高填土涵洞加固实例
孙忠玉
（咸宁市公路管理处湖北咸宁437100）
摘要：通过工程实例，论述了软弱地基上高填土涵洞裂缝的表现形式、产生原因以及加固方案的比选，总结了经验教训。
关键词：软弱地基；高填土涵洞；裂缝；表现形式；原因；加固方案；比选；经验教训
1概况
汉（口）十（堰）高速公路武当山至许家棚段K425+640涵洞，设计为L0×h0=4.0×4.5m的盖板涵，M7.5号浆砌块石台身，C25级钢筋砼整体式基础（截面见图1）。涵洞全长88.50m，斜交角135°，洞顶最大填土高度11.38m，设计地基容许承载力300Kpa。工程于2000年2月中旬动工，9月初完工。同年11月底，当填土到洞顶以上3m时，台身、基础陆续出现裂缝。
2地基及填土情况
涵址位于无明显冲沟的谷地，持力层主要为冲洪积中密细砂土，厚度0.8～1.6m，实测承载力317Kpa（轻型贯入仪法）；下卧层属可塑淤泥质亚砂土，厚度0～5.6m，实测承载力190Kpa；涵洞两端靠近山脚，部分持力层为强风化绢石英页岩。洞顶及台背填土为砂性土（含风化石），最佳含水量10.13%，最大干容重19.73KN/m3。台背填土对称分层填筑，对于压路机无法碾压的边、角部位采用小型振动夯压实。涵洞开裂后路基施工并未停止，2001年1月初填土至设计标高。
3裂缝的表现形式
涵洞两端的短边台身前墙首先开裂（可以想见，长边台身背墙也同时开裂），并向涵洞中部扩展延伸，最后发展成2道宽0～23mm的水平裂缝，一道裂缝出现在台身底面（基础顶面），一道位于台身底面以上1.2～1.7m，涵洞中部约50m长的台身保持完好。一个月后，又发现涵洞中部的基础跨中截面附近出现明显开裂，最后发展成3道沿涵洞纵向的通长裂缝，其中最宽的1道有0.5～6.0mm，裂缝表现为涵洞中部宽两端窄。
裂缝长度、宽度和数量随着填土的增高而发展，发展的速率先由慢到快，填土停止后，随着土的固结，又由快到慢，6个月后，裂缝趋于稳定。
4裂缝原因分析
4.1主观原因分析
（1）在对地基进行分析评价时，承包商由于缺少相关知识的储备，不了解高填土涵洞与一般涵洞的区别，不了解整体式基础和梁式轻型桥台的受力特点，不了解沉降会引起结构产生附加内力，只注意到持力层的承载力已满足设计要求，而忽视了对下卧层承载力和沉降值的验算，片面地认为仅仅产生的沉降可能偏大一些，但不会危及涵洞的安全；再加上业主、监理考虑到换填处理的费用较大，因此从节省投资的愿望出发，决定不进行地基处理。
（2）承包商未能察觉图纸中台身长短不一（图2）的错误。
4.2客观原因分析
(1)基础裂缝
整体式基础为一置于弹性地基上的矩形板，直接承受重载处的地基应力大，远离重载处的地基应力小，地基应力与沉降成正比［1］。由于下卧层强度低、压缩性大，在洞顶和台背填土的作用下，基础边缘的地基应力首先超过容许承载力，产生较大塑性变形，引起地基应力重新分布；随着填土的增高，基础的变形要与地基的变形逐渐协调一致，当产生的弯矩超过计算弯矩时，导致基础在跨中截面附近出现明显开裂。
(2)台身裂缝
填土初期，受涵洞两端的台身长短悬殊和地基不均匀沉降的影响，短边台身不可能发生向跨中的移动，此时其台背土压力只能是静止土压力；当填土达到一定高度时，台身结构抗力及静止土压力无法抗衡长边台背的主动土压力，台身结构产生向短边台背方向的转动，由于背墙附近的填土密实度偏低，使得转动绕墙踵（趾）进行，导致台身底面开裂，这时静止土压力又转变为被动土压力；因为被动土压力远远大于设计时假设的极限主动土压力，所以转动发生不久，产生的弯矩就超过台身的弯矩抗力（台身的受力特点为简支梁），短边台身又在抗弯曲能力最薄弱的截面开裂。
5裂缝危害性评估［2］
基础和台身裂缝属荷载作用下的弯曲受拉裂缝。基础裂缝的最大宽度超过容许裂缝宽度，影响到结构的正常使用和耐久性，但基础中的受拉钢筋远未达到屈服强度，基础处于带裂缝工作阶段，承载能力满足要求。浆砌块石台身的抗弯拉强度低（尤其是台身底面），脆性大，开裂时的荷载比较接近破坏荷载，当出现荷载引起的裂缝时，往往是结构破坏的前兆，只是由于台背土抗力的平衡作用，才尚未垮塌。因此加固的重点是台身，并应尽快加固。
6加固方案
