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摘要：高填方涵洞上填土荷载较大，过大的填土压力通常会引起涵洞基础沉降量过大，导致涵顶开裂，影响结构的安全和正常使用。为了获得涵洞地基处理的合理方法，本文采取换填天然地基土的方式，模拟不同换填宽度和深度对高填方涵洞基础沉降量和地基承载力的影响，以便获得指导工程设计的理论依据。
关键词：高填方涵洞；涵顶土压力；地基沉降；地基承载力
中图分类号：TU47 文献标识码：A
1.1 工程介绍
涵洞位于屯留县某城际连接线上，设计跨径为2-4x5m，顶板厚1m，立墙厚度均为0.9m，承台高1.5m，涵顶填土为16m，为高填方箱涵。
1.2 几何模型简化和材料参数的选取
（1）几何模型简化
为了突出研究重点，几何模型进行了如下简化：①不考虑车辆荷载引起的竖向土压力，仅计算填土引起的竖向土压力。②对于高填方涵洞可简化为平面应变问题。③利用施工阶段来模拟土体的分层回填过程。有限元计算模型如图1所示。
图1 有限元计算模型
利用平面应变单元来模拟地基土、回填土及涵洞洞口外侧已完成的路基填土，采用梁单元来模拟箱涵立墙及基础。
（2）材料参数选取
结合工程场地土工试验结果选取数值模拟所采用的计算参数如表1所示。
表1数值模拟所采用的计算参数
材料名称 下层粉质粘土 中层粉质粘土 上层粉质粘土 天然
砂砾 涵顶上方填土 混凝土
弹性模量
（KN/m2） 100000 60000 45000 120000 100000 30000000
泊松比 0.28 0.3 0.3 0.2 0.25 0.2
容重
（KN/m3） 20.6 20.3 20.1 19.2 17.5 25
粘聚力
（KN/m2） 15 15 15 0 10 -
摩擦角
（度） 30 30 30 35 23 -
1.3 涵洞地基沉降计算
（1）地基处理宽度对沉降的影响
为了研究涵洞地基处理宽度对涵洞地基沉降的影响，本文采取换填天然地基土的方式来进行地基处理，换填后的地基土刚度E=10MPa其余土体及结构参数同表1，换填宽度B分别按照0m（即天然地基，不处理），8m，13m和18m来控制。施工完成后基础沉降随地基处理宽度的变化关系如图2所示。
图2 基础沉降随地基处理宽度的变化关系
《公路涵洞设计细则（JTG/T D65-04-2007）》第4.3.17条规定“涵洞基础应计算工后沉降，其工后沉降量不应大于200mm。”图2表明涵洞地基的沉降量满足规范要求，且随着涵洞地基处理宽度的增加，涵洞基础的沉降量降低。这说明对于一些对沉降要求严格的工程，例如高速公路上的涵洞工程，适当增加涵洞地基的处理宽度能对控制沉降量是有效的。
（2）地基处理深度对沉降的影响
为了研究涵洞地基处理宽度对涵洞地基沉降的影响，换填深度H分别按照0m（即天然地基，不处理），2.5m，5m和10m来控制。施工完成后基础沉降随地基处理深度的变化关系如图3所示。
图3 基础沉降随地基處理深度的变化关系
图3 表明涵洞地基的沉降量满足规范要求，且随着涵洞地基处理深度的增加，涵洞基础的沉降量降低，同样对对于一些对沉降要求严格的工程亦可采取这一措施进行沉降量的控制。
1.4 涵洞地基承载力的计算
涵洞结构不同于一般道路结构，其对地基承载力的要求较高，因此研究涵洞地基承载力与涵洞地基变形同等重要。
图4 基底应力随地基处理宽度的变化关系
图5 基底应力随地基处理深度的变化关系
图4和图5都表明了一个共同的问题，那就是随着地基处理宽（深）度的增加，涵洞基底应力先减小后增加。这说明涵洞地基处理后，地基刚度增加，存在一个刚度过渡区使得涵洞基底应力产生不同的响应值。
1.5小结
本文利用数值模拟的手段，研究了地基处理宽度与深度对高填方涵洞地基沉降量和地基承载力的影响，得出了如下结论：
（1）随着涵洞地基处理宽度和深度的增加，涵洞基础的沉降量降低，因此适当增加涵洞地基的处理宽度和深度能对控制沉降量是有效的。
