随着我国公路建设投资的不断加大和公路等级的明显提高，公路中涵洞结构物所占比重也越来越大。对于涵洞上填土较高，往往是其上土压力计算值较实际的土压力偏小而造成涵洞结构物的开裂破坏，或者是土压力计算值远远大于实际的土压力值而造成不必要的浪费。现行公路桥涵设计规范中，涵洞垂直土压力采用土柱重量计算，即，σ＝γh。事实上，该公式并不能真实反映涵洞上作用的土压力。另外，对涵洞地基与基础的设计，大多数方法是采取地基加固处理，使基础做得又大又厚，这对涵洞结构受力也是非常不利的。因为这样做加大了涵洞洞身两侧路基与涵洞之间的沉降差，从而增大了作用在涵洞上的土压力。本文基于汾离高速公路K24+383和K52+273两处高填方涵洞实体工程特点，具有针对性地进行了研究，通过对比分析，得出一些有益结论。
1、工程概况
K24＋383处为1－4m台阶式钢筋混凝土拱涵，与路线呈30°斜交，涵洞长198.8m，填土高度41.98m。开挖地基主要表现为砾石土，且砾石含量较高，在上游有约20米左右为基岩，地基地质条件较好。涵洞两侧坡体较缓，植被丰富，表层有约50cm腐殖土；以下土质在汾阳方向主要为砾石土，下卧基岩；离石方向主要为黄土，上游下卧基岩。
K52＋273处为1－4m钢筋混凝土拱涵，与路线正交，涵洞长96m，填土高度38m。涵址区地处黄土丘陵地区，地表出露马兰黄土，坚硬~硬塑；Ⅱ级自重湿陷性。地表开挖后为黄土层夹砂砾层，地表以下约6m处有自由水，地基承载力与均匀性都不满足设计要求，属不良地基。采用高压喷射水泥浆法进行加固，设计高压喷射注浆体28天的抗压强度应不小于3.0MPa。两侧坡体为马兰黄土，坚硬~硬塑；Ⅱ级自重湿陷性，坡度较陡，植被稀少。
根据两个试验段的具体情况，分别对K24+383和K52+273高填方涵洞工程作了应力和变形两方面的监控量测工作。
2、涵洞土压力与填土变形之间的关系
影响涵洞顶土压力σv 的因素很多且变化很大,彼此间互有影响。各种影响因素的变化结果都将引起涵洞顶平面内土柱沉降差δ的变化。若涵洞顶平面外土柱的沉降差大于内土柱的沉降差, 则沉降差为+ δ ,反之为- δ 。当沉降差为+ δ ,外土柱将一部分荷载通过摩阻力转嫁给内土柱,导致涵洞上土压力σv 增大;而沉降差为- δ ,内土柱则将一部分荷载通过摩阻力嫁给外土桩,导致涵洞上土压力σv 减小。由此可见,各种因素对土压力的影响可以综合为沉差δ的变化结果,研究涵洞上土压力的问题也就大大简化了。
图1 土压力与填土沉降差示意图
根据分析,通常情况下当填土高度H > (3～5)h时,填土在涵洞上引起的附加应力Δσv 与沉降差仅限于填土顶面以下的某个高度( Hs ) 范围内,这个范围小于填土高度H 。从土力学的基本理论中知,涵洞顶填土的附加应力与沉降值呈线性函数关系。根据以上分析,σv 与δ的关系可以表达为当δ > 0 时,Δσv > 0 ,σv =γH +Δσv , 则: K > 1 ( K 为土压力集中系数,即实测值/γH) ,涵洞顶产生土应力集中;当δ < 0 时,Δσv < 0 ,σv =γH - Δσv ,则: K < 1。而且，增量δ随填土高度之变化，将决定K－H之变化，反过来说K－H曲线也将反映增量δ随填土高度之变化。
由于V形沟谷的影响，存在着不均匀沉降，沟谷中部的沉降大于两侧的沉降，同时沟谷两侧边坡也对中间填土起到“侧限”作用，具备拱效应形成的充要条件，因此V型沟谷填土路基土压力及沉降与一般高填方路基的土压力及沉降存在明显的不同特性。
3、实测数据分析
图2 K24+383拱顶压力盒埋设示意图
图3 5~8号压力盒压力对比曲线图
图4 5~8号压力盒K值对比曲线图
图3表明从填土开始，实际压力值低于计算值γH；到施工完毕后7号压力盒压力值大于计算值，土压力集中系数K随着时间的推移有所降低；6号压力盒的压力值一直远远低于计算值。
图4应力集中系数K曲线图表明一般情况下K＜1，当出现应力集中,即实际土压力大于计算土压力时K＞1。
K24+383涵洞地基在上游主要是基岩，在下游为碎石土。下游采用强夯法进行地基处理。由于该涵洞处理后地基刚度较大，尤其是上游部分，几乎不存在工后沉降，因此该涵洞未设沉降观测。
图5 K52+273拱顶压力盒埋设示意图
图6 3~7号压力盒压力对比曲线图
图7 3~7号压力盒K值对比曲线图
图6表明在拱顶8米处土压力，除个别异常值外，均低于计算值，各压力盒土压力在施工前期（填土厚度低于15~20米）大致成线性增长，然后成非线性增长即以对数曲线形式增长。图7表明K值除异常值外，均小于1。
图8表明：涵洞的沉降在施工初期不太明显，随着填土高度H的增加，沉降量逐渐变大，施工完毕后沉降速率又逐渐减缓，趋于平和。由于涵洞中间部位填土较两端高，因此中间部位沉降较大。
4 、两个试验段对比分析
