土工合成材料加筋土橋臺技術及其應用

劉軍海、李昊煜、金宇

（1.合肥明巢高速公路有限公司，安徽 巢湖 231609；2.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；3.同濟大學土木工程學院，上海 200092）

0 引言

加筋土擋墻技術在公路和鐵路路基工程中已得到了比較廣泛的應用。加筋土橋臺技術是將加筋土擋墻技術用于橋梁系統(tǒng)的經(jīng)典案例，目前在國外橋梁工程中應用廣泛，而在國內(nèi)應用有限。加筋土橋臺形式多樣，功能不同，人們對不同類型的加筋土橋臺的功能與作用缺乏清晰的認識，阻礙了加筋土橋臺技術在交通工程中的正確應用。本文擬根據(jù)MSE 擋墻和GRS 擋墻的特點及其主要功能，對土工合成材料加筋土橋臺進行分類，闡述不同類型加筋土橋臺的工作原理；并結合典型工程案例，論述加筋土橋臺在工程應用中的特點。

1 加筋土橋臺分類

加筋土橋臺可根據(jù)加筋土體是否直接承受上部橋梁結構的自重荷載，分為承重式加筋土橋臺和非承重式加筋土橋臺。如圖1 所示，承重式加筋土橋臺不僅發(fā)揮擋土作用，而且直接承擔上部橋梁結構傳遞的荷載以及路面荷載；非承重式加筋土橋臺主要承擔路面荷載和墻后土壓力，上部結構荷載由樁基高承臺承擔[1]。

圖1 加筋土橋臺類型

1.1 承重式加筋土橋臺

根據(jù)加筋間距不同，承重式加筋土橋臺又可劃分為MSE 承重式橋臺和小間距土工合成材料加筋土橋臺，即GRS 承重式橋臺[2]。

MSE 承重式橋臺通常采用鋼帶作為筋材，填料采用粗?；旌狭?，筋材的作用是承擔土體的水平土壓力。GRS 橋臺的加筋間距一般為0.2m（不會超過0.3m），采用土工合成材料作為筋材，可以是土工格柵或土工布，填料采用粗顆?；旌狭?，設計時將結構看作一個整體，荷載直接作用在復合體上，面層不看作是結構構件[3]。

1.2 非承重式加筋土橋臺

非承重式加筋土橋臺主要用于橋頭連接路基的收坡，以縮短橋梁跨度。將加筋土擋墻與橋梁結構組合，屬于MSE 擋墻的非常規(guī)應用形式。根據(jù)高承臺與加筋土擋墻的結合形式，可將非承重式加筋土橋臺分為分離式橋臺和包裹式橋臺（見圖2）。

在分離式橋臺圖2（a）中，加筋土體與橋臺完全分離，具有獨立的面板，臺背后土壓力完全由加筋土擋墻承擔；包裹式橋臺圖2（b）則是利用加筋土體將柱式橋臺完全包裹，施工完成后，外觀上呈現(xiàn)為完整的加筋土橋臺[4]。

2 承重式加筋土橋臺案例

范德斯/梅多斯橋（Founders/Meadows Bridge）采用MSE 承重式橋臺技術。該橋高為5.9m，加筋間距為0.4m，橋梁上部結構荷載通過支撐基座傳至MSE 結構上。橋臺結構如圖3 所示。

圖3 范德斯/梅多斯橋橋臺縱斷面圖（單位：m）

工后監(jiān)測結果顯示，從橋梁通車開始的18 個月內(nèi)，面板最大水平位移為13mm，相當于橋臺高度的0.22%，面層底部水平基座的豎向沉降為5mm，相當于橋臺高度的0.08%，且上述變形主要發(fā)生在最初的12 個月，后6 個月的位移幾乎可以忽略不計。橋臺在通車運營后，未出現(xiàn)橋頭錯臺，消除了橋頭跳車現(xiàn)象[5]。

1-366 號橋是特拉華州第一座采用GRS-IBS 技術建造的橋梁。橋臺本身高度為4.8m（從基礎頂部到橋臺頂部），加筋間距為0.2m。橋臺結構如圖4 所示。

圖4 1-366 號橋橋臺剖面圖（單位：m）

橋臺建造速度較快，用時36d。該項目造價約21.1 萬美元，相比橋墩式的傳統(tǒng)建造方式節(jié)約了14.6%的造價。工后監(jiān)測顯示：橋臺的孔隙水壓力和變形均未因河水和降雨而產(chǎn)生突變；橋臺的最大沉降和水平位移分別為15mm 和12mm，占橋臺高度的0.3%和0.25%[6]。

3 非承重式加筋土橋臺案例

黃登大橋位于云南省黃登水電站大壩下游約900m 處，2010 年通車運行，采用分離式加筋土橋臺作為承載結構。左、右岸加筋土橋臺高度均為13m，加筋間距為0.5m（見圖5）。

圖5 黃登大橋分離式橋臺剖面圖（單位：m）

該橋臺施工工期較短，墻面施工和墻背回填一次性完成。在施工完成后的3 年時間內(nèi)，分離式橋臺的墻面、墻頂、基礎、橋臺搭板等部位均沒有發(fā)現(xiàn)明顯位移、沉陷、鼓脹、開裂等問題，使用性能良好，同時也為該地區(qū)增加了一處人文景觀。

沈山鐵路跨線橋位于遼寧省葫蘆島市高橋鎮(zhèn)東南[7]，20 號臺處采用包裹式加筋土橋臺技術。橋臺高為4.8m，寬為11m，加筋間距為0.5m，樁徑為1m，樁體偏移距（樁中心到墻面板的距離）為2.5m（見圖6）[8]。

圖6 沈山鐵路跨線橋包裹式橋臺剖面圖（單位：m）

在施工完成后的1 年時間內(nèi)對橋臺的整體變形進行監(jiān)測，結果顯示：在水平位移觀測點中，97.7%的觀測點位移值小于10mm（橋臺高度的0.2%），72.5%的觀測點位移值小于5mm（橋臺高度的0.1%）[9]；橋臺的總沉降量最大值是35.2mm（橋臺高度的0.7%），其中工后沉降最大值為19.9mm（橋臺高度的0.4%），未發(fā)現(xiàn)明顯不均勻沉降現(xiàn)象[10]。

4 結論

本文對各類加筋土橋臺的特點歸納如下。

第一，MSE 承重式橋臺工作原理與加筋土擋墻相同，GRS 承重式橋臺與MSE 承重式橋臺相比，加筋間距更小，在附加荷載作用下表現(xiàn)出復合材料的特性，具有更高的承載性能。兩者均能避免橋頭跳車、節(jié)約工程造價、縮短建造周期，應用前景廣闊。第二，非承重式加筋土橋臺實質(zhì)上就是MSE 擋墻，是MSE 擋墻在橋梁系統(tǒng)中的應用，具有收坡減跨、節(jié)約造價、快速施工、抗震良好的特性。第三，包裹式加筋土橋臺和分離式加筋土橋臺只是非承重加筋土橋臺的具體形式。在包裹式加筋土橋臺中樁柱位于加筋土體內(nèi)，存在加筋土體與樁柱之間的相互作用，影響因素復雜且不明確，有待進一步研究揭示。