侧填荷载对涵洞地基承载力的影响分析

　　摘要：本文主要探讨涵侧填土对涵洞地基承载力的作用。具体是结合基底土体的受力特征和情况，对普朗特尔与普朗特尔雷斯诺的极限承载力公式进行了推导，然后根据结论设计不同涵侧填土高度的室内模型试验。该实验过程模拟了质粘土的地基承受荷载而变形一直到被损坏。从荷载-沉降曲线测量到不同填土高度的极限承载力，并且分析了填土临界的高度问题，与此同时对比了《建筑地基基础设计规范》和《公路桥涵地基与基础设计规范》，加上参照经验公式的计算值以及实际测量数值的误差，得出如下结果：增加侧填土高度会显著提高地基的承载力，但是其提高的速率是非线性，一般是由18. 4%提升到36. 83%，然后再降回8. 91% ;对临界高度内的地基承载力进行计算时，不但要考虑选择适合的计算公式，同时也需要考虑不同的试验方法所得出的计算参数的影响。

　　关键词：道路工程,高填方涵洞,室内模型试验,侧向填土,临界高度,地基承载力

　　1.前言

　　实施涵侧填施工可以限制基底土体的侧向挤出，这样能够极大地提升地基土体的整体稳定性。西方欧美国家建设公路比较环保，常以不破坏天然的山体为先，因此，国外发达国家关于高路堤涵洞的研究很少, 研究得比较多的是低填土情况下涵洞的结构和受力。我国在高填方涵洞放慢的研究更多是关于上方填土对承载力的影响，而侧填土对涵洞地基承载力的作用的研究并不多见。当前的《建筑地基基础设计规范》提出，埋置的深度超过0. 5 m的时候，可以对建筑物的地基承载力加以修正，其深度以室外地面的标高为准;《公路桥涵地基与基础设计规范》提出，埋置的深度超过3m时，要考虑修正桥涵地基的承载力，其埋置深度要从天然地面计算。当基础埋置的深度大于一个定值后，以上的两个规范都提出了修正地基承载力的要求。通常填土的荷载占据了大部分的涵洞荷载空间，设计师应该多考虑涵侧填土所起到的提高地基承载力的作用。目前许多道路工程中，都没有考虑埋深效应，往往导致在设计时承载力会偏高，地基的刚度偏大，致使涵洞不断发生病害，这些病害会严重影响到高速公路的运营。所以对侧填荷载对涵洞地基承载力影响的研究非常必要。

　　2.理论分析

　　目前推行的计算地基极限承载力的公式大多数是以普朗特尔极限承载力公式为基础，而进行新的假设推导而来。现在笔者从推导普朗特尔和普朗特尔雷斯诺公式入手，对这两个公式进行比较，然后得出涵侧填土施工在提高地基承载力所起到的作用。

　　2.1普朗特尔极限承载力计算公式

　　能支持普朗特尔公式进行计算是在以下这两点假设条件上的：一，条形基础基底压力需要均匀分布;二，地基被损坏了，会沿着图1所示的整体滑动并且中线是对称的。I区是弹性压密区，直线 A B 和A E相切也和水平面成 的倾角，II区是过渡塑性区，滑动线BE是对数的螺旋线，即 ，III区是被动区，其水平面和破裂面所成倾角 。

　　研究对象选择脱离体 OBEG，如图 2所示，其基础埋深是0，依据作用在脱离体上力的平衡条件，在A点取矩就能计算出地基的极限承载力。

　　2. 2 普朗特尔雷斯诺极限承载力计算公式

　　若是对一定的埋置深度d进行严谨的考虑，可把基底上部的土的重力使用均布超载 替代，雷斯诺推导了考虑基础埋置深度的极限承载力公式，如图3所示，其基础埋深用d表示。

　　2. 3涵侧填土对提高地基极限承载力的作用

　　普朗特尔雷斯诺公式要比普朗特尔公式多一项 qNq，而且这一项其数据仅仅和土的内摩擦角相关，因而会加深基础埋深d，总的来说，qNq数值变大，地基的承载力也会相应的增加。而关于埋置在路堤中间的构造物，其发生的涵侧填土类似于埋深效应，也能有效地提高的地基承载力。

