梁　鹏

(重庆市交通规划勘察设计院, 重庆 401121)



高填方涵洞地基承载力分析

梁鹏

(重庆市交通规划勘察设计院, 重庆 401121)

【摘要】在工程实践中，特别是在高填方情况下，为了使地基承载力满足设计要求，往往需要投入大量的人力和物力进行涵洞基底的地基处理，这种做法是不经济的。高路堤下的涵洞，填土相当于使涵洞基础具有埋深效应，可以显著提高地基承载力，深刻认识埋深效应有助于指导高填方涵洞的地基承载力的确定。如果对地基承载力修正认识不足，过分强调修正效果，会导致结构物因地基承载力不足，基底沉降和不均匀沉降过大，甚至引起结构物或路面开裂，影响道路的正常使用。因此，合理确定高填方路堤土压力分布状态、准确对地基承载力进行修正，成为高填路堤下构筑物设计和施工中的突出问题。

【关键词】涵洞;地基;承载力

我国软土地基承载力的理论研究具有数十年的历史，对软土的基本工程性质进行了大量的试验，对我国分布的软土的物理力学性质有了基本了解。为了系统阐述软土的特性及微观机理，我国著名学者高国瑞教授以电化学、胶体化学理论为基础，系统研究了软土的物质成分及微观结构，并分析了它们对软土工程的影响程度。沈珠江院士从宏观角度对软土特性尤其是强度特性进行了系统研究，以大量的试验资料为依据，全面探讨了软土在不同应力条件下的应力应变关系及其表现出的强度特性，这些研究成果开创了软土工程的新局面[2-3]。 1992 年，赵燕明结合土层经建筑荷载压密后其强度参数有所提高的实际，假定饱和土地基由于其土中孔隙完全被水充满，当其渗透系数和排水条件给定以后，通过固结理论计算地基在某一阶段后的沉降量，进一步计算出基础以下一定深度内土的密度的改变量。通过建立地基土的密度改变量与它的强度参数改变量之间的关系，在固结理论的基础上，建立起地基在发生了一定的均匀沉降后的承载力修正值的计算公式。

在国外，对此类问题的研究已有几十年的历史，前苏联、美国、日本等国家在这一方面做了大量的工作，主要研究成果体现在地基承载力的回归计算、现场观测沉降的曲线拟合等方面。其中，较早给出类似关系的是Skempton，他于 1944 年建立了压缩指数与液限之间的关系式。Sridharan等于 2000 年研究了压缩指数与一些物理参数的关系，指出压缩指数与土的塑性指数、液限以及液性指数均有密切的相关关系。其后很多国家都进行过这些内容的研究，如日本，针对大阪冲积黏土、石狩黏土、名古屋黏土提出了各自类似于Skempton公式的表达式。Hanna 等根据室内模型试验结果，在太沙基极限承载力公式的基础上，推导出了砂土地基上不同顶角壳型基础极限承载力理论公式，并与模型试验结果进行对比，说明了计算公式的适用性。Merifield等基于太沙基极限承载力公式，根据上下限定理和能量原理，推导出分层地基条件下的极限承载力公式[1-5]。

1地基承载力理论研究

高速公路软基路段绝大部分属于侵蚀堆积河谷工程地质区，为第四系沉积土。软基路段覆盖厚度不等的第四系黏性土、砂性土，厚度多在 3～8 m，局部厚度达10 m以上，呈饱和状态，局部地段存在淤泥质软土，下伏基岩多为武当群片岩，部分地段下伏基岩为晋宁期基性火山岩侵入岩体。软基路段所在工程地质区除汉江水流流量较大外，其余均为季节性河流，对路基冲刷影响不大。此种路段工程地质性质较差，承载力相对较低，路基加载后的不均匀沉降较大，边坡稳定性也相对较差。合理地评价地基承载力，关系到工程项目的建设质量、速度和经济效益等重大问题。

