摘要：本文主要探討涵側填土對涵洞地基承載力的作用。具體是結合基底土體的受力特征和情況，對普朗特爾與普朗特爾雷斯諾的極限承載力公式進行了推導，然后根據結論設計不同涵側填土高度的室內模型試驗。該實驗過程模擬了質粘土的地基承受荷載而變形一直到被損壞。從荷載-沉降曲線測量到不同填土高度的極限承載力，并且分析了填土臨界的高度問題，與此同時對比了《建筑地基基礎設計規范》和《公路橋涵地基與基礎設計規范》，加上參照經驗公式的計算值以及實際測量數值的誤差，得出如下結果：增加側填土高度會顯著提高地基的承載力，但是其提高的速率是非線性，一般是由18. 4%提升到36. 83%，然后再降回8. 91% ;對臨界高度內的地基承載力進行計算時，不但要考慮選擇適合的計算公式，同時也需要考慮不同的試驗方法所得出的計算參數的影響。
關鍵詞：道路工程,高填方涵洞,室內模型試驗,側向填土,臨界高度,地基承載力
1.前言
實施涵側填施工可以限制基底土體的側向擠出，這樣能夠極大地提升地基土體的整體穩定性。西方歐美國家建設公路比較環保，常以不破壞天然的山體為先，因此，國外發達國家關于高路堤涵洞的研究很少, 研究得比較多的是低填土情況下涵洞的結構和受力。我國在高填方涵洞放慢的研究更多是關于上方填土對承載力的影響，而側填土對涵洞地基承載力的作用的研究并不多見。當前的《建筑地基基礎設計規范》提出，埋置的深度超過0. 5 m的時候，可以對建筑物的地基承載力加以修正，其深度以室外地面的標高為準;《公路橋涵地基與基礎設計規范》提出，埋置的深度超過3m時，要考慮修正橋涵地基的承載力，其埋置深度要從天然地面計算。當基礎埋置的深度大于一個定值后，以上的兩個規范都提出了修正地基承載力的要求。通常填土的荷載占據了大部分的涵洞荷載空間，設計師應該多考慮涵側填土所起到的提高地基承載力的作用。目前許多道路工程中，都沒有考慮埋深效應，往往導致在設計時承載力會偏高，地基的剛度偏大，致使涵洞不斷發生病害，這些病害會嚴重影響到高速公路的運營。所以對側填荷載對涵洞地基承載力影響的研究非常必要。
2.理論分析
目前推行的計算地基極限承載力的公式大多數是以普朗特爾極限承載力公式為基礎，而進行新的假設推導而來。現在筆者從推導普朗特爾和普朗特爾雷斯諾公式入手，對這兩個公式進行比較，然后得出涵側填土施工在提高地基承載力所起到的作用。
2.1普朗特爾極限承載力計算公式
能支持普朗特爾公式進行計算是在以下這兩點假設條件上的：一，條形基礎基底壓力需要均勻分布;二，地基被損壞了，會沿著圖1所示的整體滑動并且中線是對稱的。I區是彈性壓密區，直線 A B 和A E相切也和水平面成 的傾角，II區是過渡塑性區，滑動線BE是對數的螺旋線，即 ，III區是被動區，其水平面和破裂面所成傾角 。
研究對象選擇脫離體 OBEG，如圖 2所示，其基礎埋深是0，依據作用在脫離體上力的平衡條件，在A點取矩就能計算出地基的極限承載力。
2. 2 普朗特爾雷斯諾極限承載力計算公式
若是對一定的埋置深度d進行嚴謹的考慮，可把基底上部的土的重力使用均布超載 替代，雷斯諾推導了考慮基礎埋置深度的極限承載力公式，如圖3所示，其基礎埋深用d表示。
2. 3涵側填土對提高地基極限承載力的作用
普朗特爾雷斯諾公式要比普朗特爾公式多一項 qNq，而且這一項其數據僅僅和土的內摩擦角相關，因而會加深基礎埋深d，總的來說，qNq數值變大，地基的承載力也會相應的增加。而關于埋置在路堤中間的構造物，其發生的涵側填土類似于埋深效應，也能有效地提高的地基承載力。
