GRS-IBS結構設計要點及結構穩定性分析

胡富平，申鐵軍，李逢源，郭海燕

(山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006)

1 GRS-IBS結構組成

GRS-IBS橋臺指土工合成材料加筋柔性橋臺，主要包括加筋土地基、加筋土橋臺、橋頭引道，加筋土橋臺是該復合體結構的核心，由壓實填料和小間距布置的土工合成材料分層交互構成，橋梁結構可以直接安放在加筋土橋臺頂部。從本質上講，加筋土橋臺是小間距加筋土擋墻作為橋臺結構的應用，因此主要由加筋材料、回填土和面板三部分組成。

2 GRS-IBS設計要點

2.1 橋臺結構設計要點

(1)根據工程特點和場地條件確定橋臺結構物的平面布置范圍及其它重要尺寸，具體為橋臺高度、底寬、加筋地基寬度、厚度等。

①橋臺高度。設計路面標高與基底標高之差，再扣除瀝青路面厚度、橋梁面板厚度及加筋地基厚度。

②橋臺底寬。是指加筋橋臺結構物底部與加筋地基接觸面的寬度，包括面層厚度。對于跨度Ls≥7.5 m的單跨橋梁，Bamin=max{1.8 m，0.3Ha}；對于跨度Ls≥7.5 m的單跨橋梁，Bamin=max{1.5 m，0.3Ha}。

③加筋地基厚度。加筋橋臺需設置于人工換填的加筋地基之上，以提高地基承載能力，并減少結構物的總沉降量；換填厚度≥0.25Ba，具體由工程師根據工程特點及下臥層條件等綜合確定。

④加筋地基寬度。加筋地基的處理范圍應至少超出橋臺底面以外0.25Ba的寬度，即Bf≥B+0.25Ba。當加筋橋臺結構位于河岸地段，應將橋臺底面置于計算沖刷線以上。

(2)確定加筋長度和間距。

①若受場地條件限制，放坡空間有限，橋臺底部一定高度范圍內加筋長度取L1=Ba，頂部加筋長度取L1≥0.1Ha，中間部分的加筋長度順著切坡逐漸從Ba加長至0.7Ha(即滿鋪)。

②若場地條件寬余，結構物后緣宜緩于1∶1放坡，此時橋臺底層加筋長度仍取L1=Ba，并在一定高度范圍內逐漸加長滿鋪；其它部位的筋材則分區域等長(L1≥0.7Hi)布置，(即無需處處滿鋪)。

③整體式柔性加筋橋臺結構中，加筋間距不得大于30 cm，具體尺寸根據結構穩定性驗算并結合工程經驗確定。

④橋臺頂部靠近外立面處，應設置短加筋局部加強處理，以支承橋梁面板傳遞的附加荷載。短加筋的長度至少應超出橋梁面板端面以外0.5 m，處理深度應根據選用的筋材強度按內部穩定性設計要求確定且不小于5倍主加筋間距。短加筋間距(即次加筋間距)一般為主加筋間距的一半。

(3)注意構造要求及各部件之間的節點設計。

①橋梁面板安置于橋臺頂面的接觸面寬度(搭接寬度，對于跨度乙Ls≥7.5 m的單跨橋梁，bmin=0.75 m；對于跨度Ls<7.5 m的單跨橋梁，bmin=0.5 m。搭接區域與面層單元之間應預留一定的伸縮空間，用砌塊無粘接填塞，預留寬度(ab)至少應為20 cm。

②面層頂端距離橋梁面板底面應預留一定的凈空距離(de)，并填塞塑料泡沫 塊作為伸縮緩沖帶。凈空距離至少應滿足demin=max{0.1 m，0.02 Ha}。

③引道路基由土工織物返包式加筋，加筋間距亦不得大于30 cm。引道返包端面應與橋梁面板端面緊密銜接并平滑過渡，尤其應保證該端部填土的壓實性，以使接觸部位能盡量達到變形協調。引道另一端應延伸至切坡面以外一定距離，以覆蓋加筋土結構與原有坡體之間的交界，防止降雨入滲。

