淺談公路涵洞設(shè)計(jì)的體會(huì)
摘 要:隨著公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，涵洞作為公路構(gòu)造物的重要組成部分之一，所起到的作用是不可忽視的。涵洞設(shè)計(jì)的合理與否關(guān)系到整個(gè)公路的工程造價(jià)和使用質(zhì)量。本文主要論述了公路涵洞的設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)過(guò)程中一些注意問(wèn)題，可供相關(guān)設(shè)計(jì)人員作參考。
關(guān)鍵詞:公路,涵洞,規(guī)范,設(shè)計(jì),地基承載力
近幾年，公路建設(shè)事業(yè)不斷加快，在施工中公路不可避免的會(huì)跨越溝谷、溪溝、河流、人工渠道等，以及為了排除路基內(nèi)側(cè)邊溝水流，常常需要修建涵洞。涵洞是公路構(gòu)造物的重要組成部分之一，也是公路工程建設(shè)中的一部分，其設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到工程整體造價(jià)，并且影響著公路的使用質(zhì)量。但是，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，仍存在不少問(wèn)題，以下筆者根據(jù)設(shè)計(jì)體會(huì),對(duì)這些問(wèn)題提出一些見(jiàn)解和看法,希望能對(duì)設(shè)計(jì)人員有一定的啟發(fā)作用。
1 涵臺(tái)尺寸的驗(yàn)算
涵洞通道的涵臺(tái)材料一般為素混凝土,因此,涵臺(tái)尺寸可采用《公路圬工橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD61-2005)的公式進(jìn)行強(qiáng)度和穩(wěn)定驗(yàn)算,可把涵臺(tái)看作為輕型橋臺(tái),按上下端為簡(jiǎn)支的豎粱進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算項(xiàng)目主要包括涵臺(tái)的偏心距、偏心受壓承載力、抗彎拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、局部承壓等。一般說(shuō)來(lái),抗壓、抗剪、局部承壓強(qiáng)度比較容易滿(mǎn)足規(guī)范要求。在涵頂填土比較小的情況下,一般通過(guò)限制偏心距的辦法來(lái)控制涵臺(tái)尺寸的大小;若涵頂填土比較大,計(jì)算的偏心距e不滿(mǎn)足≤0.6s(s值為截面或換算截面重心軸至偏心方向截面邊緣的距離)的要求時(shí),規(guī)范規(guī)定按如下公式計(jì)算構(gòu)件的承載力:
式中:Nd一軸向力設(shè)計(jì)值;
γ0一結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);
A一構(gòu)件截面面積,對(duì)于組合截面應(yīng)按彈性模量比換算為換算截面面積;
W一構(gòu)件受拉邊緣的彈性抵抗矩;
ftmd一構(gòu)件受拉邊層的彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;
e一軸向力偏心距;
φ一砌體偏心受壓構(gòu)件承載力影響系數(shù)。
當(dāng)構(gòu)件截面的軸向力較小,而偏心距e比較大,超過(guò)規(guī)范規(guī)定的限值時(shí),截面的受拉邊還有可能小于抗彎拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,在這種情況下可按上述公式進(jìn)行計(jì)算。按此公式驗(yàn)算,結(jié)構(gòu)將不出現(xiàn)裂縫,因此就不需要通過(guò)限制偏心距的方法來(lái)控制結(jié)構(gòu)的裂縫。由此可見(jiàn),對(duì)于高填土的涵洞通道,一般通過(guò)驗(yàn)算受拉邊層的抗彎拉強(qiáng)度來(lái)控制涵臺(tái)尺寸的大小。
2 涵頂填土垂直壓力的計(jì)算
影響涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的因素有多方面,對(duì)高填土涵洞來(lái)說(shuō),控制荷載為涵頂覆土的垂直壓力。公路規(guī)范一般按σ=γH來(lái)計(jì)算土的垂直壓應(yīng)力,但此公式不能正確反映具體工況下涵頂?shù)恼鎸?shí)土壓力。影響涵頂覆土垂直壓力的因素較多,其中涵頂覆土與其兩側(cè)土體的沉降差是土壓力大小的重要影響因素,考慮此影響,可按如下公式計(jì)算土的垂直壓應(yīng)力:
σ=KγH
式中: σ一土的垂直壓應(yīng)力;
K一不同工況下土的垂直壓應(yīng)力系數(shù);
γ一涵頂土體的容重;
H一涵頂?shù)奶钔粮摺?/p>
如圖1所示,在路基施工完成后,填土將發(fā)生一定的沉降,涵頂覆土與其兩側(cè)填土的沉降量有可能不一致,導(dǎo)致兩者間產(chǎn)生摩擦力F。若涵頂覆土的沉降小于兩側(cè)填土的沉降,涵頂覆土所受的摩擦力F方向向下,涵洞覆土的垂直壓力大于其重量,則K>1.0;反之,則K<1.0;若涵頂覆土的沉降等于兩側(cè)填土的沉降,兩者之間不產(chǎn)生摩擦力,即F=0,涵洞覆土的垂直壓力等于其重量,則K=1.0。公路規(guī)范的公式僅考慮K=1.0的情況,這是不夠全面的。在實(shí)際施工中,由于施工方法和施工質(zhì)量的差異,常會(huì)出現(xiàn)涵頂填土的沉降小于兩側(cè)填土沉降的情況,此時(shí)涵頂承受土體的實(shí)際壓力大于土柱的重量,即K>1.0,這也是馬斯頓及國(guó)內(nèi)許多部門(mén)所證實(shí)的“等沉陷”理論。對(duì)于K>1.0時(shí)的取值,國(guó)內(nèi)不同部門(mén)或?qū)W者的研究結(jié)論有所差別,在進(jìn)行涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)重視K值的不同對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,并采取適當(dāng)?shù)姆椒ù_保計(jì)算結(jié)果接近結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況。
