CN111996932A - 一种高填方路基涵洞主动式综合减荷结构和减荷方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高填方路基涵洞主动式综合减荷结构和减荷方法，减荷结构包括涵洞、减载槽以及加压式自适应系统；涵洞设于地基上，包括涵洞基板、设于涵洞基板两端的涵洞边墙和涵洞盖板；减载槽固定于涵洞盖板顶部，减载槽内填充有轻质柔性材料；涵洞两侧分别设有土石边墙，土石边墙顶部凸出减载槽设置；加压式自适应系统包括单片机、多个压力传感器以及多个顶伸装置；单片机设于涵洞内，多个压力传感器布设于涵洞顶部受力集中的位置，并与单片机电连接；顶伸装置与单片机电连接，用于初期顶伸上墙底部及后期的应力调节。本发明提出的技术方案的有益效果是：减载效果明显，且可以实现涵洞的可控受力，为相关领域的科学研究提供数据支持。

Description

一种高填方路基涵洞主动式综合减荷结构和减荷方法

技术领域

本发明涉及公路工程技术领域，尤其涉及一种高填方路基涵洞主动式综合减荷结构和减荷方法。

背景技术

高填方路基是山区公路建设中的重要基础形式，为兼顾交通、排水等功能，常在底部设置涵洞。上述涵洞顶部回填覆土常在10m以上，自重较大，并逐渐产生不均匀沉降，导致高填方路基涵洞应力集中现象显著，进而产生诸如：开裂、渗水、甚至结构性破坏等不同程度的病害。通过减载措施减小高填方涵洞涵顶垂直土压力，以减轻涵洞结构病害，在实际工程中已得到应用。

目前，本领域内的减载措施包括如下几类：1、加筋减载法。通过人为降低涵顶上方局部高度和宽度范围内的填土体密度形成减载孔，并在上方铺设筋材锚固于两侧密实填土中，达到涵顶减载的目的。减载孔的实现方式包括EPS材料、密封塑料容器(201410192211X)、秸秆、二灰土、轮胎等。2、结构减载法(201710536514.2)。通过在涵洞的上端和侧壁分别设有端墙和翼墙，并以涵洞与之的弹性接触实现涵洞与路堤的间接接触。上述方法虽然应用广泛，但实际工程效果有限，涵顶、侧墙开裂，涵洞受力不对称使得涵顶与墙身分离开裂现象任然较为严重，在工程界造成“十涵九裂”的说法。从实际出发，降低涵洞顶部承受的土压力以保证其正常工作，在涵洞设计中具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种高填方路基涵洞主动式综合减荷结构和减荷方法，该方法的减载效果明显，且可以实现涵洞的可控受力，为相关领域的科学研究提供数据支持。

本发明的实施例提供一种高填方路基涵洞主动式综合减荷结构，包括：

涵洞，设于地基上，包括涵洞基板、设于所述涵洞基板两端的涵洞边墙和涵洞盖板，所述涵洞边墙包括上墙和下墙，所述下墙固定于所述涵洞基板上，所述上墙位于所述下墙上方，与所述下墙之间形成容纳空间，所述上墙可沿上下向移动安装于所述下墙，所述涵洞盖板盖合于两个所述上墙顶部；

减载槽，固定于所述涵洞盖板顶部，所述减载槽内填充有轻质柔性材料；所述涵洞两侧分别设有土石边墙，所述土石边墙顶部凸出所述减载槽设置；以及，

加压式自适应系统，包括单片机、多个压力传感器以及多个顶伸装置；所述单片机设于所述涵洞内，多个所述压力传感器布设于所述涵洞顶部受力集中的位置，并与所述单片机电连接；所述顶伸装置设于所述容纳空间内，且在所述涵洞延伸方向上间隔设置，所述顶伸装置用于初期顶伸所述上墙底部及后期的应力调节，多个所述顶伸装置与所述单片机电连接，所述单片机用于根据所述压力传感器监测到的压力，调节各所述顶伸装置对所述上墙施加的压力。

