加筋土桥台柔性复合结构设计方法.pdf
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1、第 45 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.45 No.4Aug.2023土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英 文)Journal of Civil and Environmental Engineering加筋土桥台柔性复合结构设计方法赵建斌1,白晓红1,郑俊杰2,谢明星1(1.太原理工大学 土木工程学院,太原 030024;2.武汉大学 土木建筑工程学院,武汉 430072)摘要:加筋土桥台柔性复合结构(简称 GRS-IBS)作为加筋土的一种改进技术,可有效控制路桥过渡段差异沉降,以减少“桥头跳车”现象的发生。但目前 GRS-IBS结构多参照加筋土挡墙进行设计,由于二者承载特性
2、存在差异,其设计方法有待完善。以山西省太行一号风景道 K43+175处桥梁工程为例,借鉴相关规范和标准进行 GRS-IBS结构设计,并采用 FLAC3D建立有限差分数值模型进行数值分析,分别对桥台变形、筋材和墙面板受力进行验算,以确保工程结构安全。结果表明:GRS-IBS 结构设计除需进行结构内部和外部稳定性验算外,还需采用 FHWA 推荐的计算方法对结构承载力和筋材拉力进行验算;采用现浇混凝土墙面板的 GRS-IBS结构能满足相关规范对路桥过渡段不均匀沉降控制的技术要求,但为保证工程结构安全,需对墙面板顶部进行局部加强设计;GRS-IBS结构墙面板最大拉应力位于桥台中部偏下位置,建议在现浇混
3、凝土墙面板受拉侧配置一定数量的钢筋,以避免混凝土产生开裂破坏。关键词:加筋土桥台;加筋土;设计方法;工作特性;数值分析中图分类号:TU431;U472.99 文献标志码:A 文章编号:2096-6717(2023)04-0001-09Design method of geosynthetic reinforced soil-integratedbridge systemZHAO Jianbin1,BAI Xiaohong1,ZHENG Junjie2,XIE Mingxing1(1.College of Civil Engineering,Taiyuan University of Techn
4、ology,Taiyuan 030024,P.R.China;2.School of Civil Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,P.R.China)Abstract:As an improved technique of reinforced soil,the geosynthetic reinforced soil-integrated bridge system(GRS-IBS)could reduce the differential settlement at the roadbed-bridge transition sectio
5、n so as to avoid“bridgehead bump”effectively.But at present,GRS-IBS structure is mostly designed with reference to reinforced earth retaining wall,and its design method needs to be improved on account of the difference in bearing characteristics between two structures.Considering this,based on a bri
6、dge in Taihang No.1 Tourism DOI:10.11835/j.issn.2096-6717.2022.067收稿日期:20220517基金项目:国家自然科学基金(52008285、52178341);山西交通控股集团有限公司科技项目(18-JKKJ-23)作者简介:赵建斌(1983-),男,博士生,高级工程师,主要从事岩土工程与公路路基研究,E-mail:。郑俊杰(通信作者),男,教授,博士生导师,E-mail:。Received:20220517Foundation items:National Natural Science Foundation of China(
7、No.52008285,52178341);Technological Project of Shanxi Transportation Holdings Group Co.,Ltd(No.18-JKKJ-23)Author brief:ZHAO Jianbin(1983-),PhD candidate,senior engineer,main research interests:geotechnical engineering and highway subgrade,E-mail:.ZHENG Junjie(corresponding author),professor,doctoria
8、l supervisor,E-mail:.开放科学(资源服务)标识码OSID:第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报(中 英 文)Road K43+175 in Shanxi Province,the GRS-IBS was designed referring to the relevant specifications,and a Finite difference numerical model in the same condition was also established by FLAC3D to analyze the abutment deformation,the
9、geogrid tensile force and the panel stress respectively to guarantee the safety of engineering structure.The results show that not only the internal and external stability of GRS-IBS should be validated,but also the bearing capacity and the geogrid tensile force should be checked using the formula r
