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，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0.5m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）27.850小安全可靠
增大截面法（2）14.760較大安全不一定可靠
托梁拔柱法（3）12.630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
[1]何柏春．小橋涵鋼筋混凝土板整體式基礎設計淺析[J]．華東公路，1994，4：17～19
[2]楊文淵，牛奔．橋梁維修與加固[M]．北京：人民交通出版社，1992．146～150
[3]萬墨林，韓繼云．混凝土結構加固技術[M]．北京：中國建筑出版社，1995．157～161
[4]中華人民共和國行業標準．JTJ024—85地基與基礎設計規范條文說明[S]．北京：人民交通出版社，1985
[5]江祖銘，王崇禮．墩臺與基礎[M]．北京：人民交通出版社，1996·268
[6]陳素君.．高填方涵洞的基礎設計[J]．公路，1998，4：38
[7]王伯惠，徐風云．柔性墩臺梁式橋設計[M]．北京：人民交通出版社，1991．8
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，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0.5m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）27.850小安全可靠
增大截面法（2）14.760較大安全不一定可靠
托梁拔柱法（3）12.630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
[1]何柏春．小橋涵鋼筋混凝土板整體式基礎設計淺析[J]．華東公路，1994，4：17～19
[2]楊文淵，牛奔．橋梁維修與加固[M]．北京：人民交通出版社，1992．146～150
[3]萬墨林，韓繼云．混凝土結構加固技術[M]．北京：中國建筑出版社，1995．157～161
[4]中華人民共和國行業標準．JTJ024—85地基與基礎設計規范條文說明[S]．北京：人民交通出版社，1985
[5]江祖銘，王崇禮．墩臺與基礎[M]．北京：人民交通出版社，1996·268
[6]陳素君.．高填方涵洞的基礎設計[J]．公路，1998，4：38
[7]王伯惠，徐風云．柔性墩臺梁式橋設計[M]．北京：人民交通出版社，1991．8
