涵洞地基处理方式探讨

王晋斌

(山西省交通规划勘察设计院)

1 概述

涵洞是公路工程建设中重要的通行、排水设施，是公路工程建设中数量最多的构造物。涵洞都是建造在一定的地层上，地层承担着来自构造物的全部荷载。基础是构造物安全的最重要的组成部分，涵洞地基与基础的设计和施工质量的好坏，对整个结构的质量及正常使用起着关键作用。而从已建公路的反馈来看，涵洞的病害特征最为显著的是基础错台和顶板及洞身开裂。涵洞产生病害的原因主要包括:(1)地基承载力不足;(2)地基处理方式不当;(3)地基沉降或地基不均匀沉降;(4)涵洞顶部土压力过大;(5)施工质量差。

公路工程建设中，一般都会遇到地质条件差或软弱的地基，这样的地基不能保证结构物的安全，需要先经过人工加固后才能建造基础，合理选择基础处理方式不仅能节约造价，还能提高涵洞的稳定性。

2 地基处理前的调查研究

在进行地基处理方案选择前必须先进行详细的实地勘察，了解涵位处地质条件，除查明填土分布外，还需通过试验确定土的组成状况、物理力学性质指标;如果实测软弱土土层厚度较大，靠挖换土已明显不经济或不允许时，则需要考虑其它处理方法，此时应根据其它处理方法所需的土质情况，掌握土层中硬性杂质的含量以及埋藏深度。此外，还应收集涵位附近隐蔽工程的分布情况;了解涵位处环境，地基处理施工时会对周围环境造成很大影响，噪音过大会影响居民休息和工作;强夯和挤压会导致附近房屋和地下管线的破坏开裂及沉降;现场确定满足承载力要求时地基需要处理的范围，通常情况下只处理涵洞基础轮廓线以内是不够的，为满足土体应力扩散、地基土变形、抗渗及抗液化的要求，处理范围往往需要向外扩大若干尺寸;此外，若涵位周围存在相似场地，还应调查该场地的实地处理经验，总结该地区的设计和施工经验，调查所用材料出处，施工采用的机具、施工工期、工程造价和加固后的效果，这些都至关重要。

3 按以下步骤确定地基处理方案

(1)根据桥涵的结构类型及填土高度，结合涵位处地质揭示资料，初选几种可行的地基处理方案;管涵、箱涵及波纹管涵整体性好，需要的地基承载力较低;拱涵对基础抗变形要求较高;选择处理方案时应考虑涵洞的特点。

(2)择优选取初步选定的几种地基处理方法:根据材料选取地点、施工用到的机具和时间要求，预想施工后的效果，对环境是否有影响以及会不会超预算等各种因素，综合后做出技术经济指标表，从中对比选择最优的处理方案，如有必要，可以结合多种方案进行处理。

(3)最终的地基处理方案，还应验算对上部结构的整体性和刚度的影响。涵顶填土、涵身和地基三者协调变形，融为一体，经处理后地基的特性对涵洞的工作性状有很大影响。软弱地基处理的范围和刚度会对涵洞的受力状态产生影响。现有的理论研究中，往往只关注涵洞本身结构的受力状态和变形特性，而对涵洞地基特性对其工作性状的影响关注不够。

4 地基处理方式探讨

4.1 地基承载力及变形满足涵洞要求

若地基承载力及变形检测结果满足，可在天然地基上直接建造基础。直接设置在天然地基上的桥涵基础，应满足下列要求:(1)置于冰冻线以下不小于0.25m;(2)应避免基础受到冲刷;(3)若基底下存在软弱层，则需要做深挖处理;(4)台阶基础时，阶高与阶长之比不宜小于1∶2。

4.2 地基承载力与要求相差不大

当地基土的容许承载力与涵洞地基所需压应力接近时，一般做整体式基础，由于整体式基础与地层接触面增大，从而分散涵洞基础的平均压应力达到地基土的容许承载力，见图1。

图1 涵洞地基

4.3 地基承载力满足要求抗倾覆或滑动不足

当地基承载力满足要求，倾覆稳定性或滑动稳定性不足时，可采用不对称台型布置，在台后用干砌石来减轻土压或结合基础利用底板上的土重来抵抗。还可将基础底面改变形状，增大抗滑阻力，从而增加基底稳定性，见图2。

