路涵过渡段涵洞竖向压力现场试验研究

陈 锋，蔡德钩，韩自力，张千里

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081;2.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081;3.中国铁道科学研究院 金属化学研究所，北京 100081)

线路路堤与横向结构物的交叉处，因刚度的不同，在荷载作用下，压力呈不均匀性分布，压力分布不均对结构物变形和结构物间的不均匀沉降都有直接影响。在上埋式刚性涵洞过渡段填筑过程中，涵洞竖向压力一般要大于填土本身的荷载。新建上埋式刚性涵洞的竖向土压力计算中，目前存在多种方法［1-2］。《公路桥涵设计规范》中使用土柱法计算该荷载，一般认为是偏小的。马斯顿的“等沉陷”理论是比较常用的计算方法，假设在荷载作用下的涵洞和过渡段产生沉降差，在达到极限平衡时，散体材料在涵洞顶形成应力集中，并在涵洞上方一定高度形成等沉面，等沉面以上填土产生的涵顶压力等于此部分土柱重量。《铁路桥涵设计基本规范》［3］采用马斯顿理论结合经验的方法，给出了不同情况下涵洞顶竖向土压力系数。本文主要通过现场试验针对涵顶压力进行分析。

1 现场试验

1.1 试验工况

试验点主要结构参数如表1所示。涵洞两侧设置倒梯形路涵过渡段，过渡段填筑加5%水泥的级配碎石，地基采用CFG桩处理，桩顶铺设0.6 m厚垫层。

1.2 传感器布置

在线路左侧中心线，涵洞顶面及其相对应高程的过渡段路基内布置静态土压力盒，如图1所示，测量不同测点静态土压力的变化情况。

表1 试验工点主要结构参数 m

图1 路涵过渡段静态应力测点布置示意

2 路基填筑试验及结果分析

1#和2#涵洞的填土压力(γH)与各测点实测涵洞竖向压力关系如图2、图3所示。1#涵顶压力实测的最大值为130 kPa，2#涵顶的最大应力为95 kPa，设计时按照规范计算的路堤填方涵顶的竖向压力应取163 kPa和138 kPa。按照规范根据填土高度、重度及规范的K值，进行填方作用下涵洞竖向压力的设计是偏于安全的。

图2 1#涵洞处 1、2、3、4 测点压力

图3 2#涵洞处 1、2、3、4 测点压力

从上述两个涵洞竖向压力测试结果看，涵洞顶部的3、4号测点的压力大于过渡段内1、2号测点的压力，涵洞顶部实测的压力大于填土荷载，过渡段路基竖向压力小于填土荷载。《铁路桥涵设计基本规范》规定填土作用于涵洞顶的竖向压力与填土高度(H)和涵洞宽度(D)确定一个无量纲值(K)、然后根据填土高度(H)及其重度(γ)确定，等于 K与土柱压力(γH)的乘积。

从实测的涵洞竖向压力和填土压力之比计算得到的K值和H/D的关系图见图4、图5。在填筑过程中，随着填土高度的变化，即H/D的变化，K值有一个增大到减小的过程。规范中K的取值是根据涵洞的最终填土高度来确定，不考虑施工过程中填土高度的变化，即每个涵洞，填土作用产生的竖向压力只考虑填土高度和涵洞宽度，来确定K值，从而确定设计的荷载。

1#涵洞填土高度、涵洞宽度、涵洞竖向压力与填土压力之比的关系如图4所示。因传感器是在涵洞顶路基碾压完一层后，再挖至涵洞顶埋设，这种边界的影响可能导致3号和4号测点K的初始值并不为1。对实测的K—H/D曲线用二次多项式拟合，H/D在0～1.5的范围内，H/D在1左右时，4号测点的 K值达到最大，为1.4左右，此后K值随填土高度的增加而减小，填土完成后的K值为1.25左右，此时的设计和实测的竖向土压力系数之比为1.16。3号测点的K值虽然在数值上要小于4号测点，但变化趋势相同，也是H/D在1左右时达到最大。

图4 1#涵洞K—H/D的关系

图5 2#涵洞K—H/D的关系

2#涵洞填土高度、涵洞宽度、涵洞竖向压力与填土压力之比的关系如图5所示。其变化规律基本与1#涵洞基本相同，不同之处在于此断面的K在H/D处于0.8～1.5范围内取得最大值。填土完成后的设计和实测的竖向土压力系数之比为1.18。

从本次试验两个工点的实测结果来看，当H/D处于0.8～1.5的范围内K取最大值，与规范是不同的，但其值与规范的1.5取值相近。

在填土初期，涵洞刚度较过渡段填土刚度大，在路基填土过程中，过渡段填土沉降和压缩变形相对涵洞较大，这种相对运动使过渡段土体的荷载通过土体的抗剪强度将一部分土压力传递到涵洞顶土体，导致涵洞竖向压力显著增大，形成土拱效应。在涵洞与过渡段路基存在一定差异沉降时，土拱效应随着涵顶填土高度的增加逐渐增强，当涵洞填土高度超过一定值后，土拱效应趋于稳定。

从涵洞底部和过渡段地基面处的压力看，根据在涵洞顶实测的压力、涵洞的自重、过渡段填土高度和重度，计算出涵洞底部的应力和过渡段底部的应力，两者基本相当，因此在控制过渡段工后沉降、沉降差及结构物交界处折角不超过标准的情况下，必须保证结构物交界处的碾压质量，减小差异沉降，避免产生过大的涵洞竖向压力。一般涵洞和过渡段的地基处理方式基本相同，但宽大涵洞的底板会使地基处理的作用方式发生改变，使涵洞底与过渡段底部地基的受力与变形发生变化，这也是在设计中应该综合考虑的因素。

3 小结

1)由于涵洞与过渡段路基存在刚度和沉降差异，导致涵顶出现土压力集中，形成土拱效应。在涵洞顶路基加载过程中，涵洞竖向压力大于填土荷载和过渡段路基范围内压力，距离涵洞较近处过渡段内的压力小于填土荷载。

2)按照规范的K值进行路堤填土荷载设计，是偏于安全的，填土完成后的设计K值与实测K值之比分别为1.16和1.18。

3)实测结果表明涵洞填土施工中K值随着填土高度的增加，存在先增大后减小的过程。当 H/D在0.8～1.5附近时，填土加载过程中的K值达到最大，约为1.5，此后 K值逐渐减小至 1.2左右，并趋于稳定。

［1］刘静.高填路堤涵洞土压力理论及减荷技术研究［D］.西安:长安大学，2004.

［2］陈保国.山区高速公路路涵—土作用机理及路基处理研究［D］.武汉:华中科技大学，2008.

［3］中华人民共和国铁道部.TB10002.1-2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［4］刘晓曦.冲击压实对路堤下涵洞受力影响的试验研究［J］.铁道建筑，2006(12):21-23.