进一步地，所述下墙顶部向上凸伸设有两个相对的限位条，所述限位条沿所述涵洞延伸方向延伸；

所述上墙底部向下凸伸形成两个相对的卡接条，所述卡接条沿所述涵洞延伸方向延伸，所述卡接条与所述限位条卡接配合，以使所述卡接条可沿上下移动安装于所述限位条上。

进一步地，还包括柔性防水件，所述柔性防水件沿所述涵洞延伸方向延伸，上端固定于所述上墙内侧壁，下端固定于所述下墙内侧壁。

进一步地，所述柔性防水件与所述上墙和/或所述下墙可拆卸连接。

进一步地，所述顶伸装置为电动液压千斤顶。

进一步地，所述土石边墙的高度比所述涵洞高出所述涵洞总宽度的1/20-1/5。

进一步地，所述压力传感器布设于所述上墙顶部与所述涵洞盖板之间；和/或，

所述压力传感器布设于所述上墙外侧壁。

进一步地，所述下墙与所述涵洞基板通过榫卯结构连接。

进一步地，所述减载槽的高度为所述涵洞顶部回填土高度的1/30。

此外，本发明的实施例还提供一种减荷方法，包括以下步骤：

施工放样后，在处理后的地基上施工涵洞和加压式自适应系统，在初始状态时，利用各顶伸装置对上墙底部施加大小统一的向上的压力；

在涵洞两侧施工土石边墙，在涵洞顶部的涵洞盖板上方施工减载槽，在减载槽内分层填充轻质柔性材料；

按相关规范要求将路基填土回填至设计高度；

利用压力传感器监测涵洞边墙各处受到的压力，当监测到压力值具有明显差异时，利用单片机控制与压力较大的压力传感器相对的顶伸装置卸载，使涵洞本身工作环境维持在安全范畴以内。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

在涵洞顶部设有减载槽，减载槽内逐层填充有轻质柔性材料，当路堤荷载作用在减载槽上方时，由于减载槽中的轻质柔性材料与松散填土逐步被压缩，形成塑形形变，减少了减载槽和两侧路堤回填土之间的沉降差异，从而减少涵洞两侧回填土传递到涵洞顶部的荷载。

涵洞两侧土石边墙在涵洞顶部形成土拱效应，可抵消部分荷载。

当涵洞顶部产生不均匀沉降和应力集中时，布设在土石边墙上的压力传感器监测监测土压力差异明显时，单片机控制与应力集中的部位相对的加压系统卸载，主动对土石边墙进行减载，减轻局部土压力集中现象，使得涵洞本身工作环境维持在安全范畴以内，避免受力集中或受力不均引起结构的破坏。本方法充分综合柔性加载、土拱效应和加压自适应调整三者的优势，可有效解决涵洞顶部开裂现象，改善涵洞受力不对称性，避免涵顶与墙身分离开裂。

附图说明

图1是本发明提供的高填方路基涵洞主动式综合减荷结构一实施例的结构示意图；

图2是图1中A处放大示意图；

图3是图1中高填方路基涵洞主动式综合减荷结构的剖面示意图；

图4是图1中高填方路基涵洞主动式综合减荷结构的减荷效应示意图。

图中：减载槽1、土石边墙2、涵洞基板3、涵洞盖板4、上墙5、卡接条51、下墙6、限位条61、容纳空间7、单片机8、压力传感器9、顶伸装置10、柔性防水件11、回填土12、基座13、地基14。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参见图1至图4，本发明的实施例提供一种高填方路基涵洞主动式综合减荷结构，包括涵洞、减载槽1、土石边墙2以及加压式自适应系统。

请参见图1至图3，涵洞设于地基14上，包括涵洞基板3、设于所述涵洞基板3两端的涵洞边墙和涵洞盖板4，所述涵洞边墙包括上墙5和下墙6，所述下墙6固定于所述涵洞基板3上，所述上墙5位于所述下墙6上方，与所述下墙6之间形成容纳空间7，所述上墙5可沿上下向移动安装于所述下墙6。

上墙5可沿上下向移动安装于所述下墙6的安装方式具有多种，本实施例中，所述下墙6顶部向上凸伸设有两个相对的限位条61，所述限位条61沿所述涵洞延伸方向延伸，所述上墙5底部向下凸伸形成两个相对的卡接条51，所述卡接条51沿所述涵洞延伸方向延伸，所述卡接条51与所述限位条61卡接配合，具体的，两个卡接条51卡接于两个限位条61之间，或者两个限位条61卡接于两个卡接条51之间，以使所述卡接条51可沿上下移动安装于所述限位条61上。上墙5外侧壁与下墙6外侧壁呈平直设置，上墙5内侧壁与下墙6内侧壁也呈平直设置。

所述下墙6与所述涵洞基板3通过榫卯结构连接，中间存在一定的活动空间，不但可以承受较大的荷载，而且允许产生一定的变形，防止侧向受力。所述涵洞盖板4盖合于两个所述上墙5顶部，涵洞为拱涵或盖板涵。

