1.2 研究背景及意义
1.2.1 研究背景
在我国过去的公路修建过程中，由于道路等级、线形标准都很低，公路线形基本是顺着地形随弯就弯修建，15m以上的高填土路基很少，高填土涵洞也不多见。因此，公路桥涵设计标准图的涵洞最大填土高度也仅为12m[11]。但有关资料表明，随着公路等级的提高与大量山区高等级公路的修建，为满足公路的较高线形标准的要求，高填土涵洞的数量和填土高度均呈递增趋势，12m已是山区公路非常普遍的一般路基填土高度，填土高度在20m以上的路基也较为常见。以太原东山过境高速公路为例，路线全长26.4km，全线共设72道涵洞，填土高度超过20.0m的占1/3以上，最大填土高度达到54.7m；渝黔高速公路二期G合同段，设置了一座板厚0.6m，跨径4m的钢筋混凝土盖板涵，其上填土高度达38m；云南楚大路第四合同段的一处高填方拱涵，填土高度达36m[12]。同时山区一些山沟较深的地段，原设计为高架桥，但由于附近有大量挖方无地方堆砌，从节约工程造价与环保出发，常将桥梁设计方案改成高路堤、采用涵洞排水的方法，这样可以降低造价，缩短工期，减少弃方，有利环保，减少公路运营期的养护维修费用，因而得到设计和施工人员的优先选择。目前我国的低填土条件下涵洞结构设计采用《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）规定，涵洞的设计荷载采用垂直土压力计算公式σ=γh进行计算，在进行高填土涵洞设计时，若仍然采用这个公式计算土压力，一些高填土涵洞的结构尺寸将过分保守，造成经济上不必要的浪费；另一方面，由于高填土涵洞没有合适的土压力计算理论，部分高填土涵洞凭经验比拟设计，使涵洞结构尺寸偏小，导致部分高填土涵洞在施工期间或填土完成后即发生各种不同形式的开裂破坏，增加加固维修费用。顾安全[13]对303座填土较高的涵管进行开裂调查，统计表明涵管开裂占63.5%，其中有70%为纵向开裂。管顶填土高度H愈大，管道外径D越大，则纵向开裂的比例越高，故工程界流传有“十涵九裂”的说法。为此，长安大学成立高填路堤下涵洞结构研究课题组，对四川、陕西、甘肃、云南的代表性高等级公路涵洞病害进行调查研究[14]，对涵洞的实际所处条件（包括涵洞结构形式、上部填料类型、地基处理方式和填土高度）、涵洞病害类型及破坏程度（包括涵洞开裂状态、裂缝倾角、长度间距等）、所采取的防治措施及相应的病害处治方法和目前的运营情况做了详细的调查，总结了涵洞的各种破坏模式，揭示了涵洞病害的普遍性。在实际工程中，还出现一些常规不易解释的现象，如对地基处理的越好，涵洞开裂的反而越严重；地基承载力越高，变形越小，开裂的越严重等。对于修筑在软土地基上的涵洞，若采用桩基础进行处理，涵洞几乎均出现裂缝，甚至会发生破坏而导致不能正常使用。
通过对这些破坏病害的进行分析，总结出涵洞破坏的大致原因如下[14]。
（1）过大的土压力是产生这些破坏病害的一个重要原因。高填土涵洞的结构设计缺乏合理的土压力计算方法，仅凭借低填土涵洞或隧道的土压力计算方法计算涵洞顶部垂直土压力，而不针对高填土涵洞本身的加载与受力特点及填土高度，进行涵洞的跨度、拱圈厚度和侧墙结构尺寸设计，使高填土涵洞结构设计过分保守或不安全，导致高填土涵洞造价的增加或产生破坏。
（2）对涵洞地基的处理常出现的失误是过多地考虑地基沉降变形的影响，过分地对涵洞地基进行加固处理。处理后导致涵洞结构和其基础、地基整体刚度增大，反而增加其上所受的土压力数值，加重涵洞结构的受力不利的情况，当涵洞承受压力超过自身材料的容许应力时就会导致结构出现各种病害。反过来，涵洞结构又将这些荷载传递到下部的基础和地基中，这样又加重基础和地基的受力不利的情况，造成恶性循环。
（3）涵洞施工和非技术方面原因也增加涵洞破坏的可能性。施工过程中，基础处理不当，产生不均匀沉降；涵洞两侧回填土没有做到对称填土，引起涵洞的偏压；涵洞两侧填土没有做到认真分层夯实，使涵洞与其两侧填土产生过大沉降差，增加涵洞顶部的土压力数值；在涵洞上填土厚度较小且没有任何保护措施下，允许涵顶通行各种施工车辆和施工机械，导致涵洞在没有交付运营前就发生破坏。
实际上在铺设涵洞时，涵洞会对其周围的填土、地基的应力场和位移场产生影响，反过来，涵洞结构自身的应力状态也会发生改变。涵洞与其周围填土、地基共同作用，构成一个变形、受力相互协调，彼此间相互关联、相互影响的统一结构体系。所以，单纯应用相关规范中的公式显然会忽视填土等其他影响因素，脱离了实际受力情况，因而正确计算涵洞竖直土压力就显得尤为重要。
涵洞垂直土压力的计算理论，不同行业的设计部门采用不同的计算公式。如土柱压力法公式为公路部门采用；铁路部门则根据实践和调查相关行业资料绘制经验曲线用于确定涵洞土压力；冶金部门则采用顾安全公式或经验数据。上述土压力的计算理论和方法存在较大的差异，有些计算公式使计算结果偏大，有的则偏小，导致一方面由于设计过分保守而造成浪费，另一方面则由于土压力计算偏小而使结构断面强度不足而出现纵向开裂和破坏的现象。
因此，正确认识分析涵洞破坏原因，建立相应的合理土压力计算公式，采取经济而有效的工程措施预防涵洞病害的发生，在涵洞研究课题中显得尤为重要，同时也是很有实际意义的。