1.2　研究背景及意義

1.2.1　研究背景

在我國過去的公路修建過程中，由于道路等級、線形標準都很低，公路線形基本是順著地形隨彎就彎修建，15m以上的高填土路基很少，高填土涵洞也不多見。因此，公路橋涵設計標準圖的涵洞最大填土高度也僅為12m[11]。但有關資料表明，隨著公路等級的提高與大量山區(qū)高等級公路的修建，為滿足公路的較高線形標準的要求，高填土涵洞的數量和填土高度均呈遞增趨勢，12m已是山區(qū)公路非常普遍的一般路基填土高度，填土高度在20m以上的路基也較為常見。以太原東山過境高速公路為例，路線全長26.4km，全線共設72道涵洞，填土高度超過20.0m的占1/3以上，最大填土高度達到54.7m；渝黔高速公路二期G合同段，設置了一座板厚0.6m，跨徑4m的鋼筋混凝土蓋板涵，其上填土高度達38m；云南楚大路第四合同段的一處高填方拱涵，填土高度達36m[12]。同時山區(qū)一些山溝較深的地段，原設計為高架橋，但由于附近有大量挖方無地方堆砌，從節(jié)約工程造價與環(huán)保出發(fā)，常將橋梁設計方案改成高路堤、采用涵洞排水的方法，這樣可以降低造價，縮短工期，減少棄方，有利環(huán)保，減少公路運營期的養(yǎng)護維修費用，因而得到設計和施工人員的優(yōu)先選擇。目前我國的低填土條件下涵洞結構設計采用《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）規(guī)定，涵洞的設計荷載采用垂直土壓力計算公式σ=γh進行計算，在進行高填土涵洞設計時，若仍然采用這個公式計算土壓力，一些高填土涵洞的結構尺寸將過分保守，造成經濟上不必要的浪費；另一方面，由于高填土涵洞沒有合適的土壓力計算理論，部分高填土涵洞憑經驗比擬設計，使涵洞結構尺寸偏小，導致部分高填土涵洞在施工期間或填土完成后即發(fā)生各種不同形式的開裂破壞，增加加固維修費用。顧安全[13]對303座填土較高的涵管進行開裂調查，統(tǒng)計表明涵管開裂占63.5%，其中有70%為縱向開裂。管頂填土高度H愈大，管道外徑D越大，則縱向開裂的比例越高，故工程界流傳有“十涵九裂”的說法。為此，長安大學成立高填路堤下涵洞結構研究課題組，對四川、陜西、甘肅、云南的代表性高等級公路涵洞病害進行調查研究[14]，對涵洞的實際所處條件（包括涵洞結構形式、上部填料類型、地基處理方式和填土高度）、涵洞病害類型及破壞程度（包括涵洞開裂狀態(tài)、裂縫傾角、長度間距等）、所采取的防治措施及相應的病害處治方法和目前的運營情況做了詳細的調查，總結了涵洞的各種破壞模式，揭示了涵洞病害的普遍性。在實際工程中，還出現(xiàn)一些常規(guī)不易解釋的現(xiàn)象，如對地基處理的越好，涵洞開裂的反而越嚴重；地基承載力越高，變形越小，開裂的越嚴重等。對于修筑在軟土地基上的涵洞，若采用樁基礎進行處理，涵洞幾乎均出現(xiàn)裂縫，甚至會發(fā)生破壞而導致不能正常使用。

通過對這些破壞病害的進行分析，總結出涵洞破壞的大致原因如下[14]。

（1）過大的土壓力是產生這些破壞病害的一個重要原因。高填土涵洞的結構設計缺乏合理的土壓力計算方法，僅憑借低填土涵洞或隧道的土壓力計算方法計算涵洞頂部垂直土壓力，而不針對高填土涵洞本身的加載與受力特點及填土高度，進行涵洞的跨度、拱圈厚度和側墻結構尺寸設計，使高填土涵洞結構設計過分保守或不安全，導致高填土涵洞造價的增加或產生破壞。

（2）對涵洞地基的處理常出現(xiàn)的失誤是過多地考慮地基沉降變形的影響，過分地對涵洞地基進行加固處理。處理后導致涵洞結構和其基礎、地基整體剛度增大，反而增加其上所受的土壓力數值，加重涵洞結構的受力不利的情況，當涵洞承受壓力超過自身材料的容許應力時就會導致結構出現(xiàn)各種病害。反過來，涵洞結構又將這些荷載傳遞到下部的基礎和地基中，這樣又加重基礎和地基的受力不利的情況，造成惡性循環(huán)。

（3）涵洞施工和非技術方面原因也增加涵洞破壞的可能性。施工過程中，基礎處理不當，產生不均勻沉降；涵洞兩側回填土沒有做到對稱填土，引起涵洞的偏壓；涵洞兩側填土沒有做到認真分層夯實，使涵洞與其兩側填土產生過大沉降差，增加涵洞頂部的土壓力數值；在涵洞上填土厚度較小且沒有任何保護措施下，允許涵頂通行各種施工車輛和施工機械，導致涵洞在沒有交付運營前就發(fā)生破壞。

實際上在鋪設涵洞時，涵洞會對其周圍的填土、地基的應力場和位移場產生影響，反過來，涵洞結構自身的應力狀態(tài)也會發(fā)生改變。涵洞與其周圍填土、地基共同作用，構成一個變形、受力相互協(xié)調，彼此間相互關聯(lián)、相互影響的統(tǒng)一結構體系。所以，單純應用相關規(guī)范中的公式顯然會忽視填土等其他影響因素，脫離了實際受力情況，因而正確計算涵洞豎直土壓力就顯得尤為重要。

涵洞垂直土壓力的計算理論，不同行業(yè)的設計部門采用不同的計算公式。如土柱壓力法公式為公路部門采用；鐵路部門則根據實踐和調查相關行業(yè)資料繪制經驗曲線用于確定涵洞土壓力；冶金部門則采用顧安全公式或經驗數據。上述土壓力的計算理論和方法存在較大的差異，有些計算公式使計算結果偏大，有的則偏小，導致一方面由于設計過分保守而造成浪費，另一方面則由于土壓力計算偏小而使結構斷面強度不足而出現(xiàn)縱向開裂和破壞的現(xiàn)象。

因此，正確認識分析涵洞破壞原因，建立相應的合理土壓力計算公式，采取經濟而有效的工程措施預防涵洞病害的發(fā)生，在涵洞研究課題中顯得尤為重要，同時也是很有實際意義的。