2. 4涵側填土在提高涵洞地基承載力放慢所起到的作用
設計地基承載力，主要考慮安全儲備方面的極限承載力，其實就是極限的承載力除以安全系數，所以，提高了地基的極限承載力就等于提高了地基的承載力。根據太沙的計算公式作為例子，對涵側填土提升地基承載力的作用進行討論。
太沙的計算公式為： ，當 時， ，選擇的安全系數是3， 。由于涵洞的兩個側面的填土和上方填土是在同一時間進行的，或者是兩側的填土比上方填土先，由此能夠看出涵側填土發生提高效應之后，許多地質條件都滿足提高承載力的需求。
3.模型試驗和分析
進行高路堤涵洞的地基承載力實驗，其主要目的為探討涵洞地基的承載力隨涵側路堤填土高度的提高效應。試驗一共分作5環節進行，具體的模擬涵側填土高度分別是0、3、6、9、12 m時的地基極限承載力。
3.1室內模型
由材料以及加載條件的類似原理，在一個長是140米，寬是140 cm，高是120 cm的模型槽里進行實驗。以粉質粘土作為模型的土樣。把土樣分層搗實，然后裝到模型槽一直到預定的高度，然后使用沙袋壓住土樣48h，令其基本上能在自重條件下進行正常凝結，至此地基土樣的備完畢。
3.2試驗的裝置
主要由承壓板、沉降觀察裝置以及加荷裝置等部件構成，施工過程中，使用100 kN的千斤頂向地基土以逐級的方式施加豎向荷載，把兩個百分表連接在承壓板的兩側，這樣能有效觀測到每一級荷載下地基土的變形情況，取平均值作為基礎的沉降量數值。
3. 3實驗的結果
實驗過程中使用慢速維持荷載的辦法，一直到實驗結束。結果繪出的精確的荷載沉降( P S) 曲線，如圖4所示。
圖四 不同側填土相對高度 h/ b的 P S 曲線
根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》和《建筑地基基礎設計規范》的要求，選取第二特征屈服點確定地基極限承載力，結果如表1所示。
3.4試驗結果的分析
(1)實際測量的Pu會伴隨側填土的高度增加而變大。這時涵側填土可以作為旁壓荷載，從而提升了地基土體的抗剪度，進一步提高填方涵洞地基的承載力。通常在滑移線理論的角度考慮，側填荷載會使得土滑移線區域變大，最終導致極限狀態在平衡時能夠增加平衡的土的重力，從而提升地基承載力。
(2)在粉質土上施工，側填荷載提升地基承載力的速率，并不如同理論的公式所述，能夠無限增大地基承載力，通常是先增大然后減小，當承載力達到某個臨界值的時候，地基的承載力就會變成一個固定不變的常量。
(3)對側填土的臨界高度進行正確的計算，是一個需要仔細考慮的問題，因為涵側填土限制高填方涵洞基底土體的側向擠出，此時的填土臨界高度可以以埋深效應中的臨界深度作為參考而確定計算辦法。
4.結語
根據上述的公式推導和試驗分析，得知涵側填土能有效提高地基的承載力，同時也能增加側填土的高度以及夯實側填土。如果地基是粉質的粘土，側填荷載提升地基承載力的速率是先增后減，當承載力達到某個臨界值的時候，地基的承載力就會變成一個固定不變的常量。此外，使用常用的公式計算臨界高度內的地基承載力時，要同時考慮選擇正確的計算公式和不同試驗辦法所得出的計算參數的影響。在本試驗中，使用側填荷載提高的地基的承載力，其修正結果比較接近實測值，操作簡便，在施工的立場看，側填不但平衡了挖填方的土量，同時也提高了地基的承載力，降低了工程成本開支和后期的維護支出。
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