软土地基道路涵洞结构病害机理浅析及其防治措施
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摘 要:软土地基上修筑涵洞结构物容易出现各种病害，通过分析病害产生的原因，有针对性的提出病害的预防措施和处治措施。
关键词:涵洞；软土地基；病害原因；病害预防；病害处治
中图分类号：TU447
文献标识码：B
文章编号：1008-0422（2006）01-0105-02
1问题提出的现实意义
随着我国国民经济的飞速发展，在软土地基上修建公路、城市道路的数量越来越多。因此，在软土地基上修筑众多的涵洞构筑物成为必然。
软土地基包括软粘土、冲填土、有机质土、腐殖质土、可液化土、湿陷性黄土、膨胀土等，地基不能满足工程设计要求和变形要求，在地震作用下而有可能产生液化、震陷及失稳，需要经过人工加固处理后再修建构造物和路基。鉴于软土地基的上述性质，在其上修筑涵洞结构物将可能产生一系列的不利变化，发展到一定的程度后就会影响甚至丧失使用功能。因此有必要对软土地基上修筑的涵洞病害进行调查，分析原因并对新建涵洞采取有针对性的病害预防措施。
2.1 “驼峰”。由于涵洞背面填土偏压作用，土压引起地基变位的同时，涵洞也产生变位，软土地基之上这种变化尤其明显。当涵洞自重较其占据体积的土重量小且涵洞较之于土的不可压缩性，必然造成涵洞处的沉降量小于相邻路堤土的沉降量，使得路线实际纵坡发生变化，在纵断面上形成“驼峰”，涵洞顶部为驼峰的峰顶。路堤填土越低，“驼峰”越明显，填土越高，“驼峰”越不明显。但只要有“驼峰”存在，涵顶土压力就会不同程度地比设计计算结果要大。路堤与涵洞衔接处易产生“错台”，出现跳车现象，影响道路行车舒适性和行车安全。
2.2 沉降量过大。由于涵洞软弱地基土涵洞施工前未充分固结、软弱地基未处理或者处理不当，在使用过程当中，由于涵洞基础施加的压应力，致使涵洞在使用过程当中发生的沉降逐渐积累，达到一定的程度便会使涵洞的有效净空，涵底发生积水、淤塞。严重时，涵底土体甚至可能产生剪切破坏，涵洞洞身发生相当严重的沉降，涵洞失去其使用功能，路基、路面也随之产生相关连的破坏。
2.3 纵向不均匀沉降产生涵洞中部凹陷。根据有关涵洞基底土压应力的有限单元法计算数据，涵洞从洞口至涵洞中心，其基底压应力逐渐增大，因而在使用过程当中从洞口至涵中心的沉降量也逐渐增大，若软土涵洞地基处理不当，随着沉降的不断积累和洞口、涵中部沉降差距的加大，涵洞洞口高，中间低的现象将越来越明显。这将降低涵洞的有效净高，造成涵洞中部淤塞、积水等。如图1所示。
2.4节段错台。涵洞相临节段之间难免出现不均匀沉降而产生错台，在一般情况下错台并不明显、不影响使用，但在软土地基上修筑的涵洞，这种现象就可能要严重得多。由于涵洞在纵向的受力不均匀，导致相邻两节段基础对软土地基的压应力不均等，造成相临两节段的沉降值不均等而出现错台；涵洞在沉降缝处相邻两段分别位于不同土质的基础之上，在基底压力作用下，不同土质表现出不同的压缩性，两节段的沉降量就不同，从而导致两节段错台。
2.5涵洞结构本身的破坏。由于地基的不均匀沉降，导致涵洞的附加应力增加，附加应力达到一定的程度便会造成涵洞结构本身的开裂破坏；若因涵洞的地基变形造成涵洞的节段之间边角刚性接触，还会造成应力集中而产生局部破坏。
2.6洞口建筑的破坏。由于在涵洞的设计和施工时，洞口建筑的基础处理往往容易被忽视，因而容易造成洞口建筑发生大的沉降、在土压力作用下发生滑移甚至倾覆等病害现象，虽然洞口建筑病害较涵洞本身容易处理，但也会增加维修费用、影响其使用功能甚至使路基局部因失去洞口建筑的支撑而发生小规模的破坏。
3病害的预防和处治
3.1 病害预防措施
3.1.1通过软土地基的处理、提高地基强度的措施减小工后沉降
