一种山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构.pdf

本实用新型提供了一种山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构，由涵洞两侧桩、桩梁、筋材、碎石垫层和减载孔组成，桩、桩梁、筋材、碎石垫层和减载孔组成一个减载体系，通过桩顶土拱效应和筋材张拉膜效应，使大部分路堤荷载传递至桩顶，并沿桩身传递至下卧持力层。本实用新型采用上述结构后，涵顶加筋减载效果显著提高，有效地缓解了涵顶开裂现象；涵顶荷载通过桩身传递至下卧持力层，涵洞侧墙开裂现象得到显著缓解；有效减小了复杂地质对涵洞受力及变形特性的影响；有效减小了涵洞受力不对称性，避免了涵顶与墙身分离开裂的现象；筋材效率得到显著提高。

权利要求书一种山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构，其特征在于：所述加筋减载结构由桩、桩梁、筋材、碎石垫层和减载孔组成；
所述的桩和桩梁位于涵洞的两侧；
所述的减载孔位于涵洞涵顶的正上方；
所述的筋材和碎石垫层位于减载孔上方。
根据权利要求1所述的山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构，其特征在于：所述的涵洞为拱涵或盖板涵。
根据权利要求1或2所述的山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构，其特征在于：所述的桩为刚性桩，弹性模量在5‑30GPa范围内，桩径在0.4‑0.6m范围内，桩间距在2.0‑3.0m范围内，桩长根据地层分布情况确定，桩端穿透复杂地层至下卧持力层，桩与涵洞基础净间距为0.8‑1.5m。
根据权利要求1或2所述的山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构，其特征在于：所述的桩梁通过钢筋笼与桩顶部刚性连接，桩梁采用现浇钢筋混凝土完成，桩梁厚度在0.3‑0.5m范围内，桩梁宽度在1.5‑2.5倍桩径范围内，桩梁顶面标高与减载孔顶面标高一致。
根据权利要求1或2所述的山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构，其特征在于：所述的减载孔采用轻质填料填筑，轻质填料密度小于1.2g/cm3，减载孔宽度与涵洞宽度一致，减载孔高度在1.5‑3.0m范围内。
根据权利要求1或2所述的山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构，其特征在于：所述的碎石垫层铺设在桩梁和减载孔顶面，厚度在0.5‑1.0m范围内。
根据权利要求1或2所述的山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构，其特征在于：所述的筋材为高强度土工格栅，或是钢塑格栅，筋材铺设在碎石垫层中间位置，所述的筋材满足伸长率为0.5%时的抗拉强度不小于120 kN/m的条件。
根据权利要求1或2所述的山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构，其特征在于：所述的筋材和碎石垫层铺设至两侧土体长度均为7‑10m的位置。