减载槽1固定于所述涵洞盖板4顶部，减载槽1的宽度与涵洞宽度相等，所述减载槽1的高度为所述涵洞顶部回填土12高度的1/30。所述减载槽1内填充有轻质柔性材料，将轻质柔性材料逐层回填至减载槽1内，每层回填后进行碾压，每层厚度不超过50cm，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、沙土层或其他压实度较低可提供塑形形变冗余的材料等，以使涵洞侧面的填土、减载槽1内的轻质柔性材料可产生预期的沉降差，达到预期的减载目的。轻质柔性材料的密度要根据材料的属性、填方高度和涵洞规格来综合分析确定，以避免填土顶面的差异沉降过大而导致路面破坏。

所述涵洞两侧分别设有土石边墙2(只考虑受压的挡土墙)，所述土石边墙2顶部凸出所述减载槽1设置，土石边墙2的结构为水泥注浆的土石混合体，先施工土石边墙2框架，再向土石边墙2框架内注浆，参考已有工程经验，所述土石边墙2内的碎石粒径不大于10cm，所述土石边墙2的弹性模量不小于300MP，所述土石边墙2的高度比所述涵洞高出所述涵洞总宽度的1/20-1/5。

加压式自适应系统包括单片机8、多个压力传感器9以及多个顶伸装置10。

所述单片机8设于所述涵洞内，多个所述压力传感器9布设于所述涵洞顶部受力集中的位置，并与所述单片机8电连接，压力传感器9监测的压力输入至单片机8中。本实施例中，所述压力传感器9一部分布设于所述上墙5顶部与所述涵洞盖板4之间，一部分布设于所述上墙5外侧壁，以监测上墙5受到的顶部压力和侧向推力。

多个所述顶伸装置10设于所述容纳空间7内，且在所述涵洞延伸方向上间隔设置，多个顶伸装置10用于初期顶伸所述上墙5底部及后期的应力调节，多个顶伸装置10在初始状态时对所述上墙5底部施加大小统一的向上的压力，留有冲程冗余。所述顶伸装置10的数量依据回填深度、涵洞设计综合考虑。顶伸装置10可以为单向气缸等，本实施例中，所述顶伸装置10为电动液压千斤顶。在实际工程中，回填土12竖向应力在填土高度为10m时大概达到350Kpa，液压顶伸装置单个可承载30Mpa，承载力远超实际受力，组合多个可以满足实际工况。

多个所述顶伸装置10串联，并与所述单片机8电连接，所述单片机8连接市政电路，用于根据所述压力传感器9监测到的压力，调节各所述顶伸装置10对所述上墙5施加的压力。

本实施例中，各顶伸装置10安装于基座13上，基座13固定于下墙6顶部，所述涵洞基板3、涵洞边墙、涵洞盖板4、基座13均为钢筋混凝土或素混凝土材料。

涵洞边墙内侧壁覆盖有柔性防水件11，所述柔性防水件11沿所述涵洞延伸方向延伸，上端固定于所述上墙5内侧壁，下端固定于所述下墙6内侧壁，可防止顶伸装置10受潮，保证安全。柔性防水件11呈柔性，上墙5与下墙6在上下向具有相对位移时，柔性防水件11可在上下向伸缩。本实施例中，所述柔性防水件11与所述上墙5、所述下墙6可拆卸连接，便于对顶伸装置10进行检修。

本发明实施例还提供一种减荷方法，包括以下步骤：

施工放样后，在处理后的地基14上施工涵洞和加压式自适应系统，在初始状态时，利用各顶伸装置10对上墙5底部施加大小统一的向上的压力；

在涵洞两侧施工土石边墙2，先施工土石边墙2框架，再向土石边墙2框架内注浆；

在涵洞顶部的涵洞盖板4上方施工减载槽1，在减载槽1内分层填充轻质柔性材料；

按相关规范要求将路基填土回填至设计高度，涵台两侧施工宜对称，分层压实至95％以上的压实度；

利用压力传感器9监测涵洞边墙各处受到的压力，当监测到压力值具有明显差异时，利用单片机8控制与压力较大的压力传感器9相对的顶伸装置10卸载，使涵洞本身工作环境维持在安全范畴以内，避免受力集中或受力不均引起结构的破坏。

本发明提供的技术方案中，请参见图4，在涵洞顶部设有减载槽1，减载槽1内逐层填充有轻质柔性材料，当路堤荷载作用在减载槽1上方时，由于减载槽1中的轻质柔性材料与松散填土逐步被压缩，形成塑形形变，减少了减载槽1和两侧路堤回填土12之间的沉降差异，从而减少涵洞两侧回填土12传递到涵洞顶部的荷载。