图2 抗滑措施

4.4 地基承载力不满足要求

若天然地基较为软弱，不能满足地基强度、变形和稳定分析时，则要经过地基处理后再建造基础。地基处理对象主要是软弱地基及特殊土地基。选择处理方法时应考虑各类涵洞的受力特点及地基处土层的特性。软土地基的特性主要表现为高压缩性，低强度，含水量大，孔隙比大，还往往含有较多不稳定的有机质。特殊土主要包含湿陷性黄土及膨胀土地基。

(1)换土垫层法:用砂垫层法加固地基，就是挖除基底下浅层软弱土或不良土，而换以分层夯实的低压缩性砂(或掺加砾石、卵石、碎砖等)，这样可提高持力层的承载力，减少沉降量，消除或部分消除土的湿陷性和胀缩性，改善土的抗液化性，从而满足地基稳定和变形的基本要求。换土垫层法的优点在于简易可行，但仅限于浅层处理，一般不大于3m，对湿陷性黄土不大于5m;且如果地下水位较浅，在处理过程涌水，需要降低地下水。

(2)强夯挤淤法:采用边强夯、边填碎石、石渣挤淤的方法，在土层中形成坚固的碎石体，从而提高地基承载力。适用于厚度较小的淤泥和淤泥质土地基。此法通常需要进行现场试验。

(3)强夯法:根据计算确定所需夯击能，利用起重机将重锤吊至一定高度后让其自由下落，从而迫使土体密实，进而提高地基承载力，减小基底沉降，消除土的胀缩性、液化性及湿陷性。适用于砂土、素填土、杂填土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土。强夯法施工速度快，施工质量容易保证，经处理后土体性质较为均匀，大面积场地施工时造价经济，不宜在闹市区及靠近村庄的地方施工。

(4)强夯置换法:若软弱土层为软粘土，且厚度小于6m，可进行强夯置换，边夯边填筑碎石，从而形成复合地基。

(5)砂土桩挤密法:先在软土地基内成孔，然后向孔内灌入砂或土(用石灰或石灰砂效果更佳)后，再加以夯实使其成为桩体，从而使地基土密度加大，提高承载力。砂桩可用来加固粉砂、细砂、砂质粘土、淤泥及软粘土等，挤密法需要注意下述问题:①加固范围;②范围内需要砂桩的数量;③桩数及桩的排列方式;④桩长及管砂总量。

(6)排水固结法:在地基中设置垂直排水井，使地基土排水顺畅，采取加压、抽气、抽水等方法，以加速地基土的固结及强度增长，提高土的稳定性，并加速沉降时间。在厚度较大的饱和软土和冲填土地基建造构造物时，地基由于剪切变形和固结可能产生较大沉降，甚至由于强度不足而失稳破坏，在这种情况下采用排水固结法较为有效，但对于厚的泥岩层要慎重对待。

5 地基处理工程的施工管理

由于地基处理的隐蔽性及其难修复性，因此必须重视施工质量监测以及质量检验方法。在施工过程中，监督管理不得间断，并且在发现问题时要在第一时间解决。

施工单位在施工前要制订好组织计划及施工过程中管理方式，质量控制及检测必须交给有经验及负责的工程师。测试工作是地基处理重要的组成部分，应定制监控标准，控制不良态势衍生。

沉降和位移观测是地基处理质量检验的主要依据，也是判断处理方式是否合适和进行科学研究的重要资料;周期性观测沉降、位移及变形速率更为有效;对于某些场地还应将监控延长至工程完成以后，直至沉降稳定。

[1] 刘培文，周卫，张君纬，等.公路小桥涵设计示例[M].北京:人民交通出版社，2005:208-216.

[2] 陈保国，董佳竹.软土地基上高填方刚性涵洞地基处理及其设计原则[J].土木工程与管理学报，2012，(3):11-16.