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1、山区高速拱涵开裂原因分析及处理张 明 武摘要：文章根据某山区高速公路一处拱涵开裂的基本情况，进行了模拟计算，并分析了开裂的原因，给出了维修加固措施。关键词：拱涵开裂；模拟计算；原因分析；维修加固措施随着我国高速公路由平原、微丘地区向西部及山区发展，许多适用于山区地形的设计理念也相应形成。山区高速公路由于地形的复杂性，高填深挖路基不可避免，在高路堤上常需设置高填土涵洞。拱形涵洞适用于有壅水条件的河沟和较高的路堤( 填土路堤最高可达20m)，多采用石砌或混凝土材料构筑，可节约钢材并利于就地取材。拱涵有较大的泄洪能力和较大的立交净空，因此， 在山区高速公路工程的涵洞设计中时有采用。但在工程实践中，拱
2、涵常发生开裂现象，本文结合某山区高速公路一处拱涵开裂情况的模拟计算，分析其发生原因，给出维修加固措施。1、现场基本情况山区某高速公路ZK215+883.587YK215+871.5-54.0m 砼拱涵，涵洞长 135.119m, 本涵洞与路线成45夹角，斜涵正做， 进口八字墙左侧面与路线方向成25夹角， 出口八字墙右侧面与路线方向成65夹角， 拱涵拱顶距路面顶约 13m 。采用现浇砼施工。本涵洞于 2009 年 3 月份开始施工，2009 年 9 月份施工完成。拱涵完成后历经多次检查经未发现裂缝。 2010 年 9 月 2 日发现拱涵进出口八字墙均发现裂缝，后发现进出口斜涵锐角1/4 拱腰处存
3、在35m长裂缝，呈规则型裂缝，缝宽约2-3mm 。进出口处裂缝均处在偏压侧拱腰部位。2、拱涵计算根据目前情况，设计单位对拱涵进行了设计验算。对计算按两种情况分别进行了模拟验算，即不偏压状态及偏压状态。A、不偏压状态1） 、设计资料：（1）主要受力构件-拱涵顶板为预制构件，C30混凝土，半圆环型截面。（2）板拱上方填料为13.0 米深，填料密度为18kN/m3。（3） （3）汽车荷载以等代土层厚度的方法计入，等代土层厚度2m。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共
4、8 页 - - - - - - - - - 2） 、建立拱结构、拱上填土共同作用的结构模型如下图；3） 、荷载工况（1）自重：按照结构实际自重考虑。（2）温度荷载：最高气温：25，最低气温：0，施工温度：1020；即升温15，降温20。（3）拱脚位移：左端拱脚固定，右端拱脚向上、向右强制位移1.0cm。4） 、荷载组合按照最不利标准值组合进行，1.0 自重 +1.0 （温度荷载 +）+1.0 （位移 x+）+1.0 （位移 z- ） 。5） 、计算结果位移等值线由于强制位移拱脚产生1.41cm 的位移。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - -
5、 - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 最大主应力等值线由于计算假设拱脚完全固结，并由强制位移，所以在左端拱脚位置产生最大、最小最大主应力，28.6MPa，和10.1MPa，实际受力中，不可能出现。拱顶处最大主应力为9.9MPa，在结构材料允许限值之内。最小主应力等值线拱顶处最小主应力为0.99MPa，在结构材料允许限值之内。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - -
6、- - - - - - - 有效应力（ Von-Mises stress）拱顶处最大应力为17MPa ，最小应力0.9MPa，在结构材料允许限值之内。6） 、结论按照理论对预制板拱进行计算，各项应力值均处于C30混凝土限值之内，认为原设计满足设计要求。B 、偏压状态1)、根据提供资料：（1）主要受力构件-拱涵顶板为预制构件，C30混凝土，半圆环型截面。（2）板拱上方填料为16.0 米深，填料密度为18kN/m3。按照 1:1 的坡度进行加载。2)、建立拱结构、拱上填土共同作用的结构模型如下图；3)、荷载工况名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -
7、 - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - （1）自重：按照结构实际自重考虑。（2）温度荷载：最高气温：25，最低气温：0，施工温度：1020；即升温15，降温20。（3）拱脚位移：左端拱脚固定，右端拱脚向上、向右强制位移0.5cm。4)、荷载组合按照最不利标准值组合进行，1.0 自重 +1.0 （温度荷载 +）+1.0 （位移 x+）+1.0 （位移 z- ） 。5)、计算结果位移等值线由于强制位移拱脚产生了0.71cm 的位移。最大主应力等值线由于计算假设拱脚完全固结，并由强制位移，所以在左端拱脚位置产生最