6.1方案1——内嵌箱型结构法（图3）。涵洞上游的汇水面积不大，因此可在涵洞内增设一个L0×h0=3.2×1.5m的钢筋砼箱型结构，结构壁厚40cm，砼强度等级C30，四周配置双层受力钢筋。台身开裂的段落，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（图4）。在涵洞内将台身和基础各加厚50cm，所用材料与原结构的相同，基础主筋φ12@15cm，分布筋φ12@20cm。为加强与原结构的结合，接触面需经凿毛处理。
6.3方案3——托梁拔柱法［3］。此方法是在不拆上部结构的情况下实施拆除下部结构的一门综合性技术。包括相关结构加固技术，上部结构顶升技术及下部结构拆除技术等。
施工工艺：在涵洞内用千斤顶顶升开裂台身的上构，用枕木搭设临时支撑；拆除台身裂缝上下各0.5m范围内的浆砌块石，最里面的一皮块石不拆，以抵挡台背填土，为防止上部台身塌落，采用间隔拆除的方法，每处的拆除长度不超过2m；然后立模压注C30小石子砼（掺早强剂）；达到设计强度后，拆除临时支撑，转入下一段的施工；处理完台身裂缝，再在原基础上现浇一层厚50cm的钢筋砼板，砼强度等级、钢筋型号及布置与方案2相同。
6.4加固方案的比选及加固效果
方案2、方案3需等待涵洞的沉降变形完全停止后才能实施，这势必造成工程延期和症状进一步恶化。方案1改变了涵洞的结构体系，相当于在涵洞内部增设了一个刚构支撑，阻止了裂缝的继续发展，使结构的内力和变形大大减小，同时又充分利用了原有结构，保证了新老结构共同受力；竣工后上面行人，下面过水，使用功能没有大的降低，因此决定采用此方案进行加固（三种方案的比较见表1）。
加固处理后一年多的监测结果表明，加固方案是成功的，达到了预期的效果，竣工验收合格。
表1
方案名称造价（万元）工期（天）施工难度施工安全性加固后的结构可靠性
内嵌箱型结构法（1）27.850小安全可靠
增大截面法（2）14.760较大安全不一定可靠
托梁拔柱法（3）12.630大不安全不一定可靠
7经验教训
7.1地基容许承载力不是一个常数，它是和构造物的容许变形值密切联系在一起的。构筑物对变形的要求高时，容许承载力就应该控制得小一些，反之就可以用得大一些。下卧层为软弱土时，持力层的承载力取值主要不是根据持力层的性质来确定，而主要由下卧层的强度和变形所控制［4］。
7.2采用整体式基础，可以降低地基的平均应力，但应力的分布不均匀，容易产生不均匀沉降［1］；梁式轻型桥台台身与上部构造、支撑梁一起组成的四铰框架是几何可变结构，它缺少的一个约束靠台背对称恒定的土压力提供［5］，而地基不均匀沉降会破坏这种平衡；因此，地基土质不良时，不宜采用此种结构类型的涵洞。
7.3对于高填土整体式基础的涵洞，其基础的受力特点相当于地下室基础，建议按深基础（埋深H1≥5m）设计。台背填土不仅会对涵洞地基产生附加压应力，同时还由于沉降差的存在，台背与填土之间会产生负摩阻力，进一步增大地基的应力应变［6］。
7.4斜交涵洞沉降缝划分时，若不能保证一块基础板上的两侧台身长度一致，台身应按柔性墩台计算［7］。
7.5浇注钢筋砼基础时，由于操作不当上部钢筋网易产生下沉，导致基础弯矩抗力减少，跨中截面过早开裂。
7.6因填土高度不等，基础沿涵洞纵向会产生中部大两端小的沉降，为了确保流水畅通，基础沿纵向应预留拱度。
7.7软弱地基抗剪强度低，固结慢，填土时需控制地基中各点剪应力的增加值小于或慢于土的强度增长。
参考文献
[1]何柏春．小桥涵钢筋混凝土板整体式基础设计浅析[J]．华东公路，1994，4：17～19
[2]杨文渊，牛奔．桥梁维修与加固[M]．北京：人民交通出版社，1992．146～150
[3]万墨林，韩继云．混凝土结构加固技术[M]．北京：中国建筑出版社，1995．157～161
[4]中华人民共和国行业标准．JTJ024—85地基与基础设计规范条文说明[S]．北京：人民交通出版社，1985
[5]江祖铭，王崇礼．墩台与基础[M]．北京：人民交通出版社，1996·268
[6]陈素君.．高填方涵洞的基础设计[J]．公路，1998，4：38
[7]王伯惠，徐风云．柔性墩台梁式桥设计[M]．北京：人民交通出版社，1991．8
