土工合成材料加筋土柔性橋臺研究現狀

吳偉成

（同濟大學 上海 200092）

0 序言

我國交通基礎設施建設在滿足安全性的基礎上，更多考慮適用性、耐久性與經濟性。土工合成材料加筋土由于其較好的力學性能與抵抗變形特性，已逐漸被工程技術人員接受，土工合成材料加筋土橋臺將橋梁結構和連接路基置于共同的加筋土基礎上，這里加筋土一般指指加筋間距小于30cm的加筋土，復合體特性明顯。采用該技術建造的土工合成材料加筋土柔性橋臺的剛度介于混凝土橋面與引道路堤之間，這種剛度過渡作用有利于減少路面振動荷載產生的沉降差異，消除橋頭跳車現象。

1 室內試驗研究現狀

1.1 單元體實驗

作為加筋土橋臺的主要承力結構，土工合成材料加筋土本身的性能試驗研究十分重要。

微型墩試驗[1]能探究加筋土力學特性，有助于加筋土柔性橋臺設計計算，大尺度加筋土單元體試驗多針對承載特性與破壞模式，即靜載條件下使結構逐漸達到破壞，將測定的應力、變形等均視為與時間無關量，不考慮長期性能。

動三軸試驗[2]考慮了垂直動荷載，以試樣破壞作為試驗結束標準，涉及到的加載時間僅作為使試驗結束的手段而非考慮因素。

在加筋土單元體長期性能研究方面，通過筋土相互作用性能試驗進行研究。荷載直接施加在土體頂部再傳遞至筋材，筋材與土體將在自重或超載作用下以相互作用的方式發生變形，與實際荷載傳遞過程和相互作用方式相符。Ketchart與Wu[3]采用筋土相互作用性能試驗對加筋土單元體進行平面應變模型試驗，對粉砂碎石土、黏性土采用不加筋、兩種有紡土工織物加筋與一種無紡土工織物加筋，在不同靜載水平下持續15-30d，試驗發現加筋土的垂直、側向蠕變速率隨時間逐漸減小，筋材呈現出明顯的應力松弛。

1.2 模型試驗

GRS柔性橋臺的室內模型試驗主要包括對GRS柔性橋臺整體結構的縮尺模型與振動臺試驗。

金仁和[4]進行了基于受填土自重荷載的加筋擋墻模型試驗，研究了筋帶最大拉力。

Han[5]進行了基于受靜載和逐級加載作用的加筋擋墻模型試驗，分析了橋臺基礎距面板距離、橋臺基礎寬度、面板與筋材連接方式等因素對加筋擋墻力學與變形性能的影響。

肖成志[6]進行了基于受靜載和循環荷載作用的加筋擋墻模型試驗，綜合對比分析了基礎位置、荷載大小、頻率和循環次數等因素對加筋擋墻力學與變形性能的影響，發現循環荷載對加筋土擋墻性能有一定影響。

2 現場實驗研究

截至2015年，美國各州加筋土柔性橋臺已有200座以上。對橋臺進行施工過程與通車后的監測，持續時間從4月至12年不等。監測結果表明已建GRS柔性橋臺在服役荷載下均表現出良好性能：

Ketchart[7]對橋臺頂部持續施加靜荷載70d，發現剛施加荷載時瞬時沉降27mm，而70d后蠕變沉降18mm，其中前15天占70%，其沉降-時間對數曲線得到長期蠕變速率由2mm/d線性遞減至0.03mm/d。筋材最大應變僅0.2%。

Adams[8]對五座服役加筋土柔性橋臺進行監測統，發現加筋土橋臺豎向應變（沉降量/墻高）為0.09%～0.64%；水平應變（墻面側向位移/墻高）介于0.002%～0.013%。

Talebi[9]對Run橋臺進行了施工過程、超載試驗與長期監測研究，發現兩年服役狀態下的監測結果顯示：GRS橋臺的筋材蠕變變形很小，最大應變小于0.5%，墻面水平與墻體垂直變形均小于12mm。

Saghebfar[10]獲得了加筋土柔性橋臺側向位移主要發生在施工期，橋梁結構荷載對其影響很大，而通車后交通荷載對其影響不大的結論。

3 數值模擬

3.1 單元體

Helwany[11]、Liu[12]采用數值方法進行了蠕變試驗，在單元體頂部持續施加均布荷載，發現加筋粘土的筋材應變、復合體側向變形隨加載時間增加明顯，但加筋砂土的筋材應變幾乎不變，數值模擬結果試驗實測值相差不大。

3.2 模型試驗

Zheng[13]考慮到了時間效應，采用FLAC對BowmanRoad橋臺進行平面應變分析，監測出加筋土擋墻施工、橋梁面板放置與施加交通等效均布超載三個時間點的變形與應力，發現各時間點處，該加筋土柔性橋臺均表現出較好性能。結果顯示，放置橋梁結構產生的水平位移最大約8mm，沉降為17.6mm，而施加交通超載后最大位移增量僅2mm，沉降增加了7.3mm，筋材應變的變化規律也呈現類似特點，即通車后柔性橋臺復合體變形與內部筋材應力變化均較小，這與現場監測結果類似。

4 總結與建議

綜上，土工合成材料加筋土柔性橋臺作為一種新式加筋土結構型式，均在其數年服役期內表現出良好性能，值得在我國推廣應用。根據前文的分析與討論，土工合成材料加筋土柔性橋臺在施工成本、長期性能等方面都有更大優勢，是未來橋臺研究與發展方向，應考慮填料壓實度、筋材剛度與間距、荷載條件、筋材蠕變等影響因素，可借鑒等效附加應力思想，結合等效附加應力與筋材粘彈性模型，推導出等效附加應力隨時間變化規律，將其作用于彈塑性土體單元。