路 云

(太原市市政工程设计研究院，山西 太原 030001)

高填方涵洞土压力研究现状探析

路 云

(太原市市政工程设计研究院，山西 太原 030001)

高填方涵洞土压力计算没有明确方法，对国内外现状高填方涵洞土压力的计算方法进行了概述和评价分析，并指出在现阶段研究结果上的未来高填方涵洞研究方向，对高填方涵洞的研究、设计有一定的参考价值。

高填方，涵洞，土压力，计算，设计

1 概述

20世纪90年代以来，高等级道路在山区中的应用越来越多，为满足道路线形标准和地形条件的限制，高填方路基及高填方涵洞已变得较为常见。在我国《公路桥涵设计手册》和《公路涵洞设计细则》中仅给出了暗涵的定义，并明确高填方涵洞的定义。因高填方涵洞土压力缺乏合理的计算方法指导，使得在设计过程中出现以下两种情况：

1)参照暗涵或者隧道土压力计算方法，使得结构尺寸过于保守，地基承载力过高，工程造价偏高。

2)过分的依赖经验，强调拱效应，使得结构尺寸偏小，从而引发不同程度的裂缝，不安全因素较大。

高填方涵洞土压力的优化研究对于保证结构安全、减小结构尺寸、地基处理、减少造价等具有显著社会效益。本文对国内外现状高填方涵洞土压力的计算方法进行了概述和评价分析，并指出在现阶段研究结果上的未来高填方涵洞研究方向，对高填方涵洞的研究、设计有一定的参考价值。

2 高填方涵洞土压力的国内外研究现状

在国际上由于各国地形地势条件、环境环保理念、经济技术发展水平的不同，每个国家对高填方涵洞研究的广度、深度以及重点也有所不同。重视环保的欧美发达国家，遵循尽量减少破坏天然山体出现高填深挖的设计理念，有关高填方涵洞方面的研究并不多。

结合国内外的研究现状关于高填方涵洞土压力的计算方法可概括为6大类。分别如下。

2.1马斯顿的散体极限平衡法

1913年，美国学者Maston在散体极限平衡理论基础上提出了涵洞土压力计算公式，回填土在自重作用下产生沉降，逐步密实，假定涵洞顶内土柱与涵洞侧土柱之间存在着滑动面，此滑动面引发内外土柱间的相对移动在滑动面上产生对应的摩擦力，使涵洞顶产生相应的附加荷载F。涵洞与填土的刚度比决定了附加荷载的大小与方向。

当结构刚度较大时，涵洞顶的土压力等于涵洞顶土柱与附加荷载F之和；反之，附加荷载与土柱重力反向，涵洞顶的土压力等于涵洞顶土柱减去附加荷载F。

2.2土柱法

土柱法的假设条件为：土体的极限应力状态不受涵管的干扰，把问题简化为静力平衡问题。假设涵管顶部埋深为z，则涵顶处垂直应力σz为：

σz=γZ。

水平应力σx为：

根据上式可知涵管顶部的垂直压力与内摩擦角φ无关，仅为涵管顶部的土体重量。

土柱法计算比较简便，自20世纪50年代以来被我国公路部门所采用。

2.3“卸荷拱”

以普氏卸荷拱理论为基础提出的“卸荷拱”法，是根据普氏卸载拱理论以及涵顶填料的性质提出的。涵管埋置深度较深时，填土不会被由沉降引起的滑动面所贯穿。滑动面在一定的高度范围内形成一个封闭区域。其中在封闭区域上方形成了自然卸载拱，作用在涵顶上的土压力等于破坏区内的土体重量。因此作用于涵顶上的垂直土压力远小于涵顶土柱的重量，其值为卸载拱下的相应土重。

2.4土压力集中系数法

维诺格拉多夫提出涵洞垂直土压力可采用集中系数法进行计算。其公式为：

σv=KvγH。

其中,土压力集中系数Kv是土压力集中系数法的关键，其值是根据前苏联已建成使用工程反算出的。

此方法形式简单，目前市政、水利、电力等设计部门均有所采用。

2.5以弹性理论作为基础的土压力计算理论

该理论假设涵管顶部填土为半无限弹性体，涵管为条形基础。采用分层求和法求解出基础沉降，先算出每层的沉降变形，并按照应力与变形的线性关系反算出附加土压力，累计附加土压力值与涵顶土柱重量之和即为涵顶垂直土压力。该理论的前提条件是填土、地基及涵管的变形；基础理论为胡克定律。

