非承重式加筋土橋臺(tái)建造關(guān)鍵技術(shù)分析

李昊煜， 高 珊

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088； 2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088； 3.中交一公局集團(tuán)有限公司，北京 100024)

1 工程項(xiàng)目背景

明巢高速合肥段多座分離式立交橋有橋梁減跨、橋頭收坡、快速建造和橋梁景觀提升的實(shí)際需求。全線選取3座橋作為試驗(yàn)工程，設(shè)置非承重式加筋土橋臺(tái)6座。典型橋梁傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，采用非承重式加筋土橋臺(tái)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)橋梁方案

圖2 采用非承重式加筋土橋臺(tái)的橋梁方案

通過施工圖同等深度對(duì)比分析，采用非承重式加筋土橋臺(tái)，單橋節(jié)約造價(jià)127萬元，節(jié)約部分占工程總投資的38%，見表1。經(jīng)過2021年9月的實(shí)際施工驗(yàn)證，非承重式加筋土橋臺(tái)單日施工高度均可控制在1.2 m以上，單橋臺(tái)加筋土工程施工工期均可控制在1周以內(nèi)。

表1 橋梁方案對(duì)比分析

2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 加筋土中橋梁豎向承載結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化減少

相較于傳統(tǒng)的橋臺(tái)工程而言，非承重式加筋土橋臺(tái)中的豎向承載結(jié)構(gòu)受到土體水平力的作用明顯減少，以本試驗(yàn)工程為例，根據(jù)水平作用力大小，在臺(tái)高略有增加的情況下，仍可取消傳統(tǒng)設(shè)計(jì)肋板臺(tái)，僅需設(shè)置相較水平抗力差的柱式臺(tái)。

值得一提的是，即便主要起豎向支撐作用的柱子嵌固于無高差的加筋體中，其仍然受到額外的指向橋跨的水平土壓力，其不應(yīng)采用僅豎向受荷樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮為低水平土壓力柱式臺(tái)。

為了準(zhǔn)確合理的衡量柱式臺(tái)上水平土壓力的大小，本工程配套了相似比1∶5的大比尺室內(nèi)模型試驗(yàn)，如圖3所示。經(jīng)過試驗(yàn)論證分析，加筋土橋臺(tái)中柱式臺(tái)水平土壓力小于傳統(tǒng)柱式臺(tái)，但其仍受到不可忽視的水平向土壓力，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)論，在柱子根數(shù)不變的條件下，最終選定柱式臺(tái)中柱直徑為1.5 m，大于柱式墩的1.1 m，但其材料用量明顯小于原設(shè)計(jì)的肋板臺(tái)。

圖3 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌?/p>

2.2 柱前短加筋擋墻的特殊設(shè)計(jì)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，近些年來，加筋土擋墻中筋材類型采用平面型筋材已成為共識(shí)，以《鐵路工程土工合成材料 第2部分 土工格柵》(QCR 549.2—2016)為例，更是規(guī)定了鐵路加筋土擋墻中，通過筋材拉力和筋土界面作用提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的土工格柵主要采用單向拉伸塑料土工格柵(HDPE)。對(duì)于平面型筋材，遇到橋梁柱式臺(tái)，不可避免地要截?cái)啵@就帶來了柱前短加筋擋墻的穩(wěn)定性問題。本工程設(shè)計(jì)采用兩種處理措施。

