CN103952986B - 一种减载式刚性涵洞结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及岩土工程与道路工程技术领域，具体公开了一种减载式刚性涵洞结构，其包括基础、涵洞侧墙和涵洞顶板，还包括减载块、减载孔；减载块位于涵洞侧墙正上方，减载块与涵洞侧墙为一整体结构；减载孔位于涵洞正上方两减载块之间；减载孔内填筑轻质柔性材料；本发明涵洞采用上述结构后，施工操作简便，易于实现；明显减小了涵顶土压力，有效解决了涵洞开裂现象；涵顶荷载一部分通过涵顶的土拱效应传递到周围土体中，另一部分通过涵洞侧墙传递到基础上，充分发挥了涵洞侧墙垂直抗压能力；有效减小了涵洞侧墙的最大弯矩，使涵洞受力分布更加合理；有效减小了涵洞受力不对称性，避免了涵顶与侧墙连接处分离开裂的现象；减载效果得到显著提高。

Description

一种减载式刚性涵洞结构

技术领域

本发明涉及岩土工程与道路工程技术领域，具体涉及一种减载式刚性涵洞结构。

背景技术

公路涵洞上覆盖土厚度一般较高，尤其是山区高速公路的高填方路段，涵洞上覆填土常在10m以上，有些路段甚至超过50m。由于填土荷载较大，另外有些地区的地形地质情况复杂多变，涵洞的受力及变形特征往往较为复杂，涵体存在应力集中，以及结构的不均匀沉降等问题，容易引起各种不同程度的病害，在工程界有“十涵九裂”之说。这些病害轻则引起涵洞开裂、渗漏或积水，重则导致涵洞结构破坏，甚至出现垮塌，严重影响公路的正常使用。

为了降低涵洞所承受的土压力，需要对其采取必要的减载措施。目前，对于涵洞的减载措施有多种，有的减载措施对于施工技术要求较高，费时费力，较难实现，在施工过程中一旦操作不当，便会影响减载效果；有的减载措施费用较高，不宜推广。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供了一种减载式刚性涵洞结构，该结构的减载效果明显且施工简便、造价低廉。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案。

一种减载式刚性涵洞结构，包括基础、涵洞侧墙和涵洞顶板，其特征在于：还包括减载块和减载孔，所述减载孔中填充轻质柔性材料；

所述基础、涵洞侧墙、减载块和涵洞顶板均为钢筋混凝土或素混凝土材料。

所述减载块设置于涵洞侧墙顶部正上方，所述减载块与涵洞侧墙为一整体结构；

所述减载块的宽度与其正下方的涵洞侧墙顶部厚度相同，减载块的长度与涵洞侧墙的长度相同；

所述减载块的高度为涵洞总宽度（即减载孔宽度和两减载块宽度之和）的1/20-1/5。

所述减载块的高度指涵洞顶板上表面与减载块顶部的垂直距离，现有技术中涵洞侧墙的顶部与涵洞顶板的上表面一般是平齐的。

所述减载孔位于涵洞顶板的正上方，是由涵洞顶板和两减载块围成的一个开口空腔；

所述轻质柔性材料的填充厚度等于减载孔的深度；

其中，轻质柔性材料可以为EPS板（聚苯乙烯泡沫塑料板材）、废轮胎条混合轻质土或EPS颗粒混合轻质土等，也可用路基开挖出来的土进行填充；

为了使涵侧填土、减载块和减载孔内的轻质柔性材料产生预期的沉降差，以达到预期的减载目的，所选用的轻质柔性材料的密度一定小于涵洞侧墙外侧填土的密度，同时为了避免填土顶面的差异沉降过大而导致路面破坏，所述轻质柔性材料的密度要根据轻质柔性材料的属性、填方高度和涵洞规格来综合分析确定。

本发明优选的技术方案是：

在所述减载孔填充了轻质柔性材料的基础上，所述减载孔上方平直铺筑有筋材，所述筋材的两端锚固在减载块顶部外边缘；

所述筋材为高强度土工格栅或者钢丝网，所述筋材满足抗拉刚度不小于1200kN/m的条件；所述筋材的网孔和钢丝直径要在满足上述抗拉条件下，根据筋材类型和填土高度来确定。

所述涵洞为箱涵或盖板涵。

本发明的减载式刚性涵洞结构中，基础、涵洞侧墙、涵洞顶板、减载块、减载孔以及轻质柔性材料组成一个减载体系，通过减载块与轻质柔性材料、涵洞两侧填土的刚度差异形成的土拱效应，使一部分路堤填土荷载传递至涵洞侧墙，并沿侧墙传递至基础，另一部分荷载通过涵顶土拱效应转移至周围土体中，达到减小涵顶土压力的效果，同时使得涵洞侧墙最大弯矩减小。进一步，在加筋的情况下，由于筋材的张拉膜效应，可以使涵顶填土荷载转移至减载块上，进一步达到减小涵顶土压力的效果。