8、大、最小最大主应力，12.7MPa，和7.2MPa，实际受力中，不可能出现。拱顶处最大主应力为7.9MPa，在结构材料允许限值之内。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 四分之一拱处的最大主应力为10 MPa，在结构材料允许限值之内。最小主应力等值线拱顶处最小主应力为0.4MPa，在结构材料允许限值之内。四分之一拱圈处最小主应力为-3.0MPa（拉应力），超出结构材料允许限值（C30 混凝土抗拉标准值2.01MPa）
9、。有效应力（ Von-Mises stress）拱顶处最大应力为17MPa ，最小应力0.4MPa，在结构材料允许限值之内。6） 、结论本次计算将约束变形调整为0.5cm，并采用上部覆土荷载按照实际情况进行简化模型。四分之一拱圈处最小主应力为-3.0MPa（拉应力），超出结构材料允许限值（C30 混凝土抗拉标准值2.01MPa） 。但是由于计算假设拱脚完全固结，并由强制位移，所以该结果尚应考虑。3、拱涵开裂原因分析1） 、根据公路涵洞设计细则，整体式基础拱涵按无铰拱计算，不考虑曲率、剪切变形、弹性变形、温度效应或混凝土收缩效应。设计时拱圈计算按平面假定、单向受力，正交计算。涵洞基础设定为刚性基
10、础，不产生变形，对基础以上部分的边墙和拱圈也不产生影响。从无铰拱的理论推导可知，无铰拱对于支座移动是很敏感的，微小的支座移动即可引起相当数量的内力。因此支座的微小沉降可能导致拱涵开裂。根据偏压状态计算结果支座强制沉降达 5mm 时就会导致主拉应力超标。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 2）由于本涵为整体式基础，计算时认定为刚性基础，必须保证其整体受力，但施工单位在施工时于基础中间预留施工缝，结果就导致基础不能形成整
11、体式刚性基础，而成为分离式基础，当一侧基础出现微小沉降时就可能导致拱涵开裂。3）从现场情况看，基础底部施工不密实，导致水流下渗并不断冲刷基础，容易使地基掏空，从而导致基础沉降。这与施工完成后将近一年的时间洞身没开裂，而经过一个雨季即出现开裂现象的工后情况是相吻合的。4）根据设计图纸，本涵设计的为直八字翼墙洞口，但施工单位将其修筑成斜八字，没有按照图纸施工。5）按照设计规范规定及正常施工程序八字翼墙和洞身连接处应该互为分离并预留沉降缝，沉降缝需嵌填柔性防水材料，但现场未见此伸缩沉降缝构造。当两构造连接在一起时，且八字翼墙未按设计施工，导致锐角处的土压力加大，使挡土墙位移加大或发生基础沉降，均可能
12、带动洞身一起位移，从而导致拱涵开裂。6）按设计图纸，进出口铺砌有足够的消能长度，实际情况却较短，涵前区的冲蚀对洞门地基也会有所影响。7）本涵设计的是预制拱涵，施工单位采用现浇施工，拱圈的浇筑质量、养生措施会对涵洞的受力性能产生影响。综上所述，此拱涵开裂是由于上述综合原因形成的，未按设计要求施工导致基础沉降是拱圈开裂的重要的诱因，可见，对于拱涵来说，应充分重视地质条件并应确保地基施工质量。4、维修加固措施第一步：首先将八字翼墙与拱涵墙身分离，预留12cm沉降缝，沉降缝内填充沥青麻絮或其他不透水材料。第二步：按设计时的直八字墙加固，即在原施工的斜八字墙（主要是锐角侧）外侧增加拐角挡墙，或者将八字墙
13、拆除按设计重做。第三步：为防止冲刷地基，涵洞进出口应按设计延长铺砌长度，铺砌厚度仍按设计规定的45cm采用。第四步：对基础进行植筋加固，如下图所示，沿涵轴方向间隔2 米凿除原净空区之基础（图中阴影部分），基础凿开后，应对基础下被水流掏空的部分进行注浆加固。在墙身基础离基底10cm 处植入 22 受力钢筋（图中钢筋） ，涵轴方向间距20cm，两侧涵墙中的植筋搭接段采用双面焊接；基底顺涵轴方向设置12 分布钢筋（图中钢筋），间距 20cm，涵轴方向钢筋搭接也采用双面焊缝焊接；钢筋绑扎完毕后用C25 混凝土浇筑凿除区，待混凝土强度达到设计强度后，方可施工下一段。第五步：上述处理措施完成后，需观察约一
14、个月时间，监视拱圈裂缝的发展，如果未继续发展，以环氧树脂封闭现存裂缝即可。5、几点建议1） 、在地基承载力为3m高填土的涵洞时，宜避免采用拱涵名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 结构，可选用其他形式的涵洞，如盖板涵、框架箱涵等。必须采用拱涵时，对于一般填土高度的拱涵，地基承载力不小于350KPa ，对于高填土拱涵，地基承载力应不小于400KPa。2） 、拱涵通用图设计是在平面假定理论基础上按正交计算的，与斜度无关。因
15、此，在设计时应控制涵洞的斜交角度，使之不能过大，一般斜交角度应50。 3） 、拱涵基础设计按刚性基础考虑，但在已建成的拱涵中，基础仍有一定数量的开裂现象。建议进一步从理论上研究分析拱涵基础的受力特征，完善基础设计，可考虑在基础内配置一定数量的抗拉钢筋以防止其开裂。参考资料：1、 公路涵洞设计细则 （JTG/T D65-4-2007 ）. 北京：人民交通出版社出版，2007 2、刘培文周卫张君纬马杰 . 公路小桥涵设计示例. 北京：人民交通出版社出版，2004 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -