EPS板減荷措施在高填土拱涵上的應(yīng)用

趙金明

（唐山市交通勘察設(shè)計院有限公司，河北 唐山063004）

0 引言

伴隨著我國公路建設(shè)日新月異的發(fā)展，尤其是向特殊地理環(huán)境（重丘區(qū)、山嶺區(qū)）的延伸，道路工程界對高填方路堤下涵洞的變形、沉降、受力等問題產(chǎn)生了極大的關(guān)注。涵洞的實際受力情況應(yīng)該如何正確計算，以及采取何種有效措施減小涵洞洞身縱向上的不均勻沉降、抵消涵洞洞身與涵洞兩側(cè)填土之間的沉降差異、減小涵洞周邊的土壓力、調(diào)整土壓力在涵洞橫向及縱向上的分布，這些都具有十分重要的研究意義及現(xiàn)實意義。

本文以山西省某高速公路K1+637 處高填土拱涵為試驗工點，將EPS板材作為減荷材料，分別鋪設(shè)于涵洞頂部與側(cè)面，以此研究涵洞在涵洞頂部全部鋪設(shè)與不鋪（即無減荷措施），以及在采用變厚度EPS板材的情況下：填土高度變化引起的涵洞頂部垂直土壓力系數(shù)的變化規(guī)律、涵洞側(cè)向水平土壓力系數(shù)的變化規(guī)律、涵洞洞身與兩側(cè)填土間沉降差大小的變化規(guī)律。

1 現(xiàn)場試驗[1]

1.1 試驗現(xiàn)場的巖性與地形

現(xiàn)場試驗位于山西省柳林縣梁家會村，涵洞位于梁家會村北側(cè)一坡溝內(nèi)，黃土沖溝微地貌，Q3、Q2黃土，呈堅硬狀，地下水沒有出露。

涵洞基坑開挖后，首先進(jìn)行強夯處理，然后分層填筑水泥穩(wěn)定土，涵洞基礎(chǔ)、臺身分別采用鋼筋混凝土，拱腳、拱圈采用水泥砂漿砌塊石。

1.2 現(xiàn)場原位測試

現(xiàn)場原位測試的目的主要是：研究減荷措施下涵洞頂部垂直土壓力大小及分布；研究、測試減荷措施下涵洞側(cè)面?zhèn)认蛲翂毫Ψ植紶顩r；測試減荷材料的壓縮變形對減小涵洞引起的路堤填土不均勻沉降的效果。

1.2.1 現(xiàn)場原位測試布置[2-4]

涵洞的結(jié)構(gòu)斷面、尺寸以及試驗測試段的布設(shè)位置如圖1所示。涵洞斷面上土壓力盒、沉降變形點、EPS板材鋪設(shè)位置如圖2所示。

圖1 涵洞測試段布置圖（單位：cm）

圖2 涵洞測試點布置圖（單位：cm）

1.2.2 減荷材料的壓縮變形量觀測、洞身兩側(cè)在涵洞同高位置填土的壓縮變形量觀測

如圖2所示，涵洞頂部、側(cè)面鋪設(shè)的EPS板材在填土荷載作用下的壓縮變形量大小，通過設(shè)置在涵洞洞身上的豎向、橫向變形標(biāo)，在洞內(nèi)用游標(biāo)卡尺量測。洞身兩側(cè)與涵洞同高度的填土壓縮變形量（試驗中沒有減荷材料時，即為洞頂平面內(nèi)外土柱間的沉降差+δ），在土壓力計算中是個十分重要的綜合性參數(shù)[2]，試驗中是通過在洞內(nèi)用游標(biāo)卡尺讀取沉降板指針變化的辦法解決的，既不干擾施工，又準(zhǔn)確簡便。

1.2.3 涵洞各測試段洞身的沉降量觀測

在涵洞測試段洞內(nèi)拱頂中心設(shè)置的觀測點，采用水準(zhǔn)儀在路堤回填前測出其初始標(biāo)高值，待路堤填筑到一定高度后，再次測量拱頂中心的標(biāo)高值，從而計算出隨填土高度變化的各測試段洞身沉降值。