本发明采用上述结构后，涵洞减载效果显著提高，有效缓解了涵洞开裂现象；涵顶荷载通过涵洞侧墙传递至地基，又由于筋材的张力膜效应，减小了涵顶所受土压力，同时减小了涵洞侧墙最大弯矩使得涵洞侧墙开裂现象得到显著缓解；有效缓解了复杂地形和地质条件对涵洞受力和变形的影响；有效减小了涵洞受力不对称性，避免了涵洞顶板与涵洞侧墙连接处分离开裂现象。

附图说明

图1为本发明的一种减载式刚性涵洞结构的剖面示意图。

图2为实施例2的一种减载式刚性涵洞结构示意图。

图3为进行数值模拟对比减载效果的涵洞模型结构示意图，图中（a）为无减载措施的一般盖板涵；（b）为只铺设轻质柔性材料作为减载措施的盖板涵；（c）为本说明书实施例1中所述盖板涵；（d）为本说明书实施例2中所述盖板涵。

图中：1—地基，2—基础，3—涵洞侧墙，4—涵洞顶板，5—减载块，6—减载孔，7—筋材，8—轻质柔性材料。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对发明进行详细说明。

实施例1：

如图1所示，一种减载式刚性涵洞结构，所述涵洞为盖板涵，包括基础2、涵洞侧墙3和涵洞顶板4，还包括减载块5和减载孔6，所述减载孔6中填充轻质柔性材料8；

所述基础、涵洞侧墙、减载块和涵洞顶板均为钢筋混凝土或素混凝土材料。

所述减载块5位于涵洞侧墙3顶部正上方，并与涵洞侧墙3为一整体结构；

所述减载块的长度、宽度均和其正下方的涵洞侧墙一致；

所述减载孔6位于涵洞顶板4的正上方，是由涵洞顶板4和两减载块5围成的一个开口空腔；

减载孔6的深度与减载块5的高度相等，减载孔6的宽度与涵洞顶板4的宽度相等。

所述轻质柔性材料可以为EPS板（聚苯乙烯泡沫塑料板材）、废轮胎条混合轻质土、EPS颗粒混合轻质土等，也可用路基开挖出来的土进行填充；

所述轻质柔性材料8的密度小于涵洞侧墙外侧填土的密度，具体要根据轻质柔性材料8的属性、填方高度和涵洞规格来综合确定。

所述轻质柔性材料的填充厚度等于减载孔的深度。

在上述涵洞结构中，基础2、涵洞侧墙3、涵洞顶板4、减载块5、减载孔6组成一个减载体系，通过减载块5及两侧填土形成的土拱效应，使大部分路堤填土荷载传递至涵洞侧墙3，再传至地基1，并减小涵洞侧墙3所受弯矩，另外一部分荷载通过涵顶土拱效应转移至周围土体中。

本实施例的减载式刚性涵洞结构的具体构建过程如下：

第一步，按照设计规范，处理地基1和浇筑基础2；

第二步，浇筑涵洞侧墙3时，同时按照设计要求浇筑减载块5，并在减载块5上（顶部外边缘）预埋锚固钢筋；

第三步，按照设计规范，浇筑涵洞顶板4；

第四步，涵洞两侧按照相关规范要求填筑路堤材料并进行压实处理，填筑至与减载块5高度相等；

第五步，涵顶减载孔6填筑轻质柔性材料8与涵洞两侧填土填筑同时进行，涵洞顶板4正上方的轻质柔性材料8填筑时根据轻质柔性材料8的性质做适当压实处理或不做压实处理。

第六步，按照相关规范要求再逐层填筑路堤填料。

根据图1，从荷载传递机理上分析本发明。

当路堤荷载作用在减载结构上时，由于涵洞两侧填土和减载孔6的轻质柔性材料8以及涵洞侧墙减载块5的刚度差异，引起涵洞侧墙3两侧填土、减载孔6与减载块5的差异沉降，轻质柔性材料8的沉降大于涵洞两侧填土及减载块5的沉降，从而在涵洞顶板4上方形成土拱效应，使涵顶荷载一部分转移到周围土体中，另一部分荷载通过涵洞侧墙3传递至基础2，使得涵顶土压力减小。涵洞侧墙3及减载块5同时受到两侧路堤填土的水平应力作用，由于涵洞侧墙3和减载块5为一整体结构，又由于涵洞顶板4的支撑作用，涵洞侧墙3和减载块5的水平受力类似于外伸梁的受力，与无减载块的涵洞结构对比，这种结构使得涵洞侧墙3所受到的最大弯矩减小。采用本发明的涵洞结构，充分发挥了涵洞侧墙3的垂直抗压能力，达到了减载的目的，同时又减小了涵洞侧墙3所受最大弯矩，使涵洞受力更加合理。

实施例2：

如图2所示，一种减载式刚性涵洞结构，该涵洞结构主要是在实施例1的基础上，增加铺设了筋材。在轻质柔性材料8填筑减载孔6完成之后，在减载孔上方铺设一层筋材7，筋材7两侧锚固在减载块5顶部外缘上，筋材7的抗拉刚度不小于1200kN/m，在铺设时要平直铺筑；由于增加了筋材的拉力膜效应，使涵洞侧墙3上部受到一个向内部收缩的拉力，使得涵洞侧墙3所受最大弯矩减小，有效降低了路堤填土对涵洞侧墙3受力和变形特征的影响。另外，筋材7在填土荷载作用下产生挠曲变形，通过两端锚固在减载块5上的筋材7把涵洞上方的填土荷载转移到涵洞侧墙3上，从而进一步达到减小涵顶土压力的目的。

其减载效果要高于实施例1所示涵洞结构。

将实施例1与实施例2的减载涵洞结构用数值模拟软件进行仿真模拟分析，并与无减载措施的一般盖板涵和只铺设轻质柔性材料8作为减载措施的盖板涵(无减载块)进行对比分析。

根据实施例1所建立的涵洞模型填土高度为20m，涵洞为盖板涵，涵洞高4.0m，涵洞净跨宽度4.0m，总宽度（即减载孔宽度与两减载块宽度之和）为6.0m，涵洞侧墙厚度为1.0m，涵洞顶板厚度为0.5m，减载块高度为0.5m。填筑的轻质柔性材料为混合轻质土，其密度为1.6g/m3，弹性模量为0.2MPa，泊松比为0.4，其填筑厚度与减载孔高度相等即0.5m。路堤填土弹性模量为30MPa，泊松比为0.32，密度是1.8g/m3。实施例2的涵洞模型在实施例1的基础上，在减载孔上方铺设筋材，筋材使用高强度土工格栅，筋材的抗拉刚度为1200kN/m。所建立的无减载措施的一般涵洞模型的尺寸与实施例1相同，只是没有减载块和没有铺设轻质柔性材料。所建立的只铺设轻质柔性材料的盖板涵模型尺寸与实施例1相同，所使用的轻质柔性材料以及其厚度也相同，只是没有减载块。将实施例1、实施例2数值分析结果与无减载措施的一般盖板涵进行对比分析，分析结果表明，本实施例1、实施例2分别比无减载措施一般盖板涵涵顶土压力减小62%、65%，涵洞侧墙最大弯矩分别减小6%、9%。将实施例1、实施例2数值分析结果与只铺设轻质柔性材料作为减载措施的盖板涵进行对比分析，分析结果表明，本实施例1、实施例2分别比只铺设轻质柔性材料作为减载措施的盖板涵涵顶土压力减小21%、23%，涵洞侧墙最大弯矩分别减小20%、23%。由此可知，采用本发明的涵洞结构，其减载效果更加明显，使涵洞受力更加合理。

上述具体实施方式只是本发明的优选实施例，并不是用来限制本发明的实施和权利要求范围，凡依据本发明专利申请保护范围所述内容做出来的等效变化和修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (4)

1.一种减载式刚性涵洞结构，包括基础、涵洞侧墙和涵洞顶板，其特征在于：还包括减载块和减载孔，所述减载孔中填充轻质柔性材料；

所述减载块设置于涵洞侧墙顶部正上方，所述减载块与涵洞侧墙为一整体结构；

所述减载块的宽度与其正下方的涵洞侧墙顶部厚度相同，减载块的长度与涵洞侧墙的长度相同；

所述减载孔位于涵洞顶板的正上方，是由涵洞顶板和两减载块围成的一个开口空腔；

所述减载孔上方平直铺筑有筋材，所述筋材的两端锚固在减载块顶部外边缘；

所述筋材为高强度土工格栅或者钢丝网，所述筋材满足抗拉刚度不小于1200kN/m的条件；

所述减载块的高度为涵洞总宽度的1/20-1/5；

所述轻质柔性材料的填充厚度等于减载孔的深度。

2.根据权利要求1所述的减载式刚性涵洞结构，其特征在于：所述涵洞为箱涵或盖板涵。

3.根据权利要求1或2所述的减载式刚性涵洞结构，其特征在于：所述轻质柔性材料为EPS板、废轮胎条混合轻质土、EPS颗粒混合轻质土或者路基开挖出来的土。

4.根据权利要求1或2所述的减载式刚性涵洞结构，其特征在于：所述轻质柔性材料的密度小于涵洞侧墙外侧填土的密度。