孙忠玉
（咸宁市公路管理处湖北咸宁437100）
摘要：通过工程实例，论述了软弱地基上高填土涵洞裂缝的表现形式、产生原因以及加固方案的比选，总结了经验教训。
关键词：软弱地基；高填土涵洞；裂缝；表现形式；原因；加固方案；比选；经验教训
1概况
汉（口）十（堰）高速公路武当山至许家棚段K425+640涵洞，设计为L0×h0=4.0×4.5m的盖板涵，M7.5号浆砌块石台身，C25级钢筋砼整体式基础（截面见图1）。涵洞全长88.50m，斜交角135°，洞顶最大填土高度11.38m，设计地基容许承载力300Kpa。工程于2000年2月中旬动工，9月初完工。同年11月底，当填土到洞顶以上3m时，台身、基础陆续出现裂缝。
2地基及填土情况
涵址位于无明显冲沟的谷地，持力层主要为冲洪积中密细砂土，厚度0.8～1.6m，实测承载力317Kpa（轻型贯入仪法）；下卧层属可塑淤泥质亚砂土，厚度0～5.6m，实测承载力190Kpa；涵洞两端靠近山脚，部分持力层为强风化绢石英页岩。洞顶及台背填土为砂性土（含风化石），最佳含水量10.13%，最大干容重19.73KN/m3。台背填土对称分层填筑，对于压路机无法碾压的边、角部位采用小型振动夯压实。涵洞开裂后路基施工并未停止，2001年1月初填土至设计标高。
3裂缝的表现形式
涵洞两端的短边台身前墙首先开裂（可以想见，长边台身背墙也同时开裂），并向涵洞中部扩展延伸，最后发展成2道宽0～23mm的水平裂缝，一道裂缝出现在台身底面（基础顶面），一道位于台身底面以上1.2～1.7m，涵洞中部约50m长的台身保持完好。一个月后，又发现涵洞中部的基础跨中截面附近出现明显开裂，最后发展成3道沿涵洞纵向的通长裂缝，其中最宽的1道有0.5～6.0mm，裂缝表现为涵洞中部宽两端窄。
裂缝长度、宽度和数量随着填土的增高而发展，发展的速率先由慢到快，填土停止后，随着土的固结，又由快到慢，6个月后，裂缝趋于稳定。
4裂缝原因分析
4.1主观原因分析
（1）在对地基进行分析评价时，承包商由于缺少相关知识的储备，不了解高填土涵洞与一般涵洞的区别，不了解整体式基础和梁式轻型桥台的受力特点，不了解沉降会引起结构产生附加内力，只注意到持力层的承载力已满足设计要求，而忽视了对下卧层承载力和沉降值的验算，片面地认为仅仅产生的沉降可能偏大一些，但不会危及涵洞的安全；再加上业主、监理考虑到换填处理的费用较大，因此从节省投资的愿望出发，决定不进行地基处理。
（2）承包商未能察觉图纸中台身长短不一（图2）的错误。
4.2客观原因分析
(1)基础裂缝
整体式基础为一置于弹性地基上的矩形板，直接承受重载处的地基应力大，远离重载处的地基应力小，地基应力与沉降成正比［1］。由于下卧层强度低、压缩性大，在洞顶和台背填土的作用下，基础边缘的地基应力首先超过容许承载力，产生较大塑性变形，引起地基应力重新分布；随着填土的增高，基础的变形要与地基的变形逐渐协调一致，当产生的弯矩超过计算弯矩时，导致基础在跨中截面附近出现明显开裂。
(2)台身裂缝
填土初期，受涵洞两端的台身长短悬殊和地基不均匀沉降的影响，短边台身不可能发生向跨中的移动，此时其台背土压力只能是静止土压力；当填土达到一定高度时，台身结构抗力及静止土压力无法抗衡长边台背的主动土压力，台身结构产生向短边台背方向的转动，由于背墙附近的填土密实度偏低，使得转动绕墙踵（趾）进行，导致台身底面开裂，这时静止土压力又转变为被动土压力；因为被动土压力远远大于设计时假设的极限主动土压力，所以转动发生不久，产生的弯矩就超过台身的弯矩抗力（台身的受力特点为简支梁），短边台身又在抗弯曲能力最薄弱的截面开裂。
5裂缝危害性评估［2］
基础和台身裂缝属荷载作用下的弯曲受拉裂缝。基础裂缝的最大宽度超过容许裂缝宽度，影响到结构的正常使用和耐久性，但基础中的受拉钢筋远未达到屈服强度，基础处于带裂缝工作阶段，承载能力满足要求。浆砌块石台身的抗弯拉强度低（尤其是台身底面），脆性大，开裂时的荷载比较接近破坏荷载，当出现荷载引起的裂缝时，往往是结构破坏的前兆，只是由于台背土抗力的平衡作用，才尚未垮塌。因此加固的重点是台身，并应尽快加固。
6加固方案
