湿陷性黄土地区公路涵洞地基变形特性研究

荣 露，熊治文，孙润东,梁恒祥

(1.兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070；2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000；3.青海省交通科学研究院，西宁 810000)

湿陷性黄土地区公路涵洞地基变形特性研究

荣 露1,2，熊治文2，孙润东3,梁恒祥2

(1.兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070；2.中铁西北科学研究院有限公司，兰州 730000；3.青海省交通科学研究院，西宁 810000)

黄土的特殊工程性质，导致其所在地区公路涵洞病害时有发生。为了解决湿陷性黄土地区不良地基导致的涵洞工后沉降过大的问题，以青海民和—小峡一级公路湿陷性黄土地区的2座涵洞为例，分别采用灰土换填法和灰土挤密桩法对这2座涵洞地基进行处理，地基处理后对这2座涵洞进行为期1 a的沉降监测。结果表明：采用灰土换填法和灰土挤密桩法1 a累计沉降量分别为25.0 mm和18.2 mm，灰土换填法和灰土挤密桩法都能有效消除涵洞地基因浸水而引起的湿陷变形，较大幅度地提高地基承载力。地基处理1 a后沉降趋于稳定，与灰土换填法相比，灰土挤密桩法对降低压缩变形、提高地基承载力更加有效。研究成果可为湿陷性黄土地区公路涵洞的设计施工提供参考。

湿陷性黄土；涵洞；灰土换填法；灰土挤密桩法；变形特性

1 研究背景

涵洞作为公路中横穿路基的常见构筑物，其作用能迅速排除公路沿线的地表水，保障路基的安全稳定，同时可供人或车辆安全通过。据有关资料介绍：无论是在工程数量上还是工程造价上，涵洞在公路工程中都占有相当的优势。早期在湿陷性黄土地区修建的涵洞，由于所处地形地貌、地质条件复杂，湿陷性黄土物理力学性质特殊，使得涵洞成为公路工程中病害发生最多的构造物之一，严重影响公路正常运营[1-2]。

造成涵洞工程病害的原因比较复杂，但主要还是归咎于涵洞的计算与设计理论不够完善和施工方法不当等原因。特别是在湿陷性黄土地区修建的高等级公路，60%～70%的涵洞存在病害，其中20%～30%的涵洞病害与地基处理不当有关。因此，湿陷性黄土地区涵洞的地基处理尤为重要，地基的合理处理将会有效控制地基变形、大大减少涵洞病害的发生，从而保障公路正常运营。

为确保湿陷性黄土地区涵洞工程质量，国内外学者开展了大量研究工作，取得了颇多的成果。Forrestal等[3]基于连续介质力学理论，研究了处于弹性连续介质中的管涵，提出了涵洞的屈服压力计算公式。李永刚等[4]基于力的平衡和变形协调关系，计算了上埋式钢筋混凝土涵洞顶部垂直土压力，讨论了各因素对洞顶土压力的影响。刘保健等[5]研究了上埋式公路涵洞地基与基础设计，认为进行公路涵洞地基与基础设计不能简单套用基底压力小于地基承载力的原有原则，建议采用顾安全公式计算涵洞上部土压力。杨天亮等[6]将高能级强夯法应用于湿陷性黄土地基处理，经试验检测其加固效果较好。姚裕春等[7]针对不同层厚湿陷性黄土研究了水泥土挤密桩、CFG桩等处理湿陷性黄土地基的适应性和效果。黄雪峰等[8-10]根据不同的自重湿陷性黄土层厚度，提出了相应的地基处理深度和剩余湿陷量控制标准。李彦武[11]认为地基土压缩变形和湿陷变形是涵洞基础下沉的原因，并提出路基涵洞设计应考虑溯源侵蚀问题。戴铁丁[12]通过对数个省份的代表性高等级公路涵洞病害进行调查，分析了涵洞病害产生的5个主要原因，并提出采用套衬补强及裂缝嵌补等技术来治理涵洞病害。刘晓曦等[13]通过现场监测和有限元数值模拟，认为涵洞基础的弹性模量对涵顶沉降的影响最大。目前，针对湿陷性黄土地区涵洞地基处理的研究较少，湿陷性黄土地区涵洞病害的防治措施也不尽完善。

