高填土涵洞加固工程实例

    关键词:软弱地基 高填土涵洞 裂缝 加固方案

    一、概况

    汉(口)十(堰)高速公路武当山至许家棚段K425+640涵洞,设计为L0×h0=4.0×4.5m的盖板涵, M7.5号浆砌块石台身,C25级钢筋砼整体式基础(截面见图1)。涵洞全长88.50m,斜交角135°,洞顶最大填土高度11.38m,设计地基容许承载力300Kpa。工程于2000年2月中旬动工,9月初完工。同年11月底,当填土到洞顶以上3m时,台身、基础陆续出现裂缝。

    二、地基及填土情况

    涵址位于无明显冲沟的谷地,持力层主要为冲洪积中密细砂土,厚度0.8~1.6m,实测承载力317Kpa(轻型贯入仪法);下卧层属可塑淤泥质亚砂土,厚度0~5.6m,实测承载力190Kpa; 涵洞两端靠近山脚,部分持力层为强风化绢石英页岩。洞顶及台背填土为砂性土(含风化石),最佳含水量10.13%,最大干容重19.73KN/m3。台背填土对称分层填筑,对于压路机无法碾压的边、角部位采用小型振动夯压实。涵洞开裂后路基施工并未停止,2001年1月初填土至设计标高。

    三、裂缝的表现形式

    涵洞两端的短边台身前墙首先开裂(可以想见,长边台身背墙也同时开裂),并向涵洞中部扩展延伸,最后发展成2道宽0~23mm的水平裂缝,一道裂缝出现在台身底面(基础顶面),一道位于台身底面以上1.2~1.7m,涵洞中部约50m长的台身保持完好。一个月后,又发现涵洞中部的基础跨中截面附近出现明显开裂,最后发展成3道沿涵洞纵向的通长裂缝,其中最宽的1道有0.5~6.0mm,裂缝表现为涵洞中部宽两端窄。

    裂缝长度、宽度和数量随着填土的增高而发展,发展的速率先由慢到快,填土停止后,随着土的固结,又由快到慢,6个月后,裂缝趋于稳定。

    四、裂缝原因分析

    4.1主观原因分析

    (1)在对地基进行分析评价时,承包商由于缺少相关知识的储备,不了解高填土涵洞与一般涵洞的区别,不了解整体式基础和梁式轻型桥台的受力特点,不了解沉降会引起结构产生附加内力,只注意到持力层的承载力已满足设计要求,而忽视了对下卧层承载力和沉降值的验算,片面地认为仅仅产生的沉降可能偏大一些,但不会危及涵洞的安全;再加上业主、监理考虑到换填处理的费用较大,因此从节省投资的愿望出发,决定不进行地基处理。

    (2)承包商未能察觉图纸中台身长短不一(图2)的错误。

    4.2客观原因分析

    (1)基础裂缝

    整体式基础为一置于弹性地基上的矩形板,直接承受重载处的地基应力大,远离重载处的地基应力小,地基应力与沉降成正比[1]。由于下卧层强度低、压缩性大,在洞顶和台背填土的作用下,基础边缘的地基应力首先超过容许承载力,产生较大塑性变形,引起地基应力重新分布;随着填土的增高,基础的变形要与地基的变形逐渐协调一致,当产生的弯矩超过计算弯矩时,导致基础在跨中截面附近出现明显开裂。

    (2)台身裂缝

    填土初期,受涵洞两端的台身长短悬殊和地基不均匀沉降的影响,短边台身不可能发生向跨中的移动,此时其台背土压力只能是静止土压力;当填土达到一定高度时,台身结构抗力及静止土压力无法抗衡长边台背的主动土压力,台身结构产生向短边台背方向的转动,由于背墙附近的填土密实度偏低,使得转动绕墙踵(趾)进行,导致台身底面开裂,这时静止土压力又转变为被动土压力;因为被动土压力远远大于设计时假设的极限主动土压力,所以转动发生不久,产生的弯矩就超过台身的弯矩抗力(台身的受力特点为简支梁),短边台身又在抗弯曲能力最薄弱的截面开裂。

    五、裂缝危害性评估[2]

    基础和台身裂缝属荷载作用下的弯曲受拉裂缝。基础裂缝的最大宽度超过容许裂缝宽度,影响到结构的正常使用和耐久性,但基础中的受拉钢筋远未达到屈服强度,基础处于带裂缝工作阶段,承载能力满足要求。浆砌块石台身的抗弯拉强度低(尤其是台身底面),脆性大,开裂时的荷载比较接近破坏荷载,当出现荷载引起的裂缝时,往往是结构破坏的前兆,只是由于台背土抗力的平衡作用,才尚未垮塌。因此加固的重点是台身,并应尽快加固。

    六、加固方案

    6.1方案1——内嵌箱型结构法(图3)。涵洞上游的汇水面积不大,因此可在涵洞内增设一个L0×h0=3.2×1.5m的钢筋砼箱型结构,结构壁厚40cm,砼强度等级C30,四周配置双层受力钢筋。台身开裂的段落,主筋φ22@10cm,分布筋φ12@15cm;其它段落,主筋φ12@15cm,分布筋φ12@20cm。

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