矩型箱涵设计压力之探讨-中华大学.doc

矩型箱涵設計壓力之探討 　　　　楊朝平＊　中華大學土木工程學系副教授 　　　　張錦峰＊＊　公路局規劃處計畫課課長 中華大學土木系研究生 前言 　　混凝土箱涵是道路及排水工程的重要結構物之一，於國內對其設計多參考AASHTO或日本道路協會之規範，唯土壤性質是具有區域性的因地而異，於臺灣當我們在使用國外的設計規範時，應該適當地予以探討是否適用於國內。本研究乃以國內高速公路一供人車通行之鋼筋混凝土矩型箱涵為探討案例，在箱涵結構物完成後夯實覆土前，於箱涵頂版及側版分別裝設土壓計以監測現地土壓。另對覆土材料施行夯實、直接剪斷試驗，求其最佳狀態之單位重、抗剪參數，據以計算不同規範或理論公式之三組設計土壓。綜合觀察了含現地、設計共四組的箱涵壓力組合情形，比較其差異性並探討原因，盼有助益於國外設計規範本土化的進行。 文獻回顧 根據調查，箱涵結構物破壞的主要原因有（1）差異沈陷、（2）超額填土造成箱涵頂版破壞、（3）因箱涵底部材料膨脹造成底版破壞。現地監測之矩型箱涵的垂直、水平土壓普遍大於AASHTO設計值；且因覆土種類不一或因結構物形狀所引起的應力集中現象，亦有量測之水平土壓呈倒梯形分佈者(參閱圖1)。另有監測例指出水平及垂直土壓分佈並非左右對稱，不對稱量的大小依箱涵型式而不同，與現場幾何條件的不對稱性、低覆土高度時的不均勻夯實及低壓力水準下土壓計的可靠性有關(1)。覆土的狀態會影響土壓發展形態，即於較密實的覆土其土壓發展對覆土深的關係近似線性，而於較疏鬆的覆土則是非線性(２) 。管型箱涵表面所受的正向應力及剪應力、不具有對稱性，且應力的發展是屬於漸進式的(３) 。 箱涵基部和回填材料是影響箱涵承載效果的主要因素，當箱涵下有襯墊時，箱涵將會產生適當的彎曲來抵抗差異沈陷，而表現出較佳的承載效果。並且只要對箱涵提供一適當的側向束制，對其四周以良好的回填材料施以高品質夯實，則大部份箱涵的承載力都可達設計要求(４) 。有研究認為箱涵基部若發生差異沈陷，將會使覆土對基腳產生一旋轉彎矩(５) 。 有關於活載重方面，Frederick等研究者以理論分析、現場測試、模型測試等方法，研究矩型箱涵之結構行為，主要在探討大跨距矩型箱涵是否需要剪力接合環片來傳遞箱涵與箱涵接點之間的荷重。認為即使貨車載重作用在頂版邊緣的情況下，沿著箱涵頂版邊緣的撓曲變形也是很小，故認為AASHTO規範裡對於邊樑的規定要求似乎過於保守(６) 。 Bealey and Lemons 對於預鑄式箱涵的荷重計算、設計、程式製作做了一番解說。建議程式設計者須考慮下列的變動(1)箱涵斷面幾何條件（跨距、內淨高、版厚等），（2）荷重條件（覆土厚、土壤密度、側向及垂直土壓、活荷重等），(3)材料性質（鋼筋降伏強度、混凝土抗壓強度、混凝土單位重），(4)設計資料（保護層厚、鋼筋直徑、鋼筋最小間距）(７) 。 矩型箱涵設計壓力 　　設計箱涵時必須考慮的壓力項目計有箱涵自重、土壓、活荷重、地震、溫度變化等所引起者，為說明方便起見茲將箱涵尺寸符號定義於圖2。 1. 箱涵自重 箱涵頂版自重 以(1)式計算因箱涵頂版自重而作用之壓力。 (1) ：鋼筋混泥土單位重（取） 箱涵底版荷重 因箱涵底版荷重而作用之壓力依(2)式計算之，(2)式中的為從(3)式計算之作用於箱涵頂版的垂直土壓。 (2) 2. 土壓 垂直土壓 如圖3所示般，於箱涵上方之覆土會因土壤沉陷的垂直範圍不一，而發生不等沉陷，沉陷量於箱涵頂版上方較小，而於箱涵兩側較大。此種不等沉陷將產生一向下摩擦力，致使作用於箱涵頂版的土重為+，因此於計算垂直土壓時，一般使用一適當係數乘以覆土壓力加權計算之。茲敘述三種代表性的垂直土壓計算方法如下： a. Marston理論式(８) 以力的平衡方程式導出計算垂直土壓的理論公式(3)式，而由(4)式計算垂直土壓係數，由(5)式計算被動土壓係數。 (3) 　　 (4) 　 (5) ：覆土單位重 ：箱涵頂版與兩側土的摩擦係數， ：土壤凝聚力 ：土壤內摩擦角 ：至計算土壓之覆土深度 b.　日本道路協會(９) 依Marston的理論根據再參考經驗數據，依(6)式計算垂直土壓，其中垂直土壓係數隨H/B值變化依表1決定之。 (6) 表1 垂直土壓係數值 H/B H/B1 1H/B2 2H/B3 3H/B4 4H/B