鉴于湿陷性黄土的复杂性和现有设计规范的局限性，以及对工程建设可靠性、经济性的不断追求，本文以青海民和—小峡一级公路湿陷性黄土地区的2座涵洞为例，探讨湿陷性黄土地区公路涵洞地基变形特性。分别采用地基处理深度为3.0 m的灰土换填法和地基处理深度为6.0 m的灰土挤密桩法对2座涵洞地基进行处理。根据现场试验测得的数据，分析这2种地基处理方法的实际效果和各自特点，对比处理前后涵洞地基变形特性。研究成果可为湿陷性黄土地区涵洞的设计施工提供参考。

表1 灰土换填地基土主要物理力学性质指标

注：β为因地区土质而异的修正系数；β0为考虑基底下地基土的受水浸湿可能性和侧向挤出等因素的修正系数

表2 灰土挤密桩地基土主要物理力学性质指标

2 工程概况

民和—小峡一级公路位于青海省海东市境内，线路全长118.25 km，是青海省东部城市群城际交通网络的重要组成部分，将极大地满足西宁市和海东市乐都区之间高强度的交通需求。

在民小公路沿线湿陷性黄土地段选取代表性工点进行涵洞地基湿陷性处理效果现场试验。对2个试验工点进行人工开挖探井，开挖深度均穿透湿陷性黄土层，若无法穿透时则保证开挖深度≥25.0 m。对各探井每米取原状土样进行室内土工试验，试验得到2座涵洞场地地基土的含水率、密度、湿陷系数、修正系数、湿陷量等物理力学参数，如表1和表2所示。

根据现场试验结果可知：灰土换填涵洞地基自重湿陷性黄土层厚度为15.1 m，可计算出总的湿陷量∑Δs=564.5 mm，总的自重湿陷量∑Δzs=387.6 mm。灰土挤密桩涵洞地基自重湿陷性黄土层厚度为9.1 m，计算得到总的湿陷量∑Δs=533.9 mm，总的自重湿陷量∑Δzs=378.7 mm。依据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004)[14]可判定这2座涵洞地基土均为Ⅲ级(严重)自重湿陷性黄土。

灰土换填涵洞和灰土挤密桩涵洞所在试验工点均为湿陷性黄土场地，地形、地貌相似，地基土均为陇西地区Q3黄土。灰土换填涵洞基础宽度3.6 m，长度38.58 m，基础厚度0.6 m，基础埋深1.5 m，墙身高2.9 m，厚度0.6 m，盖板中间部分厚度0.24 m，两端厚度0.2 m，盖板上覆土层平均厚度3.06 m，黄土天然重度为16 kN/m3。灰土挤密桩涵洞的几何尺寸、周围土层环境等工况与灰土换填涵洞一致。

3 涵洞地基处理措施

黄土的湿陷变形具有突变性、非连续性和不可逆性，在湿陷性黄土场地上修筑的涵洞等构筑物因积水入渗而容易产生较大的地基不均匀沉降、结构开裂等病害。同时，由于原有地基强度无法满足承载力要求，若不经过处理将导致涵洞建成后出现沉降量超过安全允许范围，影响公路的正常使用，继而危及行车安全。在湿陷性黄土地区常采用换填垫层法、强夯法、挤密法、化学法、预浸水法等对地基进行处理，减小或者消除湿陷性黄土地基的湿陷性,确保构筑物的安全使用。结合不同地基处理方法的适用范围和经济性，采用灰土换填法和灰土挤密桩法对灰土换填涵洞和灰土挤密桩涵洞进行地基处理。

图1 不同方法处理的涵洞地基断面Fig.1 Sectional diagram of culvert foundations treatedby two different methods

