土工格栅加筋柔性桥台的机理分析

周志刚　郑健龙　宋蔚涛

摘　要：在试验基础上，分析了土工格栅与填土相互作用机理及土工格栅加筋柔性桥台的机理，并与现场检测的柔性桥台台背沉降和土压力等进行对比，论证了土工格网加筋柔性桥台解决桥头跳车问题的合理有效性。
关键词：加筋土桥台；土工格栅；有限元
分类号：U443.21　文献标识码：A
文章编号：1001-7372(2000)01-0018-04

Analysis of mechanism of flexible abutment reinforced by geogrids

ZHOU Zhi-gang　
（Department of Highway & Bridge Engineering,Changsha Communications Institute,Changsha 410076,China）
ZHENG Jian-long　SONG Wei-tao
（Chuda Expressway Corporation, China）

Abstract：Based on the tests, the mechanism of flexible abutment reinforced by geogrids and that of geogrids-filled soil interaction are analyzed. By compared with results of field tests on the settlements and soil pressures in abutment, it is proved to be reasonable and effective that geogrids are used to reinforce flexible abutment to solve bumping at ends of bridge.
Key words：reinforced earth abutment; geogrids; FEM

　　在地基条件良好的情况下，由于桥台台背填料的沉降而与石砌或混凝土砌的刚性桥台之间形成的错台将造成桥头跳车现象。在以往的工程中，一般采用碎石、砂砾等透水性材料作台背填料、支承刚性过渡式结构、临时过渡式路面等措施。但这些措施并不能从根本上消除桥头跳车问题。其原因是在实际施工中难以保证台背局部范围内的压实度；在桥头接头部位支承刚度发生急剧变化，车辆在行驶中处于一种振动状态，对此极为敏感。若将石砌或混凝土砌的刚性桥台改为加筋土结构的柔性桥台，因在施工中能保证加筋土结构所选用的填料及其压实度与台背填料基本相同，因此，在使用中桥台的沉降能与台背填料的沉降保持一致，支承刚度基本相同，从而在根本上避免错台的出现和桥头跳车的产生。

1　工程简况

　　将云南省楚大高速公路祥云段内K263＋995跨线桥王东坡岸桥台作为土工格栅加筋柔性桥台试验工程。所在地主要出露地层为第四系残坡积层、冲积层及湖沼相堆积地层，砂岩、泥质粉砂岩、泥岩，局部夹有灰岩。土壤以第四系冲积地层为主，由灰黄、灰白杂色亚粘土、粘土夹薄层亚砂土组成，多为硬塑状局部可塑，层次稳定。桥台挡墙的右侧基坑承载力300 kPa，左侧84～116 kPa；中部基底为腐质土，承载力为140 kPa。该跨线桥为16 m+30 m+16 m三跨简支梁桥。原桥台为桩柱式墩台结构，桩深均为20 m。基于现场施工状况、结构稳定与对称协调等方面的原因，选择组合式柔性桥台结构作为本试验工程的结构模式(图1)。

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图1　土工格栅加筋柔性桥台

2　土工格栅的力学特性及其与土界面摩擦特性

2.1　土工格栅的力学特性
　　对柔性桥台所用从英国进口的SR80型和SR110型Tensar格栅，进行了两种试件宽度(200 mm宽，两根筋)和两种加载速度(10 mm/min，20 mm/min)条件下的拉伸试验。根据试验结果(表1)，以10 mm/min加载速率进行拉伸试验，其强度与英国耐特龙公司所提供的材料力学指标非常接近，基本上能反映出材料的断裂强度。

　　　　表1　土工格栅材料的力学性能指标

指　标	SR110			SR80
	200 mm		2根筋	200 mm	2根筋
	10 /mm^。min^-1	20 /mm^。min^-1	10 /mm^。min^-1	10 /mm^。min^-1	10 /mm^。min^-1
初始切线模量/MN^。m^-1	0.675	0.770	1.575	0.629	0.675
割线模量/MN^。m^-1	0.540	0.750	1.305	0.585	0.630
抗张拉强度/kN^。m^-1	45.0	54.5	64.6	30.8	35.6
延伸率/%	20.0	21.0	15.0	14.0	13.0

2.2　土工格栅与土的相互作用
　　利用长沙交通学院自制的大型直剪试验仪和拉拔仪，对云南楚大公路土样制作含土工格栅的试件(压实度95%)，进行不同法向压力作用下的直接剪切试验和拉拔试验。
　　采用下述双曲线关系描述土工格栅与土之间的剪应力τ和相对位移s的非线性关系

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式中：K₁为无量纲剪切劲度模量；n为模量指数；C为界面粘结力；φ为界面摩擦角；Pa为大气压；γ_w为水的容重；R_f=τ_f/τ_u为破坏比，其值小于1，τ_u为试验曲线在极大位移时的渐进值，它比抗剪强度峰值τ_f大；σ_n为试件所受法向压应力。
　　所整理的试验结果参见表2。