2.2.1 柱前采用小間距加筋土擋墻

小間距加筋土復(fù)合體(GRS)擋墻具有自穩(wěn)特性，不像傳統(tǒng)加筋土(MSE)擋墻結(jié)構(gòu)需要較長的筋材長度以提供足夠的抗拔錨固力，如圖4所示。根據(jù)同濟(jì)大學(xué)徐超教授和美國學(xué)者Wu及Pham的研究等，GRS結(jié)構(gòu)是一種類似于“鋼筋混凝土”的具有復(fù)合材料特性的復(fù)合體，通過綜合了加筋作用的似黏聚力和內(nèi)摩擦角維持結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定，因此可以在無面層結(jié)構(gòu)支撐的情況下保持自穩(wěn)，而不像MSEW結(jié)構(gòu)那樣需要錨固段筋材的抗拔力來維持穩(wěn)定，即只要筋材抗拉強(qiáng)度滿足要求，結(jié)構(gòu)體就不會(huì)發(fā)生內(nèi)部破壞，而不需要考慮筋材的抗拔失穩(wěn)和連接破壞。

圖4 GRS擋墻與傳統(tǒng)MSE擋墻對(duì)比示意圖

本工程結(jié)合國內(nèi)外研究成果及大比尺室內(nèi)試驗(yàn)取0.3～0.4倍墻高作為柱前小間距加筋土擋墻設(shè)計(jì)控制短加筋長度。相應(yīng)的柱前格柵間距由兩層模塊一層(38 cm)，調(diào)整為單層模塊一層(19 cm)。

2.2.2 格柵采用傳力剛梁繞柱

通過最小尺寸大于柱子外徑的雙半矩形剛框連接成套在柱外的矩形剛框，格柵連接于矩形兩對(duì)邊上設(shè)置為有效傳力剛梁，實(shí)現(xiàn)格柵截?cái)嗪蠼畈睦θ杂行鬟f。結(jié)合理論及室內(nèi)試驗(yàn)研究，本工程取1 m作為加筋土擋墻與柱的最小凈距離。

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 特殊施工工藝

加筋土擋墻施工有非常多的施工經(jīng)驗(yàn)，在此不再贅述。作為非承重式加筋土橋臺(tái)，橋臺(tái)位置的加筋土擋墻有其位置上的特殊性，需要配套特殊的施工工藝。

3.1.1 柱前格柵的截?cái)嗍┕?/p>

為了提高柱前短格柵的平面整體性，采用每根直徑1.5 m柱子每層均配套兩幅(幅寬為1.3 m)格柵。其中，主加筋層(38 cm間距)格柵鋪設(shè)至柱后與未裁剪筋材末端一致，每幅均裁剪直徑1.5 m的半圓，并在兩幅格柵間綁扎綁扎帶來提高平面整體性；輔助加筋層(距離主加筋層19 cm)鋪設(shè)至半柱截止，每幅均裁剪直徑1.5 m的四分之一圓，并在兩幅格柵間綁扎綁扎帶來提高平面整體性。如圖5所示。

圖5 柱前格柵截?cái)嗍┕ふ掌?/p>

3.1.2 轉(zhuǎn)角格柵的錯(cuò)層及搭接施工

每座非承重式加筋土橋臺(tái)存在2處轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角處為該臺(tái)的匯水區(qū)，為受力不利位置，首先墻背排水層需加厚，其次要采取措施保證轉(zhuǎn)角處格柵與填料之間的摩擦和咬合作用。轉(zhuǎn)角格柵帶來大面積的同層重疊，施工采用錯(cuò)層鋪設(shè)的方案，如圖6所示。平面上跳幅鋪設(shè)，豎向上由兩層模塊一層(38 cm)，調(diào)整為單層模塊一層(19 cm)。保證了格柵在等效38 cm層間距內(nèi)的有效滿鋪，且避免了大面積格柵重疊帶來的摩擦力減小。此外，對(duì)于采用上述錯(cuò)層鋪設(shè)措施，仍存在的小范圍同層格柵搭接，為避免打滑，重疊部分兩層格柵間鋪設(shè)10 cm厚度黃沙。結(jié)合轉(zhuǎn)角處的曲線半徑，必要時(shí)可通過裁剪的方式，減小格柵幅寬。