2 測試結(jié)果分析[6]

試驗總共埋設(shè)了156 個土壓力傳感器及36 個變形觀測點，同時設(shè)置多個平行測點觀測各測試斷面的土壓力、壓縮量、位移值及沉降量，測試成果的取值均為多點的平均值?，F(xiàn)將以上各種試驗結(jié)果分析如下。

2.1 涵洞頂部垂直土壓力系數(shù)與填土高度的關(guān)系（如圖3所示）

圖3 涵洞頂部垂直土壓力系數(shù)與填土高度的關(guān)系

從圖3可以看出，采取減荷措施的斷面的垂直土壓力系數(shù)都小于沒有采取減荷措施的，當(dāng)填土高度達(dá)到28～29m時，采取減荷措施的垂直土壓力

系數(shù)約為后者的2/5。這一結(jié)果說明涵洞頂部鋪設(shè)EPS板材減荷材料對減小涵洞頂部的實際垂直土壓力具有十分明顯的效果。從圖3還可得出，采取減荷措施的Kv—H曲線，其位置高低排列正好與EPS板材厚度排列順序相對應(yīng)，對應(yīng)的EPS板材厚度為35cm＞27.5cm＞20cm＞12.5cm，這說明涵洞頂部鋪設(shè)EPS板材厚度越大，減荷效果越明顯，但是二者之間沒有比例關(guān)系。

2.2 涵洞側(cè)向土壓力系數(shù)與填土高度的關(guān)系（如圖4所示）

圖4 涵洞側(cè)向土壓力系數(shù)與填土高度的關(guān)系

從圖4 可以得知，采取減荷措施的第8～15 段的側(cè)向土壓力系數(shù)，均明顯小于未采取減荷措施的；當(dāng)填土高度達(dá)到26m時，采取減荷措施的側(cè)向土壓力系數(shù)約為沒有采取減荷措施者的1/3。這說明洞側(cè)鋪設(shè)EPS板材對減小涵洞側(cè)向土壓力也具有很明顯的效果。從圖4還可以得出，采取減荷措施的Kh—H曲線，其位置高低排列也正好與所鋪設(shè)EPS板材厚度排列順序相對應(yīng)，對應(yīng)的EPS板材厚度為12.5cm＞10cm＞7.5cm＞5cm，這說明洞側(cè)鋪設(shè)的EPS板材越厚，減荷效果越明顯，但是二者之間沒有比例關(guān)系。

2.3 涵洞基底壓力系數(shù)與填土高度的關(guān)系（如圖5所示）

圖5 涵洞基底壓力系數(shù)與填土高度的關(guān)系

從圖5 可以得知，采取減荷措施的涵洞基底壓力系數(shù)小于沒有減荷措施的斷面，并且EPS 板材的厚度越大，基底受到的壓力越小，即基礎(chǔ)所承擔(dān)的荷載越小，這一結(jié)果與拱頂?shù)臄?shù)據(jù)規(guī)律是吻合的；采取減荷措施的斷面基底的壓力大致是沒有減荷斷面的4/5左右，沒有涵洞頂部的減荷效果明顯，這是因為涵洞橫斷面豎直投影寬度比較大，涵洞臺身俯斜角也大，導(dǎo)致從涵洞頂部所卸掉的土壓力有相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)移到臺身和基礎(chǔ)襟邊上，從而導(dǎo)致基底壓力減小的比例比涵洞頂部要小。

2.4 洞側(cè)填土沉降分析

通過試驗測量，得到了涵洞頂部平面兩側(cè)填土的平均沉降量與填土高度的關(guān)系（圖6 中的S—H曲線），涵洞頂部EPS 板材的壓縮變形量與填土高度的關(guān)系（圖7中的εh—H曲線），前者與后者相減，得到涵洞頂部平面內(nèi)外土柱沉降差與填土高度的關(guān)系（圖8中的δ—H曲線）。