1.1确定地基承载力的基本原则

(1)保证地基不发生强度破坏而丧失稳定性。

(2)保证构造物不发生影响其安全与正常使用的过大位移或不均匀沉降。

1.2确定地基承载力的方法

(1)现场试验法，包括静载荷试验法、静力触探法与动力触探法等，但是这些方法不能得到考虑埋深效应的地基承载力设计值。

(2)规范法，通过理论研究、试验以及大量的工程实践，提出的计算公式能直接得出考虑埋深效应的地基承载力设计值。

(3)理论计算法，包括理论公式计算和数值计算两类，通过计算地基的临塑荷载、临界荷载或者极限荷载再除以安全系数，可以得到考虑埋深效应的地基承载力设计值。

三种方法中，理论方法能通过参数研究，较深入地认识影响地基承载力的多种因素，特别是数值分析方法，不但可以考虑地基土的性质和埋深效应等对地基承载力的影响，还能得到基底压力的大小和分布以及土体的位移趋向和塑性区的分布状况。

1.3承载力理论的假设条件

(1)假定土体不可压缩，地基在发生整体剪切破坏的条件下得出的，实际上土体在发生破坏前及在剪切破坏过程中，都将产生压缩现象或由于土质松软而出现局部破坏或冲剪破坏；

(2)假定滑动面的方法，并根据土的静力平衡条件分别求出由于黏聚力c、超载q和土自重γ所引起的承载力，然后进行叠加而得到总的承载力。由于承载力公式中c、q、γ所组成的每一项并不是在同一滑动面的情况下得出的，且在求解过程中均将滑动土体当作不变形的刚塑体来考虑。这是目前承载力公式中共同存在的主要问题，也是不能真实反映实际的主要原因。

2地基承载力修正探讨

山区深沟较多，涵洞上部填土较高，基底压力相当大。而沟谷中一般为冲填土或软土，地下水较发育，地基承载力低，通常在 100～200 kPa之间，地面以下 4～5 m 处也不足 300 kPa。

对于高填方涵洞，设计中要求的承载力大多在 600 kPa以上。如果按照通常的设计标准，地基承载力大于基底压力，一方面地基承载力很难达到要求，另一方面会造成涵顶的应力集中加剧，使涵洞构造物受力不合理。

地基土的特性不是固定不变的，它随着施工工艺、路堤的加载速度、加载的方式等而不断变化，把地基土的承载力看作是一成不变的观点是不恰当的。对于软黏土，加载速率适当控制，使软黏土在加载过程中排水固结，软土的强度指标将会逐渐提高，从而使地基极限承载力也得到一定程度的提高。

例如：设饱和土地基在发生了一定量的均匀沉降后，基础以下一定深度范围内地基土的强度参数由c,φ提高。采用普朗特尔(Prantl)假定。考虑一个宽度为B的条形基础，基底无摩擦，忽略基础下土体的重量，解得考虑地基压密、强度参数提高后的Prantl极限承载力修正值，即可计算地基在被建筑荷载压密以后的极限承载力修正值。

3小结

介绍了确定地基承载力的基本原则和常用方法，分析了影响地基承载力的因素，通过理论分析讨论了地基承载力深宽修正的合理性，得到了以下几点结论：

(1)高路堤填筑过程中天然地基被压密并且逐渐固结，填筑过程相当于一个堆载预压的过程，地基土的有效内摩擦角与黏聚力都会有一定程度的提高，地基的基本承载力也将得到相当程度的提高。

(2)涵洞构造物中部节段的基础属于深埋基础，路堤填土使涵体构造物具有埋深效应，涵洞地基设计应考虑基础的深度修正，对于涵洞的整体式和分离式基础，其基础埋深的取值方法是不同的。

参考文献

[1]3TJ 024-85 公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[2]张留俊, 王福胜, 刘建都. 高速公路软土地基处理技术[M]. 北京：人民交通出版社, 2002.

[3]白冰, 肖宏彬. 软土工程若干理论与应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2002.

[4]袁聚云. 土工试验与原位测试[M]. 上海：同济大学出版社, 2004.

[5]郑俊杰. 地基处理技术[M]. 武汉：华中科技大学出版社, 2004.

【文献标志码】A

【中图分类号】U449.1

[作者简介]梁鹏(1982～)，男，本科，工程师，从事路基工程设计工作。

[定稿日期]2015-06-17