涵洞病害分析及涵洞设计结构计算

目前涵洞设计、施工中的主要问题

1 功能性病害

高速公路圆管涵孔径取消1.0和1.25m,采用1.5和1.8m。

原因：涵底设计高程与实际不符，洞口后期沉降较大，洞口平面与河道衔接不顺，堵塞物清理不及时，涵底纵坡偏小；

措施建议：涵洞位置及数量应整体考虑、合理布设，尽量减少后期沉降，养护部门及时对洞口、洞内的堵塞物及锥坡长草进行清理；高速公路建议选择孔径不小于1.5m的圆管涵，方便清淤。

原因：涵内排水系统不畅或未设置；涵洞净空不足，超高车辆违规通行；管理不善，涵洞遭废弃；

措施建议：应根据衔接道路实际情况，合理设置纵坡，尽量避免洞身位于凹曲线底部，洞内设置排水设施并保持排水顺畅，养护部门及时疏浚；设置明显的限高标志，必要时设限高门架。

2 技术性病害

各类裂缝

原因：温度影响和混凝土收缩引起表面短细裂缝；结构厚度偏小、配筋不够、超载和不均匀沉降等原因引起结构性裂缝；施工措施不当导致施工裂缝；

措施：采用更合理的结构尺寸和配筋率（适当考虑超载影响），加强防裂钢筋网的设置；严格施工措施，保证施工质量；

原因：不均匀沉降引起错台现象；填缝料填塞不密实、老化脱落致使沉降缝渗水，水流将台背回填砂带出，产生涌砂现象，造成台背淘空。

措施建议：填缝料宜采用热沥青浸泡麻絮，不宜采用乳化沥青浸泡；盖板涵的预制盖板顶面加铺油毛毡层；盖板涵、箱涵台后回填砂改为非黏性土。

3 其他病害主要解决混凝土剥落的问题；在八字墙边缘外加铺2m长的铺砌，解决洞口铺砌冲刷的问题。诸如软基段涵洞两侧出现明显的跳车现象；通道口积水现象，洞口的横向排水沟及其盖板破损较严重等。

涵洞结构计算

(1) 涵洞的泄水能力及水力计算

(2) 圆管涵

根据《07涵洞细则》，混凝土圆管涵的设计仅考虑车辆荷载、圆管涵自重和填土产生的等效荷载的作用组合。不计算管壁环向压力和径向剪力，仅考虑弯矩作用效应。

混凝土圆管涵结构应按《04桥规》的规定进行承载能力极限状态的承载能力(强度)和正常使用极限状态下的裂缝宽度的验算。 

(3) 盖板涵(EXCEL表格计算)

1)盖板的长度与宽度之比大于等于2时，按简支单向板计算。 

2)分离式涵台:作为上下端简支的竖梁计算。

3)整体式涵台身按上端与盖板不可移动的铰接、下端与基础固结计算。

现浇盖板的合理宽度：

L0=2、4、6m盖板涵，当B1=400cm,现浇板钢筋含量与预制单向板钢筋含量相差不大，取B1=400m是经济合理的且现浇板宽不至于过小。

(4) 箱涵

① 采用矩形框架超静定结构计算，涵底地基反力假设为直线分布。

② 边界条件：刚性约束底板水平方向位移。

③ 考虑车辆荷载、覆土竖向压力、台侧主动土压力和涵身自重；不考虑剪切变形、砼收缩效应，涵体内外的温度变化按±15℃考虑。

④ 荷载施加：横、纵向车轮布置按公路的车辆荷载方式布置。

斜交箱涵整体扭转

斜交角度≥30°时，斜交箱涵的整体扭矩较大，对于斜交角度≥30°（不推荐采用一字墙）。

（一字墙计算)

单元类型：板单元

边界条件：涵身侧固结，不考虑墙前土体对一字墙约束。

荷载：一字墙自重、墙后主动土压力(分解为：垂直于墙面的正压力和平行于墙面的摩擦力)，不考虑墙前被动土压力，考虑地震作用。

配筋率：≤166kg/m3

(5) 拱涵(全断面计算模型)