按照设计规范[15]要求，结合不同地基处理方法的适用范围和经济性，采用处理深度为3.0 m的灰土换填法对灰土换填涵洞场地进行地基处理。在深度为3.0 m的地基处理层中，基底面下2.0 m厚度为三七灰土换填垫层，灰土垫层下1.0 m厚度为素土垫层，三七灰土垫层重度取16 kN/m3，素土垫层重度取17 kN/m3。在涵洞两侧设有路涵过渡段，过渡段纵向长度为3倍路堤填筑高度，地基处理示意图如图1(a)所示。尽管采用处理深度为3.0 m的灰土换填法只是消除基底以下部分黄土的湿陷性，但是在做好涵洞地基防排水措施后，涵洞地基的承载力和沉降变形仍能满足设计要求。

对于灰土挤密桩涵洞，采用处理深度为6.0 m的灰土挤密桩法对涵洞地基进行处理。灰土挤密桩桩径为0.4 m，桩间距为1.0 m，桩排间距为0.87 m，采用正三角形平面布置。桩顶及涵基底面之间设置0.5 m厚的三七灰土垫层，灰土垫层重度为16 kN/m3。与涵洞两侧相连的部分设置过渡段，过渡段纵向长度为3倍(3h)路堤填筑高度，地基处理示意图如图1(b)所示。灰土挤密桩法处理深度约为灰土换填法处理深度的2倍，也只是消除基底以下部分黄土的湿陷性，通过做好涵洞地基防排水措施，涵洞地基的承载力和沉降变形能满足设计要求。

4 涵洞复合地基变形特性分析

4.1 复合地基沉降量计算

图2 涵洞地基沉降计算示意图Fig.2 Schematic diagram for the calculationof culvert foundation settlement

4.2 复合地基湿陷性和压缩性变化特征

湿陷性黄土的湿陷系数和弹性模量是表征土体湿陷变形特征的重要指标。对经过地基处理后的灰土换填涵洞和灰土挤密桩涵洞的地基分别进行地质勘察，取样深度的起点为复合地基的顶面，得到地基处理前后地基土的湿陷系数、压缩模量变化曲线如图3和图4所示。

图3 涵洞地基土湿陷系数变化曲线

图4 涵洞地基土压缩模量变化曲线Fig.4 Curves of compression modulus ofculvert foundation soil

从图3可以看出，采用灰土换填法和灰土挤密桩法对涵洞地基进行处理后，涵洞地基土的湿陷系数显著减小。灰土换填法和灰土挤密桩法的处理效果不同。采用灰土换填法时，在5.1 m深度范围内，地基土体的湿陷系数从0.031～0.053减小到0.009～0.019。在灰土换填涵洞3.0 m地基处理深度范围内，地基土体的湿陷性被消除，在3.0～5.1 m深度处，地基土体的湿陷性基本被消除。采用灰土挤密桩法时，在6.0 m地基处理深度范围内，地基土体的湿陷系数从0.042～0.064减小到0.003～0.014，表明灰土挤密桩涵洞地基6.0 m深度范围内土体的湿陷性被消除。相比于灰土换填法，灰土挤密桩法对涵洞地基土湿陷性的减弱效果更加明显。

从图4可以看出，灰土换填法和灰土挤密桩法对涵洞地基进行处理后，涵洞地基土的压缩模量明显增大。采用灰土换填法后，在5.1 m深度范围内，地基土体的压缩模量从10.54～15.82 MPa增大到11.78～20.42 MPa。在灰土换填涵洞3.0 m地基处理深度范围内，地基土体的压缩模量增大较多(约为43.0%)，在3.0～5.1 m深度处，地基土体的压缩模量增大较少(约为7.7%)。采用灰土挤密桩法时，在6.0 m地基处理深度范围内，地基土体压缩模量的平均值由10.90 MPa增大到17.90 MPa，压缩模量的平均值增长64.2%。相对于灰土换填法，灰土挤密桩法对涵洞地基土压缩模量的提高作用更加显著。

图5 涵洞断面变形观测标布设Fig.5 Arrangement ofdeformation observation pointsof culvert section