（2）随着地基处理宽（深）度的增加，涵洞基底应力先减小后增加，说明涵洞地基处理后，地基刚度增加，存在一个刚度过渡区使得涵洞基底应力产生不同的响应值。
关键词：高填方涵洞；涵顶土压力；地基沉降；地基承载力
中图分类号：TU47 文献标识码：A
1.1 工程介绍
涵洞位于屯留县某城际连接线上，设计跨径为2-4x5m，顶板厚1m，立墙厚度均为0.9m，承台高1.5m，涵顶填土为16m，为高填方箱涵。
1.2 几何模型简化和材料参数的选取
（1）几何模型简化
为了突出研究重点，几何模型进行了如下简化：①不考虑车辆荷载引起的竖向土压力，仅计算填土引起的竖向土压力。②对于高填方涵洞可简化为平面应变问题。③利用施工阶段来模拟土体的分层回填过程。有限元计算模型如图1所示。
图1 有限元计算模型
利用平面应变单元来模拟地基土、回填土及涵洞洞口外侧已完成的路基填土，采用梁单元来模拟箱涵立墙及基础。
（2）材料参数选取
结合工程场地土工试验结果选取数值模拟所采用的计算参数如表1所示。
表1数值模拟所采用的计算参数
材料名称 下层粉质粘土 中层粉质粘土 上层粉质粘土 天然
砂砾 涵顶上方填土 混凝土
弹性模量
（KN/m2） 100000 60000 45000 120000 100000 30000000
泊松比 0.28 0.3 0.3 0.2 0.25 0.2
容重
（KN/m3） 20.6 20.3 20.1 19.2 17.5 25
粘聚力
（KN/m2） 15 15 15 0 10 -
摩擦角
（度） 30 30 30 35 23 -
1.3 涵洞地基沉降计算
（1）地基处理宽度对沉降的影响
为了研究涵洞地基处理宽度对涵洞地基沉降的影响，本文采取换填天然地基土的方式来进行地基处理，换填后的地基土刚度E=10MPa其余土体及结构参数同表1，换填宽度B分别按照0m（即天然地基，不处理），8m，13m和18m来控制。施工完成后基础沉降随地基处理宽度的变化关系如图2所示。
图2 基础沉降随地基处理宽度的变化关系
《公路涵洞设计细则（JTG/T D65-04-2007）》第4.3.17条规定“涵洞基础应计算工后沉降，其工后沉降量不应大于200mm。”图2表明涵洞地基的沉降量满足规范要求，且随着涵洞地基处理宽度的增加，涵洞基础的沉降量降低。这说明对于一些对沉降要求严格的工程，例如高速公路上的涵洞工程，适当增加涵洞地基的处理宽度能对控制沉降量是有效的。
（2）地基处理深度对沉降的影响
为了研究涵洞地基处理宽度对涵洞地基沉降的影响，换填深度H分别按照0m（即天然地基，不处理），2.5m，5m和10m来控制。施工完成后基础沉降随地基处理深度的变化关系如图3所示。
图3 基础沉降随地基處理深度的变化关系
图3 表明涵洞地基的沉降量满足规范要求，且随着涵洞地基处理深度的增加，涵洞基础的沉降量降低，同样对对于一些对沉降要求严格的工程亦可采取这一措施进行沉降量的控制。
1.4 涵洞地基承载力的计算
涵洞结构不同于一般道路结构，其对地基承载力的要求较高，因此研究涵洞地基承载力与涵洞地基变形同等重要。
图4 基底应力随地基处理宽度的变化关系
图5 基底应力随地基处理深度的变化关系
图4和图5都表明了一个共同的问题，那就是随着地基处理宽（深）度的增加，涵洞基底应力先减小后增加。这说明涵洞地基处理后，地基刚度增加，存在一个刚度过渡区使得涵洞基底应力产生不同的响应值。
1.5小结
本文利用数值模拟的手段，研究了地基处理宽度与深度对高填方涵洞地基沉降量和地基承载力的影响，得出了如下结论：
（1）随着涵洞地基处理宽度和深度的增加，涵洞基础的沉降量降低，因此适当增加涵洞地基的处理宽度和深度能对控制沉降量是有效的。
（2）随着地基处理宽（深）度的增加，涵洞基底应力先减小后增加，说明涵洞地基处理后，地基刚度增加，存在一个刚度过渡区使得涵洞基底应力产生不同的响应值。