挡墙型涵洞进出口涵身开裂 原因分析及对策 引言 挡墙型涵洞系指涵洞与路基两侧挡墙配合设置且涵洞盖板顶上 具有一定高度墙高可以引起涵洞进出口应力集中的合成建筑物,	它是 一字墙洞口形式的变形,其形式如图一、图二 挡墙型涵洞是南公路用 于保证沿线农民有效下穿 越过公路和公路跨过沟渠、 和乡间道路,进一步节约土 地资源、减少投资的合成建 筑物;是公路工程经常可以 见到的普及结构工程。由于 挡墙与涵洞一起复合成一 个整体受力结构,且涵洞在 设计的受力分析中一般不 考虑盖板顶挡墙受力对涵洞附加应力的作用,其原因是当洞身的覆土 高度和车辆(车道)荷载产生的应力可能大于洞头的竖向应力,具体 对每一道挡墙型涵洞进行洞口检算和独立设计显得多余。 但是这种结 构因涵顶挡墙承受水平力,涵洞孔径掏空,使涵身受力集中和承受拉 应力,导致涵洞进出口端涵身出现45。裂缝正面一字端墙沉降开裂, 有的还出现外倾,危及涵洞与挡墙的正常使用,处理较为困难二、挡墙型涵洞的定义与开裂原因分析 当涵洞顶挡墙墙高在一定值范围内,依据地 基容许承载力;容许石砌工程弯拉应力、剪应力计 算端头洞身、一字墙应力集中不产生开裂为标准对 挡墙型涵洞进行定义。 (一)、挡墙型涵洞端头受力分析 如图二是沿涵洞轴线的剖面图,设挡墙顶宽 qPQ qPT2.	IL」——kq q l x	f3x q x1— qPQ qPT 2 .	IL 」——k q q l x	f 3 x q x 1 —qPQ qPT q 1 ' 2 2q q x 的土压力Pt,盖板顶挡墙重量 Pq,将每侧涵身简化为弹性地基梁 进行分析荷载分布、剪力图、弯矩图,如图三。 图三a是将涵身简化为弹性地基梁的荷载分布图,由于涵身通过 预制盖板传力,形成了板缝节点处荷载发生间断,成为微观地基梁弯 矩与应力的交变点。据此可画出涵洞宏观端头第一段沉降缝长度范围 内的剪力图和弯矩影响图如图三 b、C。 如果令Z=q pq+ q pt- q,取地基梁宽度咼为1,挡墙在涵洞盖板上 的起脚宽X,则最大剪应力与最大弯矩值如图三 b、c所示的标注。 正常情况下,石砌工程砂浆等级为 M7.5,根据 JTG/TD65-04-2007 《公路涵洞设计细则》规定的 M7.5浆砌片块石 砂浆砌体轴心抗拉ftd、弯曲抗拉ftmd、直接抗剪fvd取值规定,按片块 所占砌体面积比例可以计算得出综合的 F'td、F'tmd、F'Vd值,令涵洞洞 身一侧的面积为S,载面积量为 W,当〔1/2 (qpQ+ q PT+q ) X- q sX〕 宁SWFLd,洞身不会出现裂缝,反之将出现裂纹,当Ptx S Ptx Y -ZX2 - q q x2 W	,洞身上缘不会出现裂纹, 3	2 反之亦然;而正常的挡墙型涵洞不会只出现一个方向的应力,最少为 弯拉与剪切同时存在,这就很容易在涵洞端头涵身出现	45。斜裂纹和 端墙的外倾。 如果把涵洞进出口第一段(以沉降缝分隔)作为地基梁看待,挡 墙位置出现应力集中时,地基应力将重新分布,地基梁内部应力也将 随之改变,特别当局部应力大于容许承载力时, 应力重新分布将使涵身裂纹发展加速,待趋于稳定时,结构工程才能安全,一但外部条件 和气候发生变化,平衡将被打破,裂纹亦将随之变化,重新建立新的 平衡直至稳定。 (二)挡墙型涵洞定义 如果将涵洞顶挡墙的重量与主动土压力产生的最大应力与涵洞 洞身设计应力进行比较,即8s / Spmax > 1.0	①式中Ss为车道范围涵洞顶板覆土与车辆或 车道荷载在盖板上产生的分布应力值,	pmax为涵洞顶板在PQ与PT 作用下产生的最大应力]称为挡墙型涵洞。挡墙型涵洞需要作特殊处 理和设计,非挡墙型涵洞可按正常设计施工。	此时涵洞进出口端的地 基承载力须与涵身一致,否则应进行强基处理。 (三)挡墙型涵洞端墙与挡墙连接的分隔 按照规范规定,盖板与洞身铰接,盖板设计时按两端简支板计算; 涵身作为上下端简支的竖梁进行计算,并验算墙身圬工在竖直荷载与 水平压力作用下的承载能力。对于挡墙型涵洞的端头挡墙处,显然盖 板是两端固接,涵身与端墙接 触部分无水平力,由竖向荷载 控制设计。如果将涵洞断面范 围视为一个整体,如图四,与 挡墙相比,荷载减少了涵洞径 孔部分的圬工重量,但承载力 面积也减少了净跨长度10II	触部分无水平力,由竖向荷载 控制设计。如果将涵洞断面范 围视为一个整体,如图四,与 挡墙相比,荷载减少了涵洞径 孔部分的圬工重量,但承载力 面积也减少了净跨长度10 II	|1	黠顶 I [[ I	丨-2b(b为涵台基础襟边尺寸)。 令涵洞的净高于净跨均为lo ,取涵长1.0m计算比较如下: Plo	=2.4 ?……②式中Plo为涵洞净高净跨均为lo且长1.0m的圬 P M 工体积重量,则承载力面积减少io-2b,设地基承载力面积为ns;当w p p时,地基将发生应力集中。 n 如果将涵台按1-1剖面进行分隔计算,图四中 A点在P/2力的 作用下将发生最大应力,并将绕 A点旋转,使A点将同时出现竖向 位移与角度位移,此时在涵洞洞身与挡墙断面的结合断面H	- n(最 小断面积)发生剪切与弯曲拉应力的最大值,同时也是弹性地基梁地 基应力为零的点位,在H	H断面即挡墙上缘发生剪拉裂缝,并在地 基应力集中导致地基沉降的同时,共同使断墙开裂。 在设计和施工过程中,将H	H剖面处作为设置结构工程的结构 缝亦为沉寂缝,可有效解决挡墙型涵洞端墙与挡墙连接处开裂的问 题。 三、解决挡墙型涵洞问题的方法 1、	高速公路、一级公路、专用公路应当实行三阶段设计,认真 总结和回访已建公路涵洞结构工程病害发生的原因,	做好结构工程的 技术设计工作,以设计为源头,抓好项目质量的设计,确保施工实现 设计质量的要求。 2、	认真区分普通涵洞与挡墙型涵洞的不同之处,力学特征,受 力状态,实施普通涵洞按普通方法设计,挡墙型涵洞按挡墙型涵洞的 实际受力进行设计与处理 3、挡墙型涵洞端头钢筋砼盖板须按实际受力状况进行盖板几何 尺寸与配筋设计, 并对石台支承盖板砌块与砂浆强度验算, 必要时增 设钢筋砼台帽。 4、	在图二所示I - I剖面设置沉降缝,从端头至I - I剖面钢筋 砼盖板实行整体预制或现浇,并严格遵守单双向板计算规定。 5、	在图二所示I - I至端头的涵身基础连通,根据跨径lo 与 基础分台、 刚性角大小情况, 通过计算确定采用钢筋砼整体基础的厚 度与配筋,确保涵洞基础在涵跨范围内整体受力。 6、	在图四H - H剖面位置即涵身基础宽度对应的涵洞端墙处增 设挡墙结构沉降缝,保证挡墙型涵洞的设计符合挡墙布置与构造要 求,实现结构工程的安全和稳定。 7、	根据I - I、H - H剖面的分隔,将挡墙型涵洞同时视为挡墙 和涵洞进行设计的验算, 必要时可将此部分涵洞墙身以砼材料替代片 块石支砌。 8、	认真对挡墙型涵洞的地基进行处理, 依据《高速公路施工监 理实施细则》载明的“现场快速解决地基承载力不足的方法构筑物基 础处理报检程序” 进行设计、 施工、质量监理和检查, 确保地基强度。 9、	对目前出现裂缝的挡墙型涵洞,应当对地基进行压力注浆, 提高地基应力,同时对路基填方一定范围内的填方体实施渗透性注 浆,提高土体内摩擦角,达到减小主动土压力,改善挡墙型涵洞受力 状况,同时对彻体用环氧树脂压浆修补。 四、结语 挡墙型涵洞是经常出现的公路结构工程,它与普通涵洞相比有着 一定的特殊性,设计人员应当认真研究和掌握其特点, 进行必要的详 细计算并做好归类设计工作,施工、监理、项目法人管理人员应充分 熟知挡墙型涵洞的质量影响因素,现在采取措施,有效处理。养护管 理技术人员建立健全观察资料,发现异常及时处治,使公路各从业人 员从源头、过程、管理中全方位解决挡墙型涵洞存在的问题,不留隐 患,建长寿命的公路结构工程。