说明书一种山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构
技术领域
本实用新型涉及交通建设技术领域，具体涉及一种山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构。
背景技术
山区高速公路涵洞上覆填土一般较高，尤其是高填方路段，涵洞上覆填土高度多在10m以上，甚至会有覆土高度超过50m的超高填方涵洞。由于填土荷载大，地形地质情况复杂多变，涵洞的受力及变形特性往往较为复杂，涵体存在应力集中和不均匀沉降等问题，容易引起各种不同程度的病害，在工程界有“十涵九裂”之说。这些病害轻则引起涵洞开裂、渗漏或积水，重则致使涵洞结构破坏，甚至出现垮塌，严重影响公路的正常使用。
目前，对山区高速公路高填方涵洞的减载措施主要以加筋减载法为主。加筋减载法是指人为地使涵顶上方局部高度和宽度范围内的填土体密度小于两侧填土，形成减载孔；同时在减载孔上方铺设一层筋材，筋材两端分别锚固于两侧密实填土中，达到涵顶减载的目的。虽然加筋减载法对高填方涵洞涵顶应力集中现象有所缓解，但其仍存在以下几个方面不足：(1)涵顶加筋减载效果有限，涵顶开裂现象仍然存在；(2)涵顶荷载转移至侧墙，涵洞侧墙开裂现象有所增加；(3)涵洞受力及变形特性受复杂地质影响仍然很大；(4)易引起涵洞受力不对称性，涵洞涵顶与墙身分离开裂现象；(5)涵洞内、外土柱刚度差异不明显，筋材效率没有得到充分发挥。
实用新型内容
针对现有技术中存在的不足，本实用新型的目的在于提供了一种结构合理，施工方便的山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构。
本实用新型所采用的技术方案如下：
一种山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构，该加筋减载结构由桩、桩梁、筋材、碎石垫层和减载孔组成；
所述的桩和桩梁位于涵洞的两侧；
所述的减载孔位于涵洞涵顶的正上方；
所述的筋材和碎石垫层位于减载孔上方。
桩、桩梁、筋材、碎石垫层和减载孔组成一个减载体系，通过桩顶土拱效应和筋材张拉膜效应，使大部分路堤荷载传递至桩顶，并沿桩身传递至下卧持力层。
所述的涵洞为拱涵或盖板涵。
所述的桩为刚性桩，弹性模量在5‑30GPa范围内，桩径在0.4‑0.6m范围内，桩间距在2.0‑3.0m范围内，桩长根据地层分布情况确定，桩端穿透复杂地层至下卧持力层，桩与涵洞基础净间距为0.8‑1.5m。
所述的桩梁通过钢筋笼与桩顶部刚性连接，桩梁采用现浇钢筋混凝土完成，桩梁厚度在0.3‑0.5m范围内，桩梁宽度在1.5‑2.5倍桩径范围内，桩梁顶面标高与减载孔顶面标高一致。
所述的减载孔采用轻质填料填筑，轻质填料密度小于1.2g/cm3，减载孔宽度与涵洞宽度一致，减载孔高度在1.5‑3.0m范围内。
所述的碎石垫层铺设在桩梁和减载孔顶面，厚度在0.5‑1.0m范围内。
所述的筋材为高强度土工格栅，或是钢塑格栅，筋材铺设在碎石垫层中间位置，筋材满足伸长率为0.5%时的抗拉强度不小于120kN/m的条件。
所述的筋材和碎石垫层铺设至两侧土体长度均为7‑10m的位置。
本实用新型采用上述结构后，涵顶加筋减载效果显著提高，有效缓解了涵顶开裂现象；涵顶荷载通过桩身传递至下卧持力层，涵洞侧墙开裂现象得到显著缓解；有效减小了复杂地质对涵洞受力及变形特性的影响；有效减小了涵洞受力不对称性，避免了涵洞涵顶与墙身分离开裂现象；筋材效率得到显著提高。
附图说明
图1为本实用新型的一种山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构的剖面示意图。
附图标记说明如下：1‑涵洞，2‑桩，3‑桩梁，4‑筋材，5‑碎石垫层，6‑减载孔，7‑下卧持力层，8‑复杂地层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
实施例1：
如图1所示，一种山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构，该加筋减载结构由桩2、桩梁3、筋材4、碎石垫层5和减载孔6组成；
所述的桩2和桩梁3位于涵洞1的两侧；
所述的减载孔6位于涵洞1涵顶的正上方；
所述的筋材4和碎石垫层5位于减载孔6上方。
桩2、桩梁3、筋材4、碎石垫层5和减载孔6组成一个减载体系，通过桩顶土拱效应和筋材4的张拉膜效应，使大部分路堤荷载传递至桩顶，并沿桩身传递至下卧持力层7。
所述的涵洞1为拱涵。
所述的桩2为刚性桩，弹性模量为15GPa，桩径为0.5m，桩间距为2.5m，桩长根据地层分布情况确定，桩端穿透复杂地层8至下卧持力层7，桩2与涵洞1基础净间距为1.0m。
所述的桩梁3通过钢筋笼与桩2顶部刚性连接，桩梁3采用现浇钢筋混凝土完成，桩梁3厚度为0.5m，桩梁3宽度为2倍桩径，桩梁3顶面标高与减载孔6顶面标高一致。
所述的减载孔6采用轻质填料填筑，轻质填料密度为1.0g/cm3，减载孔6宽度与涵洞1宽度一致，减载孔6高度为2.0m。
所述的碎石垫层5铺设在桩梁3和减载孔6顶面，厚度为0.5m。
所述的筋材4为高强度土工格栅，筋材4铺设在碎石垫层5中间位置，筋材4伸长率为0.5%时的抗拉强度为120kN/m。
所述的筋材4和碎石垫层5铺设至两侧土体长度均为8m的位置。
本实施例的一种山区高速公路高填方涵洞加筋减载结构的具体构建过程如下：
第一步，涵洞1两侧按相关规范要求填筑路堤填料，填筑至涵顶；
第二步，涵顶以上部分涵洞1两侧按相关规范要求填筑路堤填料，涵顶以上部分减载孔6填筑轻质填料，分别填至减载孔6顶设计标高；
第三步，涵洞1两侧打桩2，桩2端穿透复杂地层8至下卧持力层7，桩间距为2.5m；
第四步，桩顶支模，现浇钢筋混凝土桩梁3；
第五步，铺设一半厚度的碎石垫层5；
第六步，铺设一层筋材4；
第七步，铺设另外一半厚度的碎石垫层5；
第八步，按相关规范要求逐层填筑路堤填料。
根据图1，从荷载传递机理上分析本实用新型。
当路堤荷载作用在碎石垫层5上时，由于桩2与土和减载孔6的轻质填料的刚度差异，引起桩2土差异沉降。该差异沉降使桩顶产生土拱效应和筋材4产生张拉膜效应，并且由于碎石垫层5的存在，增强了土拱效应和张拉膜效应的发挥，使大部分路堤荷载传递至桩2顶，并沿桩2身传递至下卧持力层7，从实质上减小了涵洞1所受荷载。同时，由于涵洞1所受荷载的减小，有效减小了复杂地层8对涵洞1受力和变形特性的影响。
将本实施例的加筋减载结构应用于某高速公路一处35.0m的高填方涵洞，涵洞为拱涵，高3.0m。涵底地基分为上、下两层，上层地基为5.5m厚不均匀软弱地层，下层地基为强风化页岩地层。桩2穿透不均匀软弱地层并刺入强风化页岩地层0.5m。并在该涵洞邻近相似地层一处32.0m的同类型高填方涵洞采用现有的加筋减载法进行减载处理，对两种工况分别进行了监测对比分析。监测结果表明，与现有的加筋减载法相比，采用本实用新型的加筋减载结构涵顶土压力减小30%以上，涵洞侧墙土压力减小45%以上，筋材4应变量提高75%以上。而且，采用本实用新型的加筋减载结构后涵洞侧墙沿深度各测点土压力变化不大，土压力变化幅度明显小于现有的加筋减载法工况。
上述具体实施方式只是本实用新型的一个优选实施例，并不是用来限制本实用新型的实施与权利要求范围的，凡依据本实用新型申请专利保护范围所述的内容做出的等效变化和修饰，均应包括于本实用新型专利申请范围内。