涵洞两侧土石边墙2在涵洞顶部形成土拱效应，可抵消部分荷载。

当涵洞顶部产生不均匀沉降和应力集中时，布设在土石边墙2上的压力传感器9监测监测土压力差异明显时，单片机8控制与应力集中的部位相对的加压系统卸载，主动对土石边墙2进行减载，减轻局部土压力集中现象，使得涵洞本身工作环境维持在安全范畴以内，避免受力集中或受力不均引起结构的破坏。本方法充分综合柔性加载、土拱效应和加压自适应调整三者的优势，可有效解决涵洞顶部开裂现象，改善涵洞受力不对称性，避免涵顶与墙身分离开裂。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高填方路基涵洞主动式综合减荷结构，其特征在于，包括：

涵洞，设于地基上，包括涵洞基板、设于所述涵洞基板两端的涵洞边墙和涵洞盖板，所述涵洞边墙包括上墙和下墙，所述下墙固定于所述涵洞基板上，所述上墙位于所述下墙上方，与所述下墙之间形成容纳空间，所述上墙可沿上下向移动安装于所述下墙，所述涵洞盖板盖合于两个所述上墙顶部；

减载槽，固定于所述涵洞盖板顶部，所述减载槽内填充有轻质柔性材料；所述涵洞两侧分别设有土石边墙，所述土石边墙顶部凸出所述减载槽设置；以及，

加压式自适应系统，包括单片机、多个压力传感器以及多个顶伸装置；所述单片机设于所述涵洞内，多个所述压力传感器布设于所述涵洞顶部受力集中的位置，并与所述单片机电连接；所述顶伸装置设于所述容纳空间内，且在所述涵洞延伸方向上间隔设置，所述顶伸装置用于初期顶伸所述上墙底部及后期的应力调节，多个所述顶伸装置与所述单片机电连接，所述单片机用于根据所述压力传感器监测到的压力，调节各所述顶伸装置对所述上墙施加的压力。

2.如权利要求1所述的高填方路基涵洞主动式综合减荷结构，其特征在于，所述下墙顶部向上凸伸设有两个相对的限位条，所述限位条沿所述涵洞延伸方向延伸；

所述上墙底部向下凸伸形成两个相对的卡接条，所述卡接条沿所述涵洞延伸方向延伸，所述卡接条与所述限位条卡接配合，以使所述卡接条可沿上下移动安装于所述限位条上。

3.如权利要求2所述的高填方路基涵洞主动式综合减荷结构，其特征在于，还包括柔性防水件，所述柔性防水件沿所述涵洞延伸方向延伸，上端固定于所述上墙内侧壁，下端固定于所述下墙内侧壁。

4.如权利要求3所述的高填方路基涵洞主动式综合减荷结构，其特征在于，所述柔性防水件与所述上墙和/或所述下墙可拆卸连接。

5.如权利要求1所述的高填方路基涵洞主动式综合减荷结构，其特征在于，所述顶伸装置为电动液压千斤顶。

6.如权利要求1所述的高填方路基涵洞主动式综合减荷结构，其特征在于，所述土石边墙的高度比所述涵洞高出所述涵洞总宽度的1/20-1/5。

7.如权利要求1所述的高填方路基涵洞主动式综合减荷结构，其特征在于，所述压力传感器布设于所述上墙顶部与所述涵洞盖板之间；和/或，

所述压力传感器布设于所述上墙外侧壁。

8.如权利要求1所述的高填方路基涵洞主动式综合减荷结构，其特征在于，所述下墙与所述涵洞基板通过榫卯结构连接。

9.如权利要求1所述的高填方路基涵洞主动式综合减荷结构，其特征在于，所述减载槽的高度为所述涵洞顶部回填土高度的1/30。

10.一种减荷方法，其特征在于，包括以下步骤：

施工放样后，在处理后的地基上施工涵洞和加压式自适应系统，在初始状态时，利用各顶伸装置对上墙底部施加大小统一的向上的压力；

在涵洞两侧施工土石边墙，在涵洞顶部的涵洞盖板上方施工减载槽，在减载槽内分层填充轻质柔性材料；

按相关规范要求将路基填土回填至设计高度；

利用压力传感器监测涵洞边墙各处受到的压力，当监测到压力值具有明显差异时，利用单片机控制与压力较大的压力传感器相对的顶伸装置卸载，使涵洞本身工作环境维持在安全范畴以内。

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