图6 地基处理后累计沉降量变化曲线Fig.6 Curves of accumulativesettlement of compositefoundation after treatment

4.3 复合地基沉降变形监测及分析

涵洞修筑完成后，在垂直涵洞方向的进出口断面、涵洞中心断面的内部边墙底部分别布设2个变形观测标，用以监测涵洞复合地基沉降，见图5。分别对2座涵洞进行为期1 a的沉降监测，将每座涵洞3个观测断面得到的6组沉降数据取平均值，得到涵洞复合地基累计沉降量变化见图6。

由图6可知，随着时间的推移，采用不同地基处理方法的2座涵洞的地基累计沉降量均呈现出先快速增大，后缓慢增大，最后趋于平缓稳定的变化趋势。基于涵洞复合地基累计沉降量随时间变化曲线可以拟合得到2座涵洞累计沉降量随时间变化回归公式分别为u=1/[0.091 5(1/t)+0.032]和u=1/[0.097 5(1/t)+0.043]，计算得出灰土换填涵洞复合地基的最终累计沉降量和灰土挤密桩涵洞复合地基的最终累计沉降量分别为31.3mm和23.3mm。

经过1a的沉降监测发现，灰土换填涵洞复合地基的累计沉降量为25.0mm，完成最终累计沉降量的79.9%；灰土挤密桩涵洞复合地基的累计沉降量为18.2mm，完成最终累计沉降量的78.1%。根据最终累计沉降量完成情况和涵洞复合地基累计沉降量随时间变化曲线走势，可发现2种复合地基的沉降变形趋于稳定。相对于采用灰土换填法，采用灰土挤密桩法处理的涵洞地基累计沉降量明显偏小，且累计沉降趋于稳定的趋势更加明显。2种地基处理方法都能有效控制地基沉降量、减小压缩变形，显著提高地基稳定性。

5 结 论

本文以新建青海民和—小峡一级公路工程项目为依托，分别采用地基处理深度为3.0m的灰土换填法和地基处理深度为6.0m的灰土挤密桩法对湿陷性黄土地区的2座涵洞进行地基处理，并对这2座涵洞进行为期1a的沉降监测。对比分析2种地基处理方法的处理效果，得出的结论如下。

(1) 灰土换填法和灰土挤密桩法作为湿陷性黄土地基处理常用方法，均能有效消除处理深度范围内湿陷性黄土的湿陷性。

(2) 灰土换填法和灰土挤密桩法对涵洞地基进行处理后，涵洞地基土的压缩模量明显增大。在灰土换填涵洞3.0m地基处理深度范围内，地基土体的压缩模量的平均值由14.85MPa增大到20.16MPa，增大约35.8%。在灰土挤密桩涵洞6.0m地基处理深度范围内，地基土体压缩模量的平均值由10.90MPa增大到17.90MPa，增大约64.2%。

(3) 根据现场监测，灰土换填涵洞和灰土挤密桩涵洞复合地基的1a累计沉降量分别为25.0mm和18.2mm。通过监测数据曲线拟合，计算得出灰土换填涵洞复合地基的最终累计沉降量和灰土挤密桩涵洞复合地基的最终累计沉降量分别为31.3mm和23.3mm，这与理论计算值一致。对比发现2座涵洞复合地基1a累计沉降量分别完成最终沉降量的79.9%(25.0mm)和78.1%(18.2mm)。

(4) 采用灰土换填法和灰土挤密桩法处理过的涵洞地基累计沉降量均在稳定可控的范围内，2种方法均能够提高涵洞结构的安全性，确保公路的正常运营。相比于灰土换填法，灰土挤密桩法对降低湿陷性黄土压缩变形，提高地基承载力更加有效。

[1]CHENBao-guo,ZHENGJun-jie,LUYan-er.StudyonSoil-structureInteractionofUnsymmetricalTrenchInstallationCulvert[J].JournalofSoutheastUniversity(EnglishEdition),2009,25(1):94-99.