表2　双曲线模型计算参数

试验方式	直剪试验					拉拔试验
格网格栅类型	R_f	K₁	n	C/kPa	φ/°	R_f	K₁	n	C/kPa	φ/°
无筋材				45.1	19.3
SR110	0.54	3 499	0.16	53.4	21.5	0.88	1 695	4.17	62.4	3.2
SR80	0.61	3 322	0.11	40.5	23.5	0.85	1 978	0.11	38.3	3.6

3　土工格栅加筋柔性桥台的机理分析

　　利用非线性平面应变有限元方法进行计算分析，其中采用八节点等参单元，设置三节点薄膜单元模拟土工格栅的加筋作用，用六节点Goodman接触面单元反映土工格栅与上下填土间的相互作用，其参数见表2^［1］。采用增量法模拟计算加筋土结构的分层填筑过程。
3.1　土工格栅与填土界面摩擦状态的确定
　　根据计算，不论采用直剪试验数据，还是用拉拔试验数据，在柔性桥台施工过程中每层土工格栅上下表面所受剪应力方向相反(图2)。这说明土工格栅始终处于直剪状态。因此，在下面均针对采用直剪试验获得的土工格栅与填土界面接触单元参数计算的结果进行分析。

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图2　土工格栅上下表面剪应力分布

3.2　土工格栅对土压力的扩散作用
　　土工格栅对荷载的扩散作用，对于水平均匀填筑土的土体并不明显，而只对浇筑台帽和吊装梁板等局部较为集中的荷载影响较强。在浇筑台帽和吊装梁板时若只记该项施工所增加的荷载效应，则体现土压力分布的扩散线(图3)清晰地反映出，挡板加筋结构和反包加筋两部分结构扩散荷载的程度存在明显差异。反包加筋部分的荷载扩散范围较广，扩散角在16.3～43.7°之间变化，在桥台前部扩散角较大，桥台前后扩散角的平均值分别为34.1°、21.7°；而挡板加筋部分的荷载扩散范围较窄，扩散线基本呈一直线，该直线斜率接近2∶1(扩散角26.6°)。此外，铁四院科研所的袁建国等根据对双侧加筋土板墙及土桥台模型试验结果实测的土压力，反算出荷载扩散角为61.5°^［2］。扩散角的差异必然与筋材与土体的力学性能筋材在土体中的布置加筋土体所受的约束条件有关。

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图3　吊装梁板和施加桥上交通荷载对土压力扩散分布的影响

　　为观测柔性桥台加筋体土压力随荷载作用的变化规律，在施工中分三层设两组正向压力盒，共24副。现场土压力盒测试结果与计算结果基本相符(图4)说明非线性有限元计算是合理的。

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图4　筑台帽前各层土压力分布

　　地基顶部最大土压力出现在台帽下方，其值约为197 kPa，低于地基承载力300 kPa数值。台帽基底最大应力和最小应力分别为94.4、54.3 kPa。水泥稳定碎石垫层能满足这一要求。
3.3　土工格栅的加筋
　　图5是柔性桥台施工结束时台帽下方几层土工格栅的张力分布曲线。这些曲线再次反映出反包加筋结构与挡板加筋结构中土工格栅加筋作用的发挥具有不同的特点。

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图5　柔性桥台施工完台帽下方各层土工格栅的张力分布

　　反包加筋结构的土工格栅的张力分布从台帽相邻层位的双峰曲线逐渐地变为远离台帽层位的较均匀的曲线。这是由于台帽很高的刚度对台帽底部的土工格栅的变形形成较强的制约作用。随着远离台帽，其制约作用逐渐减弱，压力分布趋于均匀，此时土工格栅自然形成一较均匀分布的张力作用。
　　但是，挡板加筋结构部分的土工格栅除了在远离挡板一端会出现一较大张力外，始终在挡板背后产生一较大张力。这是由于土工格栅下方的填土沿着挡板背面向下滑动，土工格栅下面出现脱空或支承减弱。这种支承减弱甚至脱空的现象直接反映在土工格栅上下表面的垂直作用力和剪切应力的差异上(图2)。计算结果表明，挡板后的土工格栅的下表面会受到拉力的作用，同时剪应力几乎等于零。在此种情况下，只可能它们之间会出现脱空，脱空范围大致为15 cm左右。兰州铁道学院的梁波、孙遇祺等对筋带加筋挡墙所进行模型试验曾指出筋带多发生在面板后部^［3］。二者结论相一致。
　　针对挡板背部筋材存在断裂的可能性，试验工程实施时在挡板背部填筑难以沉降排水性能好的碎石，防止这种破坏形式的出现。
　　必须指出，土工格栅的加筋作用并未造成在离挡板稍远的土工格栅上下表面土压力产生差异，而是通过调整上下的剪应力、在自身内部产生张力以平衡上下剪应力之差来改善土体内的受力变形状况，从而实现加筋目的。在某种意义上，土工格栅起到一种隔离层的作用。
　　从计算结果发现，无论SR110或SR80型Tensar土工格栅，它们所承受的张力均低于它们的抗拉强度。
3.4　土工格栅加筋柔性桥台的内部稳定性分析
　　前面已说明土工格栅与填土之间处于直剪状况，而不是拉拔状况，不存在出现土工格栅拔出的可能性。并且计算出SR110与填土界面间产生最大剪应力，约为40 MPa，低于SR110与填土间抗剪强度τ=C+σ_ntg(φ)，因此填土不可能会沿着土工格栅表面发生滑移破坏。
　　为了分析土工格栅加筋柔性桥台内部潜在滑动面，绘制了τ_max-σ_ntg(φ)值(此处C、φ值为土体的抗剪强度指标，见表2)的等值线(图6)。

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图6　τ_max-σ_ntg(φ)等值线

　　当台帽浇筑完时，这些等值线均在土工格栅处发生跳变，这再次证明土工格栅使得其上下表面填土的应力状况发生了差异性的变化。其向下发展趋势说明，若桥台发生滑动，滑动体沿某一临界等值线(该值等于填土的粘结力C)运动时，至某层土工格栅后，有可能沿着土体格栅表面运动。这些等值线在台帽下部的倾角在62.2～233.7°之间，平均值为38.2°。
　　当吊装梁板和施加交通荷载以后，加筋土体内τ_max-σ_ntg(φ)等值线发生了变化。台帽局部集中荷载对加筋土体内应力状况产生显著影响。这种影响除了造成台帽下应力较集中外，且增加了台帽下部多种方向破坏的可能性。这些等值所对应的数值均未能达到填土的粘结力，说明并不会发生滑动破坏。
　　与未加土工格栅的柔性桥台填土中τ_max-σ_ntg(φ)等值线分布相比，铺设土工格栅后柔性桥台滑动的可能性大为降低。
3.5　柔性桥台的沉降分析
　　将有限元计算出的土压力作为土体内实际压力，利用土体压缩试验数据(压缩模量E_s=8 005.6 kPa)，按分层沉降总和法计算加筋土体的沉降。计算出最终沉降量为2.230 mm。而根据现场实测最终沉降量为3.64 mm。计算沉降值比现场实测沉降值略小。并且均低于《公路桥涵地基与基础设计规范》中的相邻墩台总沉降差值1.0=5.0 cm的要求。

4　结　语

　　根据上述所进行的各项试验和计算分析，可以归纳出：
　　(1)直接拉伸试验试件的宽度和加载速率对土工格栅抗拉强度影响较大。宜采用较宽的试件和较低的加载速率。
　　(2)所填筑的土工格栅加筋柔性桥台中土工格栅处于直剪状况，宜用直剪试验结果作为加筋结构分析的土工格栅与填土界面接触特性参数。
　　(3)土工格栅对加筋土体内均布荷载引起的土压力并无影响，仅对台帽自重等局部荷载有扩散作用。这种扩散作用在反包加筋结构和挡板加筋结构中不同，应因土工格栅和填料的材料力学特性、布置层间距等有所变化。
　　(4)反包加筋结构和挡板加筋结构中土工格栅产生最大张力的部位不同。反包加筋结构中易在台帽底部前后端的土工格栅中出现最大张力，而对挡板加筋结构，易在挡板后面产生土工格栅拉断破坏。
　　(5)土工格栅的加筋作用降低了柔性桥台内部滑动破坏的可能性，潜在的滑动面与未铺土工格栅的桥台结构不同，呈现出非连续的特征。
　　(6)所进行的土工格栅加筋柔性桥台的强度、稳定性分析、沉降计算和现场观测结果表明，所填筑的土工格栅柔性桥台是成功的。加筋土柔性桥台能有效地降低桥台与台背填料间的差异沉降，完全可以消除桥头跳车现象。采用土工格栅修筑柔性桥台所花费用与原设计的桩柱式桥台造价减少23 617.8元，节约16.2%的费用。从经济和技术上分析，用土工格网(格栅)加筋柔性桥台技术解决桥头跳车，是一种简单可行、富有实效的方法，值得在工程中广泛推广。

作者简介：周志刚(1966-)，男，教授，工学硕士
作者单位：周志刚（长沙交通学院　路桥工程系，湖南　长沙　410076）
　　　　　郑健龙（楚大高速公路公司）
　　　　　宋蔚涛（楚大高速公路公司）

参考文献：

［1］　朱百里，沈珠江，等.计算土力学［M］.上海：上海科学技术出版社，1990.
［2］　袁建国，时钟伦.双侧加筋土挡墙及加筋土桥台模型试验研究报告［J］.路基工程，1995，(1)：27—33.
［3］　梁　波，孙遇祺.加筋土模型试验中的拉力破坏研究［J］.岩土工程学报，1995，(2)：83—87.

收稿日期：1999-02-03