拱涵开裂的原因分析

(内蒙古铁道勘察设计院有限公司，内蒙古 呼和浩特 010051)
摘 要：文章根据某铁路专用线路下线拱涵开裂的具体情 况对其原因进行了分析，并提出了加固措施。
关键词：拱形涵洞;开裂;计算原则;维修加固
中图分类号：U44  文献标识码：A  文章编号： 1007—6921(2009)09—0126—01 

拱形涵洞适用于有雍水条件的河沟和较高的路堤(填土路堤最高可达20m)，由于拱形涵洞 系石砌或混凝土，可节约钢材并可就地取材，另外，拱涵有较大的泄洪能力和较好的立交条 件，因此，在铁路工程的涵洞设计中时有采用，但在一些工程实践中拱涵经常发生开裂现象 ，本文结合笔者参加的某铁路专用线现场技术处理及竣工验收工作中遇到的拱涵开裂现象作 一些分析。
1 现场基本情况

经现场竣工验收，某铁路专用线路下共建成拱涵14座，其中5座的基础和拱圈存在不同程 度的开裂情况。其它9座质量较好，未发现开裂现象。现就开裂拱涵中最为典型的一座DK43 +266 1~5m拱涵进行分析。

本涵原设计位置在DK43+155，与线路正交，后经各方协商，将其移至DK43+266，涵洞轴 线的法线与线路的斜交角度为45°，拱上填土高8.36m，采用整体式基础，基底设计应力为 200KPa。地质条件为粘砂土，按正常情况对基底进行处理，要求夯实地基使之满足承载力的 要求，当施工完成后发现基础和拱圈产生了沿洞身轴线的通长裂缝，基础砼顶面裂缝最大宽 度达30mm，从入口处计有10块砼基础断裂，拱顶裂缝最大宽度达18mm，发生在拱圈中间，趋 向出入口裂缝的位置向拱圈的1/4截面处偏移(向斜翼墙侧)，几乎对称，出入口斜翼墙也 有裂缝。
2 原因分析

对于拱涵的开裂并不少见，有所谓“十拱九裂”之说。针对此涵，其开裂既有一般规律， 又有其特殊的一面。根据拱涵标准设计原则，整体式基础拱涵的基本理论假定为：拱圈为放 在不动的支座上的固定无铰拱、平面假定、单向受力，按正交计算，与斜交角度无关。这种 假定与实际情况相比较存在一定偏差：
2.1 拱涵计算时假定整体式基础为刚性基础，在任何情况下基础均不产生变形，对基础以 上 部分的边墙和拱圈不产生影响。但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，不大的支座移动可以引起相当数量的内力。从现场施工来看，本拱涵基底土质为粘砂土 ，虽经夯实处理，但其沉降量仍然存在，而且施工过程中产生的对拱涵的不均衡外力很难避 免，这些都导致拱涵基础会产生一定的沉降和变形，而且这种沉降和变形是不均衡的，会导 致基础和拱圈中产生较大的内力使之开裂。同时，在分析其余13座拱涵的基底地质情况后发 现，当基底地质条件较好时(10座拱涵基底位于风化砂岩上，3座拱涵基底位于中粗砂上) ，拱涵的开裂现象较少见，即使开裂，也未达到如本涵的严重程度。可见，对于拱涵来说， 地质条件或地基处理结果的好坏是涵洞开裂与否的关键。
2.2 拱涵计算时是根据平面假定、单向受力，按正交计算，与斜交角度无关。但实际上， 从本拱涵的开裂情况看，中间拱圈在拱顶开裂，出入口逐渐向斜交翼墙侧拱圈的1/4截面处 偏移，从这一规律看，中间拱圈开裂主要是因为基础的沉降和变形，出入口拱圈开裂主要是 因为斜交侧拱顶上的偏压过大，引起开裂。可见，本涵拱圈开裂与斜交角度太大也有一定的 关系。
2.3 拱涵标准设计采用的计算图式有4种：全孔活载、全孔竖向活载及半孔水平活载、半 孔竖向及水平活载、半孔水平活载。不论采用何种计算图式，其实均已假定拱上填土产生的 外力是对称的，并认为这一点可由合理施工得到保证。而实际上，在施工拱上填土时较难保 证这一点，尤其在斜交拱涵拱上填土施工时更难保证对称填土，因此，施工过程中由于不对 称填土产生的不对称土压力将使拱圈内力与计算结果有一定偏差，也可能引起拱涵开裂。
3 维修加固方法

对于本涵来说，由于开裂情况较严重，一般的维修手段已难以保证结构的完整性。因此， 在与建设、监理和施工单位共同研究后，决定对本涵进行加固。加固方法是先用环氧树脂砂 浆封闭所有裂缝，然后在既有拱涵内壁沿涵洞轴线通长加设250级钢筋混凝土套拱。拱圈及 边墙的套拱厚20cm，主筋采用φ12光钢筋，主筋间距(沿洞身轴线方向)15cm，分布钢筋采 用φ10光钢筋，间距20cm；鉴于本涵基础开裂情况已很严重，为保证它的整体性和稳定性 ，避免在以后的运营过程中继续开裂，危及行车安全，所以对套拱的基础部分，定为厚25cm ，主筋采用φ16螺纹钢筋，主筋间距15cm，分布钢筋采用φ10光钢筋，间距15cm。加固施工 完成后，经过一段观察，套拱质量完好，未再发现开裂情况，同时由于套拱厚度较小，对拱 涵的孔径压缩不大，仍有较好的立交条件。

对于除本涵以外的其它4座有开裂现象的拱涵，因其裂缝细小，开裂范围有限，故决定以环 氧树脂封闭，经观察一段时间后，未发现裂缝继续发展，已可满足使用要求。
4 几点建议
4.1 在地基承载力为<200KPa的粘砂土、粉细砂质地基土上设计高填土下孔径>3m 的涵洞时，结构形式应严格控制采用拱涵，可选用其他形式的涵洞，如卵形涵、框架箱涵等 。若必须采用拱涵时，则应对地基处理提出明确严格的要求。除夯实处理外，还可考虑挖除 一定厚度的软弱层后换填以砂夹卵(碎)石或三七灰土并夯实。总之，地基处理必须慎重、严 格。
4.2 拱涵标准设计是在平面假定理论基础上按正交计算的，与斜交角度无关。因此，在参 照该图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°。
4.3 拱涵基础是按刚性基础考虑的，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。
5 结束语

拱涵作为一种过水建筑物，因其泄流量较大、具有立交条件、节约钢材且施工较简单而被 采用，但它也存在一些问题。如何合理选用，充分利用其优点而尽量避免可能产生的不利情 况，当是我们今后在涵洞设计中需认真加以研究分析的一个重要问题。