合，接觸面需經(jīng)鑿毛處理。
6.3方案3——托梁拔柱法［3］。此方法是在不拆上部結(jié)構(gòu)的情況下實(shí)施拆除下部結(jié)構(gòu)的一門綜合性365JT技術(shù)。包括相關(guān)結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，上部結(jié)構(gòu)頂升技術(shù)及下部結(jié)構(gòu)拆除技術(shù)等。
施工工藝：在涵洞內(nèi)用千斤頂頂升開裂臺身的上構(gòu)，用枕木搭設(shè)臨時(shí)支撐；拆除臺身裂縫上下各0.5 m范圍內(nèi)的漿砌塊石，最里面的一皮塊石不拆，以抵擋臺背填土，為防止上部臺身塌落，采用間隔拆除的方法，每處的拆除長度不超過2m；然后立模壓注C30小石子砼（摻早強(qiáng)劑）；達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除臨時(shí)支撐，轉(zhuǎn)入下一段的施工；處理完臺身裂縫，再在原基礎(chǔ)上現(xiàn)澆一層厚50cm的鋼筋砼板，砼強(qiáng)度等級、鋼筋型號及布置與方案2相同。
6.4加固方案的比選及加固效果
方案2、方案3需等待涵洞的沉降變形完全停止后才能實(shí)施，這勢必造成工程延期和癥狀進(jìn)一步惡化。方案1改變了涵洞的結(jié)構(gòu)體系，相當(dāng)于在涵洞內(nèi)部增設(shè)了一個(gè)剛構(gòu)支撐，阻止了裂縫的繼續(xù)發(fā)展，使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形大大減小，同時(shí)又充分利用了原有結(jié)構(gòu)，保證了新老結(jié)構(gòu)共同受力；竣工后上面行人，下面過水，使用功能沒有大的降低，因此決定采用此方案進(jìn)行加固（三種方案的比較見表1）。
加固處理后一年多的監(jiān)測結(jié)果表明，加固方案是成功的，達(dá)到了預(yù)期的效果，竣工驗(yàn)收合格。
表1
方案名稱 造價(jià)（萬元） 工期（天） 施工難度 施工安全性 加固后的結(jié)構(gòu)可靠性
內(nèi)嵌箱型結(jié)構(gòu)法（1） 27.8 50 小 安全 可靠
增大截面法（2） 14.7 60 較大 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 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)
7.1地基容許承載力不是一個(gè)常數(shù)，它是和構(gòu)造物的容許變形值密切聯(lián)系在一起的。構(gòu)筑物對變形的要求高時(shí)，容許承載力就應(yīng)該控制得小一些，反之就可以用得大一些。下臥層為軟弱土?xí)r，持力層的承載力取值主要不是根據(jù)持力層的性質(zhì)來確定，而主要由下臥層的強(qiáng)度和變形所控制［4］。
7.2采用整體式基礎(chǔ)，可以降低地基的平均應(yīng)力，但應(yīng)力的分布不均勻，容易產(chǎn)生不均勻沉降［1］；梁式輕型橋臺臺身與上部構(gòu)造、支撐梁一起組成的四鉸框架是幾何可變結(jié)構(gòu)，它缺少的一個(gè)約束靠臺背對稱恒定的土壓力提供［5］，而地基不均勻沉降會破壞這種平衡；因此，地基土質(zhì)不良時(shí)，不宜采用此種結(jié)構(gòu)類型的涵洞。
7.3對于高填土整體式基礎(chǔ)的涵洞，其基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)相當(dāng)于地下室基礎(chǔ)，建議按深基礎(chǔ)（埋深H1≥5m）設(shè)計(jì)。臺背填土不僅會對涵洞地基產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，同時(shí)還由于沉降差的存在，臺背與填土之間會產(chǎn)生負(fù)摩阻力，進(jìn)一步
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增大地基的應(yīng)力應(yīng)變［6］。
7.4斜交涵洞沉降縫劃分時(shí)，若不能保證一塊基礎(chǔ)板上的兩側(cè)臺身長度一致，臺身應(yīng)按柔性墩臺計(jì)算［7］。
7.5澆注鋼筋砼基礎(chǔ)時(shí)，由于操作不當(dāng)上部鋼筋網(wǎng)易產(chǎn)生下沉，導(dǎo)致基礎(chǔ)彎矩抗力減少，跨中截面過早開裂。
7.6因填土高度不等，基礎(chǔ)沿涵洞縱向會產(chǎn)生中部大兩端小的沉降，為了確保流水暢通，基礎(chǔ)沿縱向應(yīng)預(yù)留拱度。
7.7軟弱地基抗剪強(qiáng)度低，固結(jié)慢，填土?xí)r需控制地基中各點(diǎn)剪應(yīng)力的增加值小于或慢于土的強(qiáng)度增長。
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