张 龙, 宫 志

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230088)

1 概 述

随着基础设施建设的大发展,高速公路大量建设,涵顶填土大于20 m的高填方涵洞越来越多。高填方涵洞的上部填土高度大,基础对地基的压力大,所以对地基承载力要求也高。经过计算,考虑上部填土自重、涵洞自重、汽车荷载(高填方时可以忽略)等因素后,高填方涵洞的地基承载力要求可达500 kpa以上。除了岩石地基,一般密实的粉土、黏土均不能满足要求,造成高填方涵洞适用范围较小,或者经过对地基处理后适用但工程造价较高。因此,在确保结构安全、造价经济合理的情况下,如何确定高填方涵洞地基承载力要求成为设计中的重点及难点。

2 地基承载力计算依据

2.1 天然地基承载力的深度修正

图1 地基整体剪切破坏示意图

地基承载力修正原理:随着上部荷载增加,基底压力增大,基础底面以下出现了连续的剪切滑动面或塑性区;而基础底面以上的覆土,提供了限制滑动面发展或塑性区土体侧向挤出的抗力,从而提高了地基的承载力。

基础底两侧的覆土是地基承载力深度修正的充分条件,所以有限制土体剪切滑动面发展或者为塑性区内土体侧向挤出提供阻力的条件,都可以等效为基础埋置深度,从而对基础承载力进行深度修正。

2.2 《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363-2019)第3.3.4条

本条规定：修正后的地基承载力容许值[fa]按式(3.3.4)确定。当基础位于地层上时,[fa]按平均常水位至一般冲刷线的水深每米再增大10 kPa。

[fa]=[fa0]+k1γ1(b-2)+k2γ2(h-3)

式中:[fa]为修正后的地基承载力容许值，kPa。

由条文说明可知,本条款是基于浅基础理论上,适用于埋深h/b≤4的情况,考虑基础尺寸及埋置深度等影响因素修订而成。 一般情况h值为基底埋置深度,对于高填方涵洞两侧的填土超载能够对土体可能出现的隆起破坏起到限制作用,则基底埋置深度可从填土面起算。

2.3 《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)第5.2.4条

本条规定当基础宽度大于3 m或埋置深度大于0.5 m时,从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值,尚应按下式修正:

fa=fak+η0γ(b-3)+ηdγm(d-0.5)

式中:fa为修正后的地基承载力特征值，kPa;fak为地基承载力特征值,kPa,按本规范第5.2.3条的原则确定。

由条文说明可知,对于大面积压实填土地基,按照基础两侧超载考虑,当超载宽度大于基础宽度两倍时,可将超载折算成土层厚度作为基础埋深,基础两侧超载不等时取小值。

捕获模块完成信号的粗捕获,采用本地捕获序列与接收信号做相关运算,可以从信号和噪声的混合波形中检测出目标信号,实现捕获[12]。与相关模块类似,内部同样包括4路相关器。输出的信号与给定的门限值进行比较,如果相关峰高于门限值,就说明捕获成功,否则继续捕获。捕获成功后会启动计数器进行延时,延时一段时间后开始采集估计信号。

2.4 涵洞基础承载力修正依据

基于以上地基承载力修正理论以及公路、建筑规范条款,涵洞地基承载力需要进行深度修正。

由公路规范可知,涵洞基底埋置深度可从填土面起算。涵洞作为带状公路上的构造物,在公路长度方向两侧填土较长(远大于2b),但在公路横向(涵洞长度方向)长度有限且各涵节填土高度不同。依据建筑规范条款,涵洞基底埋置深度应以公路横向填土折算高度控制,同时应该分段进行修正,取最不利。

2.5 三段地基承载力修正法

综上,提出三段地基承载力修正法,如图2所示。假定取1 m涵长为单元,三段基底埋置深度说明如下:

A段:两侧采用填土高度;

B段:一侧采用填土高度,一侧采用换算填土高度,二者取小值;

C段:采用天然地面高。

图2 三段地基承载力修正法示意

3 算 例

3.1 《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363-2019)算例1

某高速公路盖板涵,跨径6 m*5 m(净跨),涵顶填土高度Th=20m,基础埋深H=28 m,基础底宽B=8 m。取黏性土计算,重度r2取19 kN/m3,宽度修正系数k1=0,深度修正系数k2=1.5。H/B=28/8=3.5小于4,相关参数如图3所示。考虑上部填土、涵洞自重、汽车荷载(高填土时可以忽略)等因素的基底应力为595 kPa。

图3 6×5 m盖板涵参数示意图

根据规范第3.3.4条公式计算:

fa0=595-1.5×19×(28-3)=-97.59 kPa。

同时给出跨径6 m×5 m不同填土高度时的fa0,见表1。

表1 6 m×5 m盖板涵地基承载力特征值

由以上算例可知,跨径6 m*5 m盖板涵按照路基中心填土高度进行深度修正后fa0均为负值,无法为计算地基承载力特征值提供依据。

3.2 三段基底承载力修正法算例2

算例2的设计参数与算例1相同,按照三段基底承载力修正法计算B、C段的基底承载力计算数值(见表2),其中B段取C段折算后的埋置深度进行修正,C段未修正。

通过表2可以看出,考虑涵长方向的三段基底承载力修正法后,三段受力有较大差异,并且C段为地基承载力受控节段。考虑地基承载力深度修正后,地基承载力要求最大为288 kPa,比正常节段基底应力595 kPa低很多。

表2 6 m×6 m盖板涵地基承载力特征值

3.3 盖板涵三段基底承载力分布规律

根据三段地基承载力计算方法,随后对2 m、4 m、6 m跨径0.5～20 m填土高度范围进行计算,分别列出2 m×2 m、4 m×4 m、6 m×5 m跨径的地基承载力特征值折线图,如图4～图6所示。

图4 2×2盖板涵承载力特征值

图6 6×5 m盖板涵承载力特征值

可以看出,随着覆土高度的增加,2 m跨径时基底承载力先由B段控制,增加到一定高度时,变为C段控制。4 m及6 m跨径时基本由C段控制。 A段始终不作为控制节段。

上述变化反映了覆土高度及涵洞尺寸对基底承载力的共同影响。当覆土低时,B段受到覆土和车辆荷载的作用,基底应力修正量较少,C段覆土较低且无车辆荷载,基底应力较小,B段起控制作用,随着覆土高度的增加,B段基底应力修正量增多,C段覆土增加,C段开始起到控制作用。对于4 m及6 m跨径时,由于其净空尺寸相比2 m跨径较大,则B段埋深大,基底应力修正量较多,导致大跨径时基底承载力基本由C段控制。当然对于不同条件下承载力要求还应需要具体计算。

4 结 论

(1) 现有规范适用于桥涵浅基础,对于高填方涵洞地基承载力计算没有针对性规定。

(2) 基于公路和建筑规范条款,提出了三段涵洞地基承载力埋置深度修正法。

(3) 对于高填方涵洞深度修正后地基承载力与基底承载力差异很大,一方面扩大高填方涵洞适用范围,也避免地基处理的造价浪费;同时也与有关文献中提出的,对于大于16 m的高填方涵洞将产生明显的拱效应相对应。

(4) 地基承载力受覆土高度及涵洞尺寸的共同影响,对于各种跨径不同填土高度涵洞的B、C段受控节段需要计算得出,但A段不作为受控节段。