圖6 柱前格柵截?cái)嗍┕ふ掌?/p>

3.2 快速施工下的人員及機(jī)械配備

非承重式加筋土橋臺(tái)小空間內(nèi)設(shè)置三合圍加筋土擋墻，施工場(chǎng)地較狹小，作業(yè)面不易展開，精細(xì)化的進(jìn)行人員組織和設(shè)備配備就顯得尤為重要。

現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合作業(yè)面條件以五人制工作小組為基礎(chǔ)配備施工人員，每組配備1名組長，4名工人。具體分工見表2。

表2 五人制工作小組分工

為滿足快速施工要求，結(jié)合試驗(yàn)工程現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，非承重式加筋土橋臺(tái)，墻背1 m范圍外可采用大型機(jī)械碾壓，施工層上模塊壓重為1～2層，并控制機(jī)械行進(jìn)速度。墻背 1 m范圍內(nèi)，主要為排水層的碎石粒料，采用手持式振動(dòng)平板夯(90 kN/50 cm或更大)或輕型機(jī)械壓實(shí)，不宜采用沖擊夯壓實(shí)。

圖7 墻背1 m范圍內(nèi)推薦壓實(shí)設(shè)備圖

4 檢測(cè)及控制關(guān)鍵技術(shù)

加筋土擋墻檢測(cè)及控制技術(shù)有非常多的經(jīng)驗(yàn)，在此不再贅述。作為快速施工的非承重式加筋土橋臺(tái)的加筋土工程，為了滿足橋臺(tái)區(qū)平安百年品質(zhì)工程的建設(shè)需求，對(duì)其填料控制和檢測(cè)提出了新的要求。此外，仿石砌塊墻面采用工廠化快速生產(chǎn)的干硬性混凝土砌塊，配合砌塊子母槽和格柵連接件進(jìn)行快速裝配化干壘施工，對(duì)連接的控制和檢測(cè)也提出了新的要求。

4.1 填料控制及檢測(cè)

結(jié)合安徽省的氣候條件，滿足橋臺(tái)平安百年品質(zhì)工程建設(shè)需求，對(duì)加筋區(qū)填料做出明確的級(jí)配等要求，見表3。采用挖坑灌砂法或沉降差測(cè)試的方法進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)。

表3 加筋區(qū)填料要求

4.2 干壘仿石砌塊連接控制及檢測(cè)

非承重式加筋土橋臺(tái)采用干壓仿石砌塊利用連接件干壘裝配化施工加筋土擋墻。要求筋材的裁剪需符合不外露于墻面且保證前后墊高厚度一致的原則。如圖8所示。

圖8 連接處格柵裁剪示意圖

目前，國內(nèi)尚無針對(duì)模塊與格柵間采用連接件連接方式的強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備及明確的測(cè)試方法和要求，本工程參考美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(ASTM Designation：D6638-11)，利用室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)模塊與筋材間連接強(qiáng)度進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)，如圖9所示。

圖9 連接強(qiáng)度檢測(cè)照片

5 結(jié)論及展望

非承重式加筋土橋臺(tái)在當(dāng)前用地緊張、工業(yè)化建造、綠色公路的大背景下有非常好的應(yīng)用推廣價(jià)值，結(jié)合系統(tǒng)化的深入研究，對(duì)該種橋臺(tái)的合理設(shè)計(jì)、精細(xì)化施工、高質(zhì)量建造有重要意義。

目前，明巢高速合肥段非承重式加筋土橋臺(tái)科研及其相應(yīng)的試驗(yàn)工程均在有序進(jìn)行中，室內(nèi)試驗(yàn)基本完成，試驗(yàn)工程建設(shè)已完成三分之一，試驗(yàn)工程的全方位監(jiān)測(cè)也正在進(jìn)行中，可實(shí)現(xiàn)全天候24 h動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)傳輸。隨著工程的進(jìn)展和數(shù)據(jù)的采集積累，未來將形成更加完善的建造技術(shù)，可對(duì)類似工程起到非常好的指導(dǎo)和借鑒作用。