圖1 路堤填土沉降示意圖
3 地基的處理
高填方涵洞通道一般采用整體式基礎(chǔ),通過(guò)計(jì)算,其基底應(yīng)力一般能達(dá)到400kPa以上,對(duì)于一般地質(zhì)條件下的基礎(chǔ)持力層,這個(gè)地基承載力是較難滿(mǎn)足的。地質(zhì)資料顯示,一般的粘土地基容許承載力為250kPa左右,一般的強(qiáng)風(fēng)化巖層地基容許承載力為300～350kPa。由于巖層的埋深較大,涵洞基礎(chǔ)以置在土質(zhì)地基上居多,即使地基的承載力通過(guò)基礎(chǔ)的寬度和深度修正,也難以滿(mǎn)足要求,必然要通過(guò)地基換填,換填至承載力較大的地層,方能保證涵洞的受力。換填的材料可選用片石、碎石或素混凝土,換填深度視實(shí)際的地質(zhì)條件而定。高填方涵洞通道地基換填的工程量比較大,不同的地質(zhì)條件,其換填數(shù)量也有差別。
國(guó)內(nèi)有些學(xué)者認(rèn)為,高填方涵洞通道對(duì)地基承載力的要求,與一般獨(dú)立建筑物對(duì)地基承載力的要求具有根本的區(qū)別。根據(jù)相關(guān)理論,地基的破壞形式主要有三種:整體剪切破壞、局部剪切破壞、刺入剪切破壞。根據(jù)地基土物理力學(xué)性能的不同,地基發(fā)生破壞的形式也不同。整體剪切破壞常發(fā)生在淺埋基礎(chǔ)下的密砂或硬粘土等堅(jiān)實(shí)地基中;局部剪切破壞一般發(fā)生于中等密實(shí)砂土中;而刺入剪切破壞發(fā)生在松砂及軟土地基中。地基的剪切破壞形式,除了與地基土的性質(zhì)有關(guān)外,還同基礎(chǔ)埋置深度、加荷速度等因素有關(guān)。一般獨(dú)立建筑物淺埋基礎(chǔ)的地基承載力是指使地基達(dá)到完全剪切破壞時(shí)的最小壓力,而涵洞是埋置在路基內(nèi)的結(jié)構(gòu)物,可看作是路基土體的一部分,它的沉降變形與周?chē)馏w是同步的,首先考慮的是路基的沉降變形和整體穩(wěn)定,若路基是穩(wěn)定的,則涵洞也是安全的。
公路規(guī)范所給出的各類(lèi)土的地基容許承載力表及有關(guān)計(jì)算公式,是根據(jù)大量的地基荷載試驗(yàn)資料及已建成橋梁的使用經(jīng)驗(yàn),經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析后得到的。由于我國(guó)地域廣闊,土質(zhì)情況比較復(fù)雜,制訂規(guī)范時(shí)所收集的資料及其代表性也有很大的局限性,根據(jù)規(guī)范提供的公式計(jì)算得到的地基容許承載力值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定值有一定的出入,會(huì)比現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)值小一些,這在某些工程上得過(guò)驗(yàn)證。由此看來(lái),地堪報(bào)告上的地基承載力是留有一定富余的,了解這一點(diǎn),對(duì)設(shè)計(jì)和施工是有幫助的。
據(jù)此可認(rèn)為,雖然高填土涵洞通道的基底計(jì)算應(yīng)力要比地堪報(bào)告所提供的地基承載力要大,但此計(jì)算應(yīng)力并不是控制設(shè)計(jì)與施工的關(guān)鍵因素,根據(jù)“涵洞本身是路基的一部分”的指導(dǎo)思想,重要的是對(duì)地基的處理,保證地基的均勻性和穩(wěn)定性,避免基礎(chǔ)的不均勻沉降變形,同時(shí)增加臺(tái)背回填土的壓實(shí)度,加強(qiáng)施工過(guò)程的監(jiān)控力度,重視提高施工質(zhì)量。實(shí)際上,涵洞基礎(chǔ)也會(huì)發(fā)生一定的沉降,但這種沉降應(yīng)該是微小的,均勻的。沉降是因?yàn)榈鼗翆拥淖冃?這種變形在一定程度上提高了地基的承載力。同時(shí),沉降使得涵頂填土的垂直壓力變小(即K<1.0),對(duì)涵洞本身也起到減荷作用。
4 結(jié)束語(yǔ)
隨著我國(guó)公路建設(shè)的不斷發(fā)展和交通運(yùn)輸行業(yè)持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)公路的使用性能與質(zhì)量將會(huì)進(jìn)一步提高。因此，在公路涵洞的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該本著“安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀”的設(shè)計(jì)原則，不斷提高細(xì)部設(shè)計(jì)的質(zhì)量，只有這樣才能滿(mǎn)足高性能、高質(zhì)量的公路發(fā)展趨勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
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