综合两个试验路段，K52+273高填方路堤涵洞虽然发生了比较明显的沉降变形，但是后期运营良好；K24+383涵洞地基刚度较高，没有比较明显的下沉，施工完毕后发现涵洞有6节产生了裂缝。测试数据表明距拱顶基本相同高度土层土压力值K24+383总体要比K52+273高，结合理论分析内容，推断在K24+383高填方路堤涵洞可能产生了“应力集中”现象；而在K52+273 高填方路堤涵洞则产生了“土拱效应”。
（1）两侧边坡角度的影响
K52+273高填方路堤涵洞两侧边坡较陡，在后期沉降过程中对中间填土起到了很好的支撑作用，使中间部分填土重量转嫁到涵洞两侧土体，减轻了涵洞结构所受的土压力；而K24+383高填方路堤涵洞两侧边坡角度较小，填方断面开阔，两侧边坡土体未发挥其“侧限”作用。
（2）地基刚度的影响
K52+273高填方路堤涵洞采用高压水泥旋喷桩加固，属半刚性地基，后期沉降较K24+383明显，涵洞下沉带动内土柱下沉量大于外土柱，使拱顶土体产生“土拱效应”；K24+383高填方涵洞地基刚度较高尤其是涵洞上游，随着填土高度的增加，涵洞荷载逐渐变大，致使涵洞结构出现破坏。
（3）填土压实度的影响
两个试验路段的路堤填土工艺基本一致，每一土层的压实度相同，因此对于K24+383高填方涵洞加大了“应力集中”效应的影响程度，而K52+273高填方涵洞的“土拱效应”的影响范围也不明显，所以应该采取中松侧实的填筑工艺，给内土柱下沉创造条件，同时加大外土柱的压实度，使其充分承发挥拱肩的作用，因此尤其要保证涵洞台背回填的压实度。
5 、结论及建议
(1)理论分析和对现场试验结果分析表明:涵洞上填土压力的大小是高填土下涵洞结构物的合理设计控制指标,而填土压力的大小则是和填土沉降变形差有着十分密切的联系,因此,在公路路基高填土下涵洞结构的设计与施工中,对于不同地形地质条件下的涵洞结构物,都应从受力机理出发,调整结构物填土的沉降变形差,使涵洞结构受力科学合理。
(2)高填方涵洞路堤，其地基处理在满足地基承载力要求的前提下，要尽可能的采取柔性地基处理方式，要保证整体在后期沉降过程中有一定的沉降量，促使中间沉降值大于两侧沉降值，这样就可以人为地使上部填土在沉降固结过程中形成土拱，从而承担拱上部土体重量。
图8 K52+273沉降曲线图
图8表明：涵洞的沉降在施工初期不太明显，随着填土高度H的增加，沉降量逐渐变大，施工完毕后沉降速率又逐渐减缓，趋于平和。由于涵洞中间部位填土较两端高，因此中间部位沉降较大。
4 、两个试验段对比分析
综合两个试验路段，K52+273高填方路堤涵洞虽然发生了比较明显的沉降变形，但是后期运营良好；K24+383涵洞地基刚度较高，没有比较明显的下沉，施工完毕后发现涵洞有6节产生了裂缝。测试数据表明距拱顶基本相同高度土层土压力值K24+383总体要比K52+273高，结合理论分析内容，推断在K24+383高填方路堤涵洞可能产生了“应力集中”现象；而在K52+273 高填方路堤涵洞则产生了“土拱效应”。
（1）两侧边坡角度的影响
K52+273高填方路堤涵洞两侧边坡较陡，在后期沉降过程中对中间填土起到了很好的支撑作用，使中间部分填土重量转嫁到涵洞两侧土体，减轻了涵洞结构所受的土压力；而K24+383高填方路堤涵洞两侧边坡角度较小，填方断面开阔，两侧边坡土体未发挥其“侧限”作用。
（2）地基刚度的影响
K52+273高填方路堤涵洞采用高压水泥旋喷桩加固，属半刚性地基，后期沉降较K24+383明显，涵洞下沉带动内土柱下沉量大于外土柱，使拱顶土体产生“土拱效应”；K24+383高填方涵洞地基刚度较高尤其是涵洞上游，随着填土高度的增加，涵洞荷载逐渐变大，致使涵洞结构出现破坏。
（3）填土压实度的影响
两个试验路段的路堤填土工艺基本一致，每一土层的压实度相同，因此对于K24+383高填方涵洞加大了“应力集中”效应的影响程度，而K52+273高填方涵洞的“土拱效应”的影响范围也不明显，所以应该采取中松侧实的填筑工艺，给内土柱下沉创造条件，同时加大外土柱的压实度，使其充分承发挥拱肩的作用，因此尤其要保证涵洞台背回填的压实度。
5 、结论及建议
(1)理论分析和对现场试验结果分析表明:涵洞上填土压力的大小是高填土下涵洞结构物的合理设计控制指标,而填土压力的大小则是和填土沉降变形差有着十分密切的联系,因此,在公路路基高填土下涵洞结构的设计与施工中,对于不同地形地质条件下的涵洞结构物,都应从受力机理出发,调整结构物填土的沉降变形差,使涵洞结构受力科学合理。
(2)高填方涵洞路堤，其地基处理在满足地基承载力要求的前提下，要尽可能的采取柔性地基处理方式，要保证整体在后期沉降过程中有一定的沉降量，促使中间沉降值大于两侧沉降值，这样就可以人为地使上部填土在沉降固结过程中形成土拱，从而承担拱上部土体重量。