一般涵洞不采用桩基础，因此其沉降量会比较大，除会产生不均匀沉降外，其自身沉降导致积水、淤塞、破坏等丧失使用功能。涵洞能够允许多大的沉降量难以一概而论，有关规范规定，当为刚性涵洞时，沉降量不超过30-40cm，柔性涵洞沉降量不超过50-60cm时，不会造成涵身的破坏。一般通过如下方法控制沉降：
① 对涵洞软土地基进行处理的方法
对于厚度比较小的软土地基，可以采用换填的方法提高地基承载力，使地基状况彻底改善；对于含水量较低的软弱地基，可以采用夯实（重锤夯实、强夯）的方法提高地基密实度；挤密碎石桩、粉喷桩等方法也可用于软土涵洞地基的处理。
② 预压法（反开槽法）
先填筑路堤，利用路堤荷载，对涵洞处软土地基进行预压，使地基发生固结沉降。待沉降稳定后，再开挖路堤，修筑涵洞。此法常常与超载预压、铺筑砂垫层、砂桩、排水板等结合使用，以加快软基沉降，缩短预压时间，提高预压效果。如图2：
涵洞预压法能消除不均匀沉降，避免出现“驼峰”，节省投资。缺点是需要预压时间，延长工期；对于涵洞需设临时管道。尽管如此，预压法仍是一种行之有效的好方法，并得以大量推广使用。
在江苏、浙江等软土地基分布较广的地区，有相当多的高速公路工程采用了以上一些预防措施，收到了良好的效果。
3.1.2 结构与构造措施
① 设置预拱度或扩大涵洞断面
当涵洞沉降量可能超过允许沉降量时，可设置预拱度进行调整（如图3）。图中填土中央为残余沉降量S，路肩处为0.8S，坡脚处为0.2S。通过设置合理的豫拱度，可以抵消大部分的沉降值，对于沉降能够日趋稳定的地基土适合用这种方法处理；扩大断面法通过对涵洞断面尺寸的加高，使涵洞基础沉降稳定后仍然保持涵洞的有效使用断面。在涵洞的结构设计中，设计人员一般都根据实际情况对涵洞的断面尺寸进行了加大。
② 支承桩法
当工期紧，预压法难以实施时，并且地基沉降量又较大，超过了涵洞沉降允许范围，可采用打入桩或灌注桩作为涵洞的基础。在浙江杭（州）甬（宁波）高速公路中采用了打入桩加固地基，使用过程中地基沉降量比较小。
③ 筑刚性扩大垫层
在修筑涵洞基础之前，浇筑一层刚性的混凝土或其他混合物垫层，其平面尺寸较涵洞的平面尺寸有一定的扩大量，通过刚性垫层可有效分布基底压应力，通过刚性垫层的传力作用消除涵洞的节段错台。此种方法应用得较多，处理起来简单有效，如在京沈高速公路上就有应用。
④ 铺设土工材料
在涵洞的地基土中铺设土工格栅等土工材料，通过将土工材料铺入涵侧路基土中一定的长度，使涵底应力通过土工材料有效扩散，从而减小涵洞的沉降、节段错台等现象的发生。此种方法可以与其它一些方法结合使用，可取得良好的效果。
此外，将涵洞洞口建筑的基础与涵身基础作相同处理是防止其发生病害的有效措施。
3.2病害的处治方法
若涵洞软土地基未作适当处理，就很容易发生病害；即便是软土地基作了较好的处置，因某些不确定性的因素存在，也还有可能出现某些病害。病害出现以后，应及时作好处治，以免继续发展、恶化，以维持涵洞的正常使用功能。针对前面提到的各种病害，可作以下一些处治：
3.2.1 地基劈裂注浆。若涵洞地基出现较大的沉降、错台等病害，为了防止其继续发展，可在涵底钻孔并对一定深度和一定范围的土体进行劈裂注浆以加固地基，提高其承载力和应力扩散能力。
3.2.2 混凝土或砂浆找补平顺。对于地基变形已趋稳定的涵洞，其错台、沉降等可通过在其底板上加铺水泥砂浆或混凝土找补平顺，以维持其正常使用功能。
3.2.3结构加固。在涵洞内跨沉降缝加设一圈钢筋混凝土衬砌，通过提高结构整体刚度来达到涵洞地基应力均匀分布，从而消除不均匀沉降、减小沉降值。
3.2.4对于洞口建筑的破坏，将其拆除后加固地基，重新修筑洞口建筑。
以上病害处治方法在衡（阳）枣（木铺）高速公路等一些工程中有应用，实践证明是有效的。也可以根据涵洞病害的具体情况使用一些合适的其它方法对涵洞病害进行处治。
参考文献：
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