④坡腳防護層應使用堅硬、耐用、棱角或次棱角狀塊石漿砌碼放，不得含有機物、棄土、軟頁巖或黏土物質等。防護層尺寸及其它防沖刷措施，結合實際工程的特點進行設計或調整。

2.2 橋臺結構設計限制條件與遵循原則

(1)限制條件

①橋臺結構中，加筋間距不得大于30 cm(原則性條件)，筋材極限抗拉強 度不得低于70 KN/m；橋臺結構』般適用于跨度不超過40 m的小型單跨橋梁工程，且橋臺高度一般不超過9 m；

②當橋梁跨度超過40 m時，橋臺容許承載力設計值不應超過200 KPa；加筋土橋臺的豎向應變達到0.5%或水平向應變達到1.0%，認為橋臺達 到正常使用功能極限狀態。

(2)遵循原則

①加筋土體視為物理力學性質橫觀各向同性的復合材料(類似于鋼筋混凝土材料)，且具有結構自穩能力；在加筋土復合體破壞前，筋材與填土應變協調；

②由于加筋土復合體具有自穩能力，因此面板對橋臺的穩定性作用不大，主 要起防護和美觀作用；

③面板砌塊與加筋材料之間通常采用摩擦連接；加筋土體側向土壓力較小，面板破壞通常表現為與筋材的連接破壞；在填土滿足要求的前提下，不單獨考慮筋材蠕變問題，筋材蠕變對結構物 長期穩定性的影響在安全系數的冗余量中加以考慮。

3 內部穩定性分析

3.1 橋臺承載能力驗算

(1)通常應根據加筋復合體縮尺模型的載荷試驗結果進行確定，模型試驗用的材料應與實際工程應用的材料相同。根據模型試驗獲得的應力-應變關系曲線，取應變值達到5%時所對應的應力值為橋臺的極限承載力。對于有工程經驗可以借鑒的橋臺結構即填料性質、筋材性質與分布方式、壓實方法等相同時，可按工程類比法直接參考已有的應力-應變關系曲線。

(2)當不具備試驗條件時，也可按下述經驗公式估算橋臺的極限承載力。使用該公式的前提是填料必須滿足前述質量控制要求。橋臺的容許極限承載力則為極限承載力除以一個安全系數(通常取3.5)確定。

3.2 橋臺變形驗算

(1)加筋橋臺的填料為粗顆粒土，其沉降大部分在施工過程中已完成。為有效地 減緩或消除“橋頭跳車”問題，橋臺的工后沉降應控制在0.5%的變形以內。預計工后變形值可取應力-應變關系曲線中應力值的對應值。下臥層地基土的沉降量可依據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)中的相關方法確定，該沉降量應控制在一定范圍內，不得過大。

(2)側向變形的理論計算值根據 “橋臺結構體積變化為零”的假設確定。假定豎 向變形為均勻分布、而側向變形按三角形分布，則側向變形的最大值為豎向變形 的2倍，因此最大側向變形值應控制在1%之內。根據工程經驗，最大的側向變形發生在距離橋臺頂面1/3Ha的高度位置。

3.3 筋材抗拉驗算

(1)根據加筋橋臺的受力分析，按最不利工況設計筋材承受的水平向拉力；筋材的容許抗拉強度則由極限抗拉強度除以一個安全系數(通常取3.5)確定；

(2)筋材承受的水平向拉力不得超過容許抗拉強度，同時不得超過筋材變形程度達2%時的容許變形強度；

(3)當不能滿足上述條件時，應換用強度更高的筋材或局部短加筋處理，局部處理深度即為原有筋材所受水平向拉力滿足上述要求時的深度。短加筋的強度應能滿足上述驗算要求。

3.4 整體穩定性驗算

通常根據加筋土邊坡整體穩定性分析理論，由計算軟件按圓孤滑動面法或楔形體滑動面法驗算，計算穩定系數不得小于安全系數1.5。原型試驗表明，加筋土整體式橋臺具有良好的力學性能。

4 結束語

結構穩定性驗算表明，該種橋臺能夠消除橋臺與連接路基之間的差異沉降，從而為避免多年來公路橋梁行業難以克服的橋臺跳車現象提供了可能。