圖6 涵洞頂部平面兩側(cè)填土的平均沉降量與填土高度的關(guān)系

圖7 涵洞頂部EPS板材壓縮變形與填土高度的關(guān)系

圖8 涵洞頂部平面內(nèi)外沉降差與填土高度的關(guān)系

圖8中，沉降差曲線為+δ出現(xiàn)在涵洞頂部沒有鋪EPS板材的涵段，故圖3中相應(yīng)沒有鋪設(shè)EPS板材涵段的垂直土壓力系數(shù)均Kv＞1；沉降差為-δ出現(xiàn)在涵洞頂部鋪設(shè)EPS 板材的涵段，故圖3中鋪設(shè)EPS 板材涵段的垂直土壓力系數(shù)為Kv＜1；-δ曲線簇，按其|-δ|予以排序，結(jié)果依次為：35cm＞27.5cm＞20cm，故圖3 中對應(yīng)的曲線族的排序也大致相同。

以上分析既揭示了涵洞頂部EPS 板材以其自身較大的壓縮變形調(diào)整了涵洞頂部垂直土壓力大小的實質(zhì)，又證明了垂直土壓力與±δ這一綜合性參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，這一點對涵洞頂部垂直土壓力的計算有至關(guān)重要的作用。

2.5 涵洞的沉降分析

涵洞縱斷面有一定的坡度，每截涵洞的落差大致為42cm，故在相同土層標(biāo)高情況下，對于各斷面來說填土厚度并不相同，所以圖9所示的涵洞各斷面及對應(yīng)的沉降曲線，并不是在同一填土高度時得到的數(shù)據(jù)。

圖9 涵洞縱向沉降分布曲線

從圖9可以得知：

（1）路堤梯形斷面的填土荷載與涵洞縱向沉降曲線大致對應(yīng)；

（2）以第15 測試斷面為界，沒有采取減荷措施的斷面右邊出現(xiàn)了最大沉降量；相反左邊第8～15 斷面，因全部采取了減荷措施，涵洞頂部垂直土壓力系數(shù)得以顯著減小，繼而由基底壓力引起的沉降也得到減??；假若涵洞臺背豎直，涵洞頂部鋪設(shè)EPS 板材減荷材料，涵洞基礎(chǔ)襟邊寬度再適當(dāng)減小，可以預(yù)知，采取減荷措施的左邊第8～15 斷面的沉降量會進(jìn)一步減小。

從以上兩條總結(jié)得知：依據(jù)填土高度的變化，在涵洞頂部鋪設(shè)變厚度的EPS板材，可以改善涵洞洞身結(jié)構(gòu)的不均勻沉降問題。

3 結(jié)語

通過現(xiàn)場原位試驗發(fā)現(xiàn)，EPS板材作為高填方剛性涵洞頂部鋪設(shè)的減荷材料，所得到的減荷效果十分顯著，同時還可減少涵洞本身的不均勻沉降以保證結(jié)構(gòu)的安全性，減小路堤填土中引起的沉降差以確保路面的平整性。通過減荷措施的試驗研究，希望為以后工程設(shè)計提供一定的參考，以便減小結(jié)構(gòu)物尺寸，節(jié)約一定的工程造價。

[1] 趙金明. EPS 板減荷措施在高填土拱涵上的應(yīng)用研究[D].西安：長安大學(xué)，2007.

[2] 顧安全.上埋式管道及洞室垂直土壓力的研究[J].巖土工程學(xué)報，1981，（1）：13-15.

[3] 王曉謀，顧安全.上埋式管道垂直土壓力減荷措施[J].巖土工程學(xué)報，1989，（3）：25-34.

[4] 顧安全，郭婷婷，王興平.高填土涵洞（管）采用EPS板減荷的試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報，2005，27（5）：500-504.

[5] 折學(xué)森.填埋式管道垂直土壓力的計算[J]. 西北建筑工程學(xué)院學(xué)報，1993,（1）：28-34.

[6] 馮忠居，張新占.涵洞土壓力與填土沉降差關(guān)系分析[J].內(nèi)蒙古公路與運輸，2002，（1）：21-23.