1）拱圈按无铰拱计算，矢跨比采用1/2。拱脚与涵台身固结，涵台身与整体式基础固结，形成弹性框架结构解算内力。

2）边界条件：在拱圈侧、涵台侧、基础底设置弹性支撑。

3）不考虑曲率、剪切变形、温度作用效应和混凝土收缩效应，考虑弹性压缩的影响。

4）不考虑车辆荷载，仅考虑覆土竖向压力、台侧主动土压力和涵身自重。

拱圈弹性压缩的影响，弹性压缩对内力的影响不可忽略。

矢跨比分析：失跨比采用1/2 对拱圈受力有利。

地基类型不同，m值影响：

    若考虑涵台、地基与拱圈的共同作用，地基抗力系数对拱圈和底板内力产生较大的影响。

    右表为不同m值在覆土竖向压力作用下拱圈和底板内力变化的比较。

   ① m值增大，拱圈、底板的内力、应力均减小（拱圈轴力除外），台身应力也减小，但基底压力增大。

   ② m值增大，拱顶正弯矩减小，拱脚负弯矩减小并有可能变成正弯矩。

   ③ 设计可取m=80000kN/m4 进行计算。 

(6) 八字墙

1）单元类型：实体单元

2）边界条件：基础底为竖向只受压；约束基础侧的水平向线位移；

3）荷载：八字墙自重、墙后(含基础)主动土压力(分解为：垂直于墙面的正压力和平行于墙面的摩擦力) 、考虑地震作用；

4）结构尺寸调整：墙顶厚度由原来的40cm增加至55cm，台背斜度由4：1调整为3.5：1；基底应力不大于200kpa。

5）八字墙张角：考虑墙后土压力的影响，对盖板涵、箱涵和拱涵，因墙高较高，张角取为20°；圆管涵因墙高较矮，张角取为30°。

涵洞研究总结

●以往涵洞地基承载力基本容许值的计算直接采用上部荷载所产生地基应力，没有考虑侧填土对地基容许承载力的提高作用，使得涵洞地基加固设计偏于保守，造成较大的投资浪费。

●以涵洞地基工后沉降不大于20cm为控制条件，在不同的地基条件和涵顶填土高度情况下，按沉降控制的地基承载力容许值均大于规范公式修正值。

●涵洞顶土压力：涵洞位置最大土压力为516.4kPa，一般路堤处土压力值为364.4kPa，则马斯顿效应的涵洞荷载放大系数为1.31。

●当基础底板与涵身线刚比λ越大，涵身外侧受拉弯矩越小，底板节点下侧受拉弯矩越小，底板跨中上侧受拉弯矩则越大。

七种配筋类型中，类型1-a造价最低，类型1-c与类型2每延米造价基本相当，造价较高的为类型1-b、类型3和类型4。

台身基础底面采用圬工结构，基础顶面采用钢筋砼结构具有经济性。全部采用钢筋砼结构经济性最差。

调整基础与台身线刚度比，使得台身受力偏心距接近并小于第一类偏压偏心距限值最为经济。

涵洞跨径D、填土高度H、沟谷宽度B、地基土模量Ed与Ks值正相关，填土模量Et、沟谷坡度α与Ks值负相关。随着填土高度H的增加，涵洞垂直土压力集中系数Ks值呈逐渐增大，当H/D=2.5~5时为最大，之后趋于稳定并略有减小。沟谷地形的坡体在一定程度上分担了涵顶土柱重量，降低了涵顶垂直土压力的应力集中，因此建议工程实际中尽可能保留沟槽。

目前针对高填方涵洞的减载措施大都是通过调整涵顶平面上覆填土的沉降，来实现将作用在涵顶的填土荷载向台背外侧填土转移，以减小涵顶荷载的目的。

 涵洞的主要减载措施有：中松侧实法、提高涵台背后填土压实度或采用低压缩性材料、采用柔性填料（EPS）、先填后挖法、加筋减载法。对涵洞地基进行加固处理时，地基加固后的模量不宜过高，在满足地基承载力要求的基础上，应尽量采用柔性的地基处理方法。

盖板涵和箱涵的台后填土采用非黏性土，不只限于中粗砂、石屑、碎石等。

圆管涵、盖板涵和拱涵，填土高度扩展至20m。箱涵，填土高度扩展至6m。净跨径增加至6m跨径。

为减弱洞口处冲刷，洞口铺砌宜向外延伸2m。

对沉降缝需采取特殊的防水、防漏砂措施。

涵顶底板主筋未设置起弯，优化后主筋数量增加较少，更容易保证结点附近的斜截面抗弯承载力，且施工更便利。

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