6.1方案1——内嵌箱型结构法（图3）。涵洞上游的汇水面积不大，因此可在涵洞内增设一个L0×h0=3.2×1.5m的钢筋砼箱型结构，结构壁厚40cm，砼强度等级C30，四周配置双层受力钢筋。台身开裂的段落，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（图4）。在涵洞内将台身和基础各加厚50cm，所用材料与原结构的相同，基础主筋φ12@15cm，分布筋φ12@20cm。为加强与原结构的结合，接触面需经凿毛处理。
6.3方案3——托梁拔柱法［3］。此方法是在不拆上部结构的情况下实施拆除下部结构的一门综合性技术。包括相关结构加固技术，上部结构顶升技术及下部结构拆除技术等。
施工工艺：在涵洞内用千斤顶顶升开裂台身的上构，用枕木搭设临时支撑；拆除台身裂缝上下各0.5m范围内的浆砌块石，最里面的一皮块石不拆，以抵挡台背填土，为防止上部台身塌落，采用间隔拆除的方法，每处的拆除长度不超过2m；然后立模压注C30小石子砼（掺早强剂）；达到设计强度后，拆除临时支撑，转入下一段的施工；处理完台身裂缝，再在原基础上现浇一层厚50cm的钢筋砼板，砼强度等级、钢筋型号及布置与方案2相同。
6.4加固方案的比选及加固效果
方案2、方案3需等待涵洞的沉降变形完全停止后才能实施，这势必造成工程延期和症状进一步恶化。方案1改变了涵洞的结构体系，相当于在涵洞内部增设了一个刚构支撑，阻止了裂缝的继续发展，使结构的内力和变形大大减小，同时又充分利用了原有结构，保证了新老结构共同受力；竣工后上面行人，下面过水，使用功能没有大的降低，因此决定采用此方案进行加固（三种方案的比较见表1）。
加固处理后一年多的监测结果表明，加固方案是成功的，达到了预期的效果，竣工验收合格。
表1
方案名称造价（万元）工期（天）施工难度施工安全性加固后的结构可靠性
内嵌箱型结构法（1）27.850小安全可靠
增大截面法（2）14.760较大安全不一定可靠
托梁拔柱法（3）12.630大不安全不一定可靠
7经验教训
7.1地基容许承载力不是一个常数，它是和构造物的容许变形值密切联系在一起的。构筑物对变形的要求高时，容许承载力就应该控制得小一些，反之就可以用得大一些。下卧层为软弱土时，持力层的承载力取值主要不是根据持力层的性质来确定，而主要由下卧层的强度和变形所控制［4］。
7.2采用整体式基础，可以降低地基的平均应力，但应力的分布不均匀，容易产生不均匀沉降［1］；梁式轻型桥台台身与上部构造、支撑梁一起组成的四铰框架是几何可变结构，它缺少的一个约束靠台背对称恒定的土压力提供［5］，而地基不均匀沉降会破坏这种平衡；因此，地基土质不良时，不宜采用此种结构类型的涵洞。
7.3对于高填土整体式基础的涵洞，其基础的受力特点相当于地下室基础，建议按深基础（埋深H1≥5m）设计。台背填土不仅会对涵洞地基产生附加压应力，同时还由于沉降差的存在，台背与填土之间会产生负摩阻力，进一步增大地基的应力应变［6］。
7.4斜交涵洞沉降缝划分时，若不能保证一块基础板上的两侧台身长度一致，台身应按柔性墩台计算［7］。
7.5浇注钢筋砼基础时，由于操作不当上部钢筋网易产生下沉，导致基础弯矩抗力减少，跨中截面过早开裂。
7.6因填土高度不等，基础沿涵洞纵向会产生中部大两端小的沉降，为了确保流水畅通，基础沿纵向应预留拱度。
7.7软弱地基抗剪强度低，固结慢，填土时需控制地基中各点剪应力的增加值小于或慢于土的强度增长。
参考文献
[1]何柏春．小桥涵钢筋混凝土板整体式基础设计浅析[J]．华东公路，1994，4：17～19
[2]杨文渊，牛奔．桥梁维修与加固[M]．北京：人民交通出版社，1992．146～150
[3]万墨林，韩继云．混凝土结构加固技术[M]．北京：中国建筑出版社，1995．157～161
[4]中华人民共和国行业标准．JTJ024—85地基与基础设计规范条文说明[S]．北京：人民交通出版社，1985
[5]江祖铭，王崇礼．墩台与基础[M]．北京：人民交通出版社，1996·268
[6]陈素君.．高填方涵洞的基础设计[J]．公路，1998，4：38
[7]王伯惠，徐风云．柔性墩台梁式桥设计[M]．北京：人民交通出版社，1991．8
