土工合成材料加筋土柔性橋臺(tái)研究現(xiàn)狀

吳偉成

（同濟(jì)大學(xué) 上海 200092）

0 序言

我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在滿足安全性的基礎(chǔ)上，更多考慮適用性、耐久性與經(jīng)濟(jì)性。土工合成材料加筋土由于其較好的力學(xué)性能與抵抗變形特性，已逐漸被工程技術(shù)人員接受，土工合成材料加筋土橋臺(tái)將橋梁結(jié)構(gòu)和連接路基置于共同的加筋土基礎(chǔ)上，這里加筋土一般指指加筋間距小于30cm的加筋土，復(fù)合體特性明顯。采用該技術(shù)建造的土工合成材料加筋土柔性橋臺(tái)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(dòng)荷載產(chǎn)生的沉降差異，消除橋頭跳車現(xiàn)象。

1 室內(nèi)試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

1.1 單元體實(shí)驗(yàn)

作為加筋土橋臺(tái)的主要承力結(jié)構(gòu)，土工合成材料加筋土本身的性能試驗(yàn)研究十分重要。

微型墩試驗(yàn)[1]能探究加筋土力學(xué)特性，有助于加筋土柔性橋臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算，大尺度加筋土單元體試驗(yàn)多針對(duì)承載特性與破壞模式，即靜載條件下使結(jié)構(gòu)逐漸達(dá)到破壞，將測(cè)定的應(yīng)力、變形等均視為與時(shí)間無關(guān)量，不考慮長(zhǎng)期性能。

動(dòng)三軸試驗(yàn)[2]考慮了垂直動(dòng)荷載，以試樣破壞作為試驗(yàn)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，涉及到的加載時(shí)間僅作為使試驗(yàn)結(jié)束的手段而非考慮因素。

在加筋土單元體長(zhǎng)期性能研究方面，通過筋土相互作用性能試驗(yàn)進(jìn)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(fā)生變形，與實(shí)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(yàn)對(duì)加筋土單元體進(jìn)行平面應(yīng)變模型試驗(yàn)，對(duì)粉砂碎石土、黏性土采用不加筋、兩種有紡?fù)凉た椢锛咏钆c一種無紡?fù)凉た椢锛咏?，在不同靜載水平下持續(xù)15-30d，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加筋土的垂直、側(cè)向蠕變速率隨時(shí)間逐漸減小，筋材呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力松弛。

1.2 模型試驗(yàn)

GRS柔性橋臺(tái)的室內(nèi)模型試驗(yàn)主要包括對(duì)GRS柔性橋臺(tái)整體結(jié)構(gòu)的縮尺模型與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。

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

Han[5]進(jìn)行了基于受靜載和逐級(jí)加載作用的加筋擋墻模型試驗(yàn)，分析了橋臺(tái)基礎(chǔ)距面板距離、橋臺(tái)基礎(chǔ)寬度、面板與筋材連接方式等因素對(duì)加筋擋墻力學(xué)與變形性能的影響。

肖成志[6]進(jìn)行了基于受靜載和循環(huán)荷載作用的加筋擋墻模型試驗(yàn)，綜合對(duì)比分析了基礎(chǔ)位置、荷載大小、頻率和循環(huán)次數(shù)等因素對(duì)加筋擋墻力學(xué)與變形性能的影響，發(fā)現(xiàn)循環(huán)荷載對(duì)加筋土擋墻性能有一定影響。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究

截至2015年，美國(guó)各州加筋土柔性橋臺(tái)已有200座以上。對(duì)橋臺(tái)進(jìn)行施工過程與通車后的監(jiān)測(cè)，持續(xù)時(shí)間從4月至12年不等。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明已建GRS柔性橋臺(tái)在服役荷載下均表現(xiàn)出良好性能：

Ketchart[7]對(duì)橋臺(tái)頂部持續(xù)施加靜荷載70d，發(fā)現(xiàn)剛施加荷載時(shí)瞬時(shí)沉降27mm，而70d后蠕變沉降18mm，其中前15天占70%，其沉降-時(shí)間對(duì)數(shù)曲線得到長(zhǎng)期蠕變速率由2mm/d線性遞減至0.03mm/d。筋材最大應(yīng)變僅0.2%。

Adams[8]對(duì)五座服役加筋土柔性橋臺(tái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)加筋土橋臺(tái)豎向應(yīng)變（沉降量/墻高）為0.09%～0.64%；水平應(yīng)變（墻面?zhèn)认蛭灰?墻高）介于0.002%～0.013%。

Talebi[9]對(duì)Run橋臺(tái)進(jìn)行了施工過程、超載試驗(yàn)與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)兩年服役狀態(tài)下的監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：GRS橋臺(tái)的筋材蠕變變形很小，最大應(yīng)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(tái)側(cè)向位移主要發(fā)生在施工期，橋梁結(jié)構(gòu)荷載對(duì)其影響很大，而通車后交通荷載對(duì)其影響不大的結(jié)論。

3 數(shù)值模擬

3.1 單元體

Helwany[11]、Liu[12]采用數(shù)值方法進(jìn)行了蠕變?cè)囼?yàn)，在單元體頂部持續(xù)施加均布荷載，發(fā)現(xiàn)加筋粘土的筋材應(yīng)變、復(fù)合體側(cè)向變形隨加載時(shí)間增加明顯，但加筋砂土的筋材應(yīng)變幾乎不變，數(shù)值模擬結(jié)果試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相差不大。

3.2 模型試驗(yàn)

Zheng[13]考慮到了時(shí)間效應(yīng)，采用FLAC對(duì)BowmanRoad橋臺(tái)進(jìn)行平面應(yīng)變分析，監(jiān)測(cè)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(gè)時(shí)間點(diǎn)的變形與應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)各時(shí)間點(diǎn)處，該加筋土柔性橋臺(tái)均表現(xiàn)出較好性能。結(jié)果顯示，放置橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)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?jī)H2mm，沉降增加了7.3mm，筋材應(yīng)變的變化規(guī)律也呈現(xiàn)類似特點(diǎn)，即通車后柔性橋臺(tái)復(fù)合體變形與內(nèi)部筋材應(yīng)力變化均較小，這與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果類似。

4 總結(jié)與建議

綜上，土工合成材料加筋土柔性橋臺(tái)作為一種新式加筋土結(jié)構(gòu)型式，均在其數(shù)年服役期內(nèi)表現(xiàn)出良好性能，值得在我國(guó)推廣應(yīng)用。根據(jù)前文的分析與討論，土工合成材料加筋土柔性橋臺(tái)在施工成本、長(zhǎng)期性能等方面都有更大優(yōu)勢(shì)，是未來橋臺(tái)研究與發(fā)展方向，應(yīng)考慮填料壓實(shí)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(yīng)力思想，結(jié)合等效附加應(yīng)力與筋材粘彈性模型，推導(dǎo)出等效附加應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律，將其作用于彈塑性土體單元。