[2] 赵建斌,李万乐,申俊敏,等.黄土地区高速公路涵洞病害调查及分析[J].土木工程与管理学报, 2014,31(1):24-28.

[3]FORRESTALMJ,HERRMANNG.BucklingofaLongCylindricalShellSurroundedbyanElasticMedium[J].InternationalJournalofSolidsandStructures,1965,1(3):297-309.

[4] 李永刚,李 力.钢筋混凝土涵洞顶部垂直土压力影响因素研究[J].长江科学院院报,2006,23(6):72-74，79.

[5] 刘保健,谢永利,程海涛,等.上埋式公路涵洞地基及基础的设计[J].长安大学学报(自然科学版),2006,26(3):17-20.

[6] 杨天亮,叶观宝.高能级强夯法在湿陷性黄土地基处理中的应用研究[J].长江科学院院报， 2008,25(2):54-57.

[7] 姚裕春,李安洪,罗照新,等.郑西客专湿陷性黄土地基处理技术研究[J].铁道工程学报,2013,30(9):15-19.

[8] 黄雪峰,陈正汉,方祥位,等.大厚度自重湿陷性黄土地基处理厚度与处理方法研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(增2):4332-4338.

[9] 黄雪峰,陈正汉,方祥位.关于大厚度自重湿陷性黄土地基处理的若干问题探讨[J].后勤工程学院学报,2007,23(4):39-44.

[10]杨校辉,黄雪峰,朱彦鹏,等.大厚度自重湿陷性黄土地基处理深度和湿陷性评价试验研究[J].岩石力学与工程学报,2014,33(5):1063-1074.[11]李彦武.黄土地区公路路基病害分析与防治对策研究[D].西安:长安大学,2001.[12]戴铁丁.公路涵洞病害处治技术研究[D].西安:长安大学,2005.

[13]刘晓曦,岑国平,王 旭,等.路堤下涵洞沉降监测及有限元计算[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2009,33(3):507-510.

[14]GB50025—2004,湿陷性黄土地基建筑规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[15]JTGD63—2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京:人民交通出版社,2007.

(编辑：姜小兰)

DeformationCharacteristicsofHighwayCulvertFoundationinCollapsibleLoessAreaTreatedbyDifferentMethods

RONG Lu1,2,XIONG Zhi-wen2,SUN Run-dong3, LIANG Heng-xiang2

(1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China； 2.Northwest Research Institute Co.，Ltd. of China Railway Engineering Corporation，Lanzhou 730000，China； 3.Qinghai Research Institute of Transportation，Xining 810000，China)

Special engineering properties of loess often lead to hazards of highway culvert in the loess area. In order

to address the problem of post-construction settlement of highway culvert caused by poor foundation in collapsible loess area, we treated the foundations of two highway culverts on collapsible loess area of the highway from Minhe to Xiaoxia in Qinghai province as a case study by replacing loess with lime-soil (hereinafter referred to as replacement method) and by filling lime-soil into boreholes for compaction (hereinafter referred to as compaction method), respectively, and monitored the settlements of the treated culverts for one year. Results revealed that the accumulative total settlements of culvert treated by the two methods were 25.0 mm and 18.2 mm, respectively. Both the methods could effectively eliminate the collapsibility deformation of highway culvert caused by water immersion and remarkably improve the bearing capacity of foundation. Foundation settlements became stable in a year after the foundation treatment. The compaction method is more efficient in eliminating deformation and improving bearing capacity than replacement method. The research result serves as a reference for the design and construction of highway culvert in collapsible loess area.

collapsible loess；culvert；lime-soil replacement method；lime-soil compaction pile method；deformation characteristics

2016-07-04 ；

2016-08-21

青海省交通科技项目(2014-10)

荣 露(1991-),男,湖北麻城人,硕士研究生,主要从事岩土与地下工程研究,(电话)17671656230(电子信箱)publicrong@163.com。

10.11988/ckyyb.20160682

2017,34(6):138-142,154

U449.7

A

1001-5485(2017)06-0138-05