基于此原理，顾安全简化了计算，用基础沉降公式推导出涵管顶部附加的垂直土压力，进一步求出涵管顶部垂直土压力值σv,公式如下所示：

若以垂直土压力系数表示，则：

其中，h为涵洞高度，m；H为涵洞顶部填土高度，m；b为涵洞的宽度，m；μ为填土的泊松比；η为外形影响系数；Eh为管道两侧填土的变形模量；E为涵洞顶部填土的变形模量；ωc为与基地形状及结构长宽比有关的系数。

2.6非线性的土压力计算方法

杨锡武通过大量的试验研究，归纳总结出高填方涵洞土压力的变化规律和拱效应值，运用数值回归分析技术，归纳总结出非线性土压力计算公式，公式如下所示：

σv=ξγHm。

其中，ξ，m均为回归系数；杨锡武给出了3种边界条件下的回归系数如下所示：

当狭窄沟谷沟心设涵时:

σv=2.764 3γH0.502 2(H≥18m,R2=0.903 7)。

当宽坦沟谷沟心设涵时:

σv=3.619 3γH0.416 6(H≥18m,R2=0.994 5)。

当狭窄沟谷坡脚设涵时:

σv=2.835 6γH0.499 3(H≥18m,R2=0.969 8)。

其中，γ为填土容重，kN/m3；H为管顶填土高度，m。

3 结语

在考虑涵洞与回填土刚度的情况下，马斯顿的散体极限平衡法，涵顶的垂直土压力计算值远大于其承受的实际土压力值；

土柱法涵洞顶部的垂直土压力值σz与回填高度H成正比，计算的涵顶垂直土压力也大于实际承受的土压力；

卸荷拱法由于其形成条件不易满足，大多数情况用不上，只有沟埋式或顶管法施工的涵洞可以考虑采用，竖向压力最小；

土压力集中系数法这种计算结果与实际土压力值的差值无法确定，从而无法解答出上埋式涵洞顶部垂直土压力值的真实情况；

从变形条件出发，以弹性理论解为基础的土压力计算法，此方法中的参数值：土体的内摩擦角、粘聚力、变形模量等这些土工参数不易测准和取得，使得假设条件与实际情况差异较大。

杨锡武的非线性土压力计算方法，此方法是在试验的基础上提出的，是一种半理论半经验的计算方法，它的使用具有一定的条件性。

高填方涵洞是特殊的排水构筑物，而目前高填方涵洞土压力计算方法都是基于纵向为每延米，仅从涵洞断面方向进行的研究，过于片面。因此，在现阶段的研究基础上应明确以下几点：

1)高填方涵洞的具体工况的具体定义的明确性；

2)高填方涵洞土压力计算的空间性；

3)施工过程中具体减荷措施的明确性；

4)高填方涵洞地基承载力的传递性；

5)高填方涵洞地基处理措施的明确性；

6)高填方涵洞长期检测设施的预埋空间性。

只有做到以上这些，高填方涵洞的土压力计算才能够得出正确合理的计算理论方法，才能够真正的满足高填方涵洞结构设计、施工措施、质量验收控制的需求。

[1] 杨锡武.山区公路高填方涵洞土压力计算理论研究综述[J].重庆交通学院学报，2005，24(4):55-66.

[2] 姜峰林.高填方涵洞EPS板减荷技术应用及数值模拟研究[D].西安：长安大学，2010.

[3] 谭永波.高填方涵洞结构的优化研究[D].长春：吉林大学，2007.

[4] 周世生.高路堤涵洞空间竖向压力理论及结构形式优化研究[D].西安：长安大学，2008.

[5] 顾安全.上埋式管道及洞室垂直土压力的研究[J].岩土工程学报，1981，3(1):3-15.

[6] 杨锡武.山区公路高填方涵洞的成拱效应及土压力计算理论研究[J].岩石力学与工程学报，2005,24(21):3887-3893.

[7] 韩拴奎.高填方涵洞设计探讨[J].太原科技，2001(5):47-48.

[8] 杨锡武，张永兴.山区公路高填方涵洞加筋桥减载方法及其设计理论研究[J].岩石力学与工程学报，2005,24(9):1561-1571.

Highfillculvertearthpressureresearchpresentsituationandreviewed

LuYun

(TaiyuanMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Taiyuan030001,China)

High fill culvert, there is no clear method to calculate earth pressure at home and abroad present situation of high fill culvert earth pressure calculation method were summarized and the analysis of evaluation, and pointed out that at present the results of the study on the future research direction of high fill culvert, the study of high fill culvert, the design has a certain reference value.

high fill, culvert, earth pressure, calculation, design

1009-6825(2017)29-0167-03

2017-08-08

路 云(1985- )，女，硕士，工程师

U452

A