　　2. 4涵侧填土在提高涵洞地基承载力放慢所起到的作用

　　设计地基承载力，主要考虑安全储备方面的极限承载力，其实就是极限的承载力除以安全系数，所以，提高了地基的极限承载力就等于提高了地基的承载力。根据太沙的计算公式作为例子，对涵侧填土提升地基承载力的作用进行讨论。

　　太沙的计算公式为： ，当 时， ，选择的安全系数是3， 。由于涵洞的两个侧面的填土和上方填土是在同一时间进行的，或者是两侧的填土比上方填土先，由此能够看出涵侧填土发生提高效应之后，许多地质条件都满足提高承载力的需求。

　　3.模型试验和分析

　　进行高路堤涵洞的地基承载力实验，其主要目的为探讨涵洞地基的承载力随涵侧路堤填土高度的提高效应。试验一共分作5环节进行，具体的模拟涵侧填土高度分别是0、3、6、9、12 m时的地基极限承载力。

　　3.1室内模型

　　由材料以及加载条件的类似原理，在一个长是140米，宽是140 cm，高是120 cm的模型槽里进行实验。以粉质粘土作为模型的土样。把土样分层捣实，然后装到模型槽一直到预定的高度，然后使用沙袋压住土样48h，令其基本上能在自重条件下进行正常凝结，至此地基土样的备完毕。

　　3.2试验的装置

　　主要由承压板、沉降观察装置以及加荷装置等部件构成，施工过程中，使用100 kN的千斤顶向地基土以逐级的方式施加竖向荷载，把两个百分表连接在承压板的两侧，这样能有效观测到每一级荷载下地基土的变形情况，取平均值作为基础的沉降量数值。

　　3. 3实验的结果

　　实验过程中使用慢速维持荷载的办法，一直到实验结束。结果绘出的精确的荷载沉降( P S) 曲线，如图4所示。

　　图四 不同侧填土相对高度 h/ b的 P S 曲线

　　根据《公路桥涵地基与基础设计规范》和《建筑地基基础设计规范》的要求，选取第二特征屈服点确定地基极限承载力，结果如表1所示。

　　3.4试验结果的分析

　　(1)实际测量的Pu会伴随侧填土的高度增加而变大。这时涵侧填土可以作为旁压荷载，从而提升了地基土体的抗剪度，进一步提高填方涵洞地基的承载力。通常在滑移线理论的角度考虑，侧填荷载会使得土滑移线区域变大，最终导致极限状态在平衡时能够增加平衡的土的重力，从而提升地基承载力。

　　(2)在粉质土上施工，侧填荷载提升地基承载力的速率，并不如同理论的公式所述，能够无限增大地基承载力，通常是先增大然后减小，当承载力达到某个临界值的时候，地基的承载力就会变成一个固定不变的常量。

　　(3)对侧填土的临界高度进行正确的计算，是一个需要仔细考虑的问题，因为涵侧填土限制高填方涵洞基底土体的侧向挤出，此时的填土临界高度可以以埋深效应中的临界深度作为参考而确定计算办法。

　　4.结语

　　根据上述的公式推导和试验分析，得知涵侧填土能有效提高地基的承载力，同时也能增加侧填土的高度以及夯实侧填土。如果地基是粉质的粘土，侧填荷载提升地基承载力的速率是先增后减，当承载力达到某个临界值的时候，地基的承载力就会变成一个固定不变的常量。此外，使用常用的公式计算临界高度内的地基承载力时，要同时考虑选择正确的计算公式和不同试验办法所得出的计算参数的影响。在本试验中，使用侧填荷载提高的地基的承载力，其修正结果比较接近实测值，操作简便，在施工的立场看，侧填不但平衡了挖填方的土量，同时也提高了地基的承载力，降低了工程成本开支和后期的维护支出。

　　【参考文献】

　　[1]王雯璐.侧填荷载对高填方涵洞地基承载力的影响[D].吉林大学,2011.

　　[2]郑俊杰,马强,陈保国.高填方涵洞地基承载力分析[J].华中科技大学学报(自然科学版). 2009(04).

　　[3]陈保国,郑俊杰,张世飙,马强,赵建斌.高路堤下涵洞地基处理现场测试与数值模拟研究[J]. 岩土力学. 2009(05).

　　[4]王雯璐,赵大军,王磊.侧填荷载对涵洞地基承载力的影响[J]. 中国公路学报. 2010(06).

　　[5]付春辉.高填方涵洞整体式基础的地基承载力确定[J]. 北方交通. 2008(04).

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