高填土涵洞加固實例
孫忠玉
（咸寧市公路管理處 湖北咸寧437100）
摘要： 通過工程實例，論述了軟弱地基上高填土涵洞裂縫的表現形式、產生原因以及加固方案的比選，總結了經驗教訓。
關鍵詞： 軟弱地基； 高填土涵洞； 裂縫； 表現形式； 原因； 加固方案； 比選； 經驗教訓
1 概況
漢（口）十（堰）高速公路武當山至許家棚段K425+640涵洞，365JT設計為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（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，設計地基容許承載力300Kpa。工程于2000年2月中旬動工，9月初完工。同年11月底，當填土到洞頂以上3m時，臺身、基礎陸續出現裂縫。
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砂土，厚度0.8～1.6m，實測承載力317Kpa（輕型貫入儀法）；下臥層屬可塑淤泥質亞砂土，厚度0～5.6m，實測承載力190Kpa； 涵洞兩端靠近山腳，部分持力層為強風化絹石英頁巖。洞頂及臺背填土為砂性土（含風化石），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，對于壓路機無法碾壓的邊、角部位采用小型振動夯壓實。涵洞開裂后路基365JT施工并未停止，2001年1月初填土至設計標高。
3 裂縫的表現形式
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開裂），并向涵洞中部擴展延伸，最后發展成2道寬0～23mm的水平裂縫，一道裂縫出現在臺身底面（基礎頂面），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。一個月后，又發現涵洞中部的基礎跨中截面附近出現明顯開裂，最后發展成3道沿涵洞縱向的通長裂縫，其中最寬的1道有0.5～6.0mm，裂縫表現為涵洞中部寬兩端窄。
裂縫長度、寬度和數量隨著填土的增高而發展，發展的速率先由慢到快，填土停止后，隨著土的固結，又由快到慢，6個月后，裂縫趨于穩定。
4 裂縫原因分析
4.1主觀原因分析
（1）在對地基進行分析評價時，承包商由于缺少相關知識的儲備，不了解高填土涵洞與一般涵洞的區別，不了解整體式基礎和梁式輕型橋臺的受力特點，不了解沉降會引起結構產生附加內力，只注意到持力層的承載力已滿足設計要求，而忽視了對下臥層承載力和沉降值的驗算，片面地認為僅僅產生的沉降可能偏大一些，但不會危及涵洞的安全；再加上業主、監理考慮到換填處理的費用較大，因此從節省投資的愿望出發，決定不進行地基處理。
（2）承包商未能察覺圖紙中臺身長短不一（圖2）的錯誤。
4.2客觀原因分析
(1)基礎裂縫
整體式基礎為一置于彈性地基上的矩形板，直接承受重載處的地基應力大，遠離重載處的地基應力小，地基應力與沉降成正比［1］。由于下臥層強度低、壓縮性大，在洞頂和臺背填土的作用下，基礎邊緣的地基應力首先超過容許承載力，產生較大塑性變形，引起地基應力重新分布；隨著填土的增高，基礎的變形要與地基的變形逐漸協調一致，當產生的彎矩超過計算彎矩時，導致基礎在跨中截面附近出現明顯開裂。
(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，短邊臺身不可能發生向跨中的移動，此時其臺背土壓力只能是靜止土壓力；當填土達到一定高度時，臺身結構抗力及靜止土壓力無法抗衡長邊臺背的主動土壓力，臺身結構產生向短邊臺背方向的轉動，由于背墻附近的填土密實度偏低，使得轉動繞墻踵（趾）進行，導致臺身底面開裂，這時靜止土壓力又轉變為被動土壓力；因為被動土壓力遠遠大于設計時假設的極限主動土壓力，所以轉動發生不久，產生的彎矩就超過臺身的彎矩抗力（臺身的受力特點為簡支梁），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］
基礎和臺身裂縫屬荷載作用下的彎曲受拉裂縫。基礎裂縫的最大寬度超過容許裂縫寬度，影響到結構的正常使用和耐久性，但基礎中的受拉鋼筋遠未達到屈服強度，基礎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度低（尤其是臺身底面），脆性大，開裂時的荷載比較接近破壞荷載，當出現荷載引起的裂縫時，往往是結構破壞的前兆，只是由于臺背土抗力的平衡作用，才尚未垮塌。因此加固的重點是臺身，并應盡快加固。
6 加固方案
6.1方案1——內嵌箱型結構法（圖3）。涵洞上游的匯水面積不大，因此可在涵洞內增設一個L0×h0=3.2×1.5m的鋼筋砼箱型結構，結構壁厚40cm，砼強度等級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）。在涵洞內將臺身和基礎各加厚50cm，所用材料與原結構的相同，基礎主筋φ12@15cm，分布筋φ12@20cm。為加強與原結構的結合，接觸面需經鑿毛處理。
6.3方案3——托梁拔柱法［3］。此方法是在不拆上部結構的情況下實施拆除下部結構的一門綜合性365JT技術。包括相關結構加固技術，上部結構頂升技術及下部結構拆除技術等。
施工工藝：在涵洞內用千斤頂頂升開裂臺身的上構，用枕木搭設臨時支撐；拆除臺身裂縫上下各0.5 m范圍內的漿砌塊石，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（摻早強劑）；達到設計強度后，拆除臨時支撐，轉入下一段的施工；處理完臺身裂縫，再在原基礎上現澆一層厚50cm的鋼筋砼板，砼強度等級、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施，這勢必造成工程延期和癥狀進一步惡化。方案1改變了涵洞的結構體系，相當于在涵洞內部增設了一個剛構支撐，阻止了裂縫的繼續發展，使結構的內力和變形大大減小，同時又充分利用了原有結構，保證了新老結構共同受力；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行加固（三種方案的比較見表1）。
加固處理后一年多的監測結果表明，加固方案是成功的，達到了預期的效果，竣工驗收合格。
表1
方案名稱 造價（萬元） 工期（天） 施工難度 施工安全性 加固后的結構可靠性
內嵌箱型結構法（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 經驗教訓
7.1地基容許承載力不是一個常數，它是和構造物的容許變形值密切聯系在一起的。構筑物對變形的要求高時，容許承載力就應該控制得小一些，反之就可以用得大一些。下臥層為軟弱土時，持力層的承載力取值主要不是根據持力層的性質來確定，而主要由下臥層的強度和變形所控制［4］。
7.2采用整體式基礎，可以降低地基的平均應力，但應力的分布不均勻，容易產生不均勻沉降［1］；梁式輕型橋臺臺身與上部構造、支撐梁一起組成的四鉸框架是幾何可變結構，它缺少的一個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，地基土質不良時，不宜采用此種結構類型的涵洞。
7.3對于高填土整體式基礎的涵洞，其基礎的受力特點相當于地下室基礎，建議按深基礎（埋深H1≥5m）設計。臺背填土不僅會對涵洞地基產生附加壓應力，同時還由于沉降差的存在，臺背與填土之間會產生負摩阻力，進一步
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增大地基的應力應變［6］。
7.4斜交涵洞沉降縫劃分時，若不能保證一塊基礎板上的兩側臺身長度一致，臺身應按柔性墩臺計算［7］。
7.5澆注鋼筋砼基礎時，由于操作不當上部鋼筋網易產生下沉，導致基礎彎矩抗力減少，跨中截面過早開裂。
7.6因填土高度不等，基礎沿涵洞縱向會產生中部大兩端小的沉降，為了確保流水暢通，基礎沿縱向應預留拱度。
7.7軟弱地基抗剪強度低，固結慢，填土時需控制地基中各點剪應力的增加值小于或慢于土的強度增長。
參考文獻
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