10、ecommended by FHWA;the GRS-IBS structure with cast-in-place concrete panel could meet the requirement of relevant specifications for the differential settlement at the roadbed-bridge transition section,but the top of the panel should be reinforced to ensure the safety of engineering structure;the ma
11、ximum tensile stress of the panel with GRS-IBS structure was located in its lower part,and the reinforcement was suggested on the tension side to avoid concrete cracking.Keywords:geosynthetic reinforced soil-integrated bridge system;reinforced soil;design method;operating characteristic;numerical an
12、alysis受经济、技术等条件制约,低等级公路普遍存在“桥头跳车”现象,不仅严重影响公路行车的舒适性和安全性,而且还大大增加了后期的维护频率和成本,由此造成的交通事故屡见不鲜1-3。土 工 合 成 材 料 加 筋 土 柔 性 桥 台 复 合 结 构(Geosynthetic Reinforced Soil-Integrated Bridge System,简称 GRS-IBS结构)最早由美国在“未来桥梁创新计划”(Bridge of the Future Program,BOF)中针对小型单跨桥梁的更新换代问题而提出,为公路桥梁建设提供了一个环保、经济的技术方案。由于桥梁上部结构直接搭设在 G
13、RS-IBS结构之上,路桥过渡段路基可与 GRS-IBS结构无缝衔接,组成变形协调的路桥一体化结构,进而可有效控制路桥过渡段的差异沉降,缓解“桥头跳车”问题4-6。另外,GRS-IBS 结构还具有绿色环保、造价低廉、施工便捷等特点,在低等级公路小跨径桥涵工程中具有较高的推广应用价值。一些学者已经通过模型试验验证了 GRS-IBS 结构良好的承载特性,如,徐超等7通过平面应变振动台试验研究了不同筋材刚度和 间 距 组 合 对 GRS-IBS 结 构 抗 震 性 能 的 影 响;Zheng 等8设计了 4 个半缩尺 GRS-IBS 结构进行振动台试验,采用模块化面板和单向土工格栅加筋,探讨了动荷载
14、条件下附加应力、筋材间距和筋材抗拉刚度对加筋土桥台的影响;Zhang等9则通过开展筋材返包式、模块式和整体现浇式 3 种常用墙面类型 GRS-IBS结构的缩尺模型试验,研究了墙面类型对其承载性能的影响。由于 GRS-IBS 结构直接承受桥梁上部结构荷载,与常规加筋土结构相比,其整体功能和作用机制都存在较大差异,需要对 GRS-IBS结构的关键部位和特定构件进行单独设计,以避免集中荷载对GRS-IBS 结构造成破坏。为保证 GRS-IBS 结构工程设计的科学性和合理性,以山西省晋城市陵川县太行一号风景道 K43+175 处工程为例,参照相关规范或标准开展 GRS-IBS结构设计,并基于实际工况,
15、采用有限差分软件 FLAC3D建立三维数值模型进行数值模拟,分别对桥台变形、筋材和墙面板受力状况进行分析验算,以保证设计方法的合理性和工程结构的安全性。1工程概况依托工程位于山西省太行一号国家风景道陵川段(上上河横水)公路K43+175处,为一座1 m8 m 装配式混凝土简支空心板通道桥,桥梁全长15.5 m,桥台拟采用 GRS-IBS结构。该通道桥是寺掌 1 号、2 号隧道之间的控制性工程,如图 1 所示。修建场地原为冲沟,为施工方便,修建隧道时对该冲沟进行了回填作业。隧道完工后开挖修建通道桥,以满足冲沟位置处的过水要求。通道桥位于山间河谷区,地形总体起伏不大,桥址区地面标高为 1 315.
16、61 316.3 m,最大相对高差为 0.7 m。经地调及钻探显示,项目场地地层图 1工程区域位置Fig.1Site location of project岩性主要为第四系全新统冲积(Q4al),含碎石粉质黏土、卵石及奥陶系中统下马家沟组(O2x)灰岩。在大地构造位置上,桥址所在区域处于近南北向构造边缘,未见明显断裂构造形迹。勘察期间工程所在区域未见地表水,钻探深度范围内也未见地下水出露。综上判断,依托工程场地地质条件相对简单,稳定性较好。工程原方案采用重力式桥台,不仅需要较大的施工场地,开挖量大、施工期长,而且通道桥两侧均为填方路基,处置不当极易引起路桥过渡段的不均匀沉降,因此,通过方案比选
17、最终决定采用加筋土桥台,以解决上述工程问题。2GRS-IBS结构设计2.1确定结构尺寸依托工程桥梁为对称单跨结构,全长 8.0 m,两侧桥台完全相同,每侧桥台均由加筋土地基、整体式现浇墙面加筋土桥台及复合引道组成。首先根据工程特点和场地条件确定桥台宽 Ba为 8.0 m,高Ha为 4.2 m。桥台底部长度 Lb是指桥台底部与地基接触面的长度,根据已有工程经验,对于跨度 Ls7.5 m 的单跨桥梁,Lb不应小于 0.3Ha,且不应小于1.8 m10-11。由于工程需要开挖桥台形成工作面,Lb取值太小不利于大型机械设备就位施工,因此确定Lb为 3.6 m。桥台顶部长度 La则可根据桥台后部边坡在保
18、持自然稳定条件下的放坡开挖线确定,在受场地条件限制时,可适当调整坡率并增加边坡防护措施,以保证桥台施工的安全性,但 La不应小于0.7Ha。该工程地质条件较好,且桥台高度不大,桥台后部边坡采用两级台阶垂直开挖,以减少后期台背回填量,同时,考虑到桥台应有足够的加筋长度,综合分析后确定 La取 4.6 m。加筋土地基厚 1.6 m、长 15.0 m,完全覆盖整个基坑底部,以满足结构地基承载力的要求。条形基础高0.4 m、宽 1.0 m,位于加筋土地基上方,直接支撑上部整体式现浇墙面。GRS-IBS 结构加筋间距不得大于 30 cm3,10,该工程取 20 cm,在桥台顶部承载区的主筋之间设置短筋加
19、密,以支承桥梁上部结构传递的附加荷载。承载区高度应不小于 5 倍主筋布设的垂直间距,短筋布设长度应超出桥梁面板端面以外 1.0 m。因此,该工程承载区高度和长度分别取 1.0、3.0 m,桥梁上部搭接长度 l 取 1.0 m。桥梁上部搭接区域与桥台面板之间预留一定的伸缩空间,用聚苯乙烯垫块填塞,预留宽度至少为 20 cm。同时,桥台面板顶部距离桥梁面板底面预留不小于 10 cm 的净空距离,并填塞塑料泡沫块作为伸缩缓冲带,以避免桥梁 上 部 结 构 荷 载 直 接 作 用 于 桥 台 面 板,导 致 其破坏。路桥过渡段由土工织物返包式加筋土填筑,加筋间距同样为 20 cm。返包端面与桥梁面板端
20、面紧密衔接并平滑过渡,尤其要保证该端部填土的压实性,以使接触部位尽量达到变形协调。引道另一端延伸至切坡面以外一定距离,以覆盖加筋土结构与原有坡体之间的交界,防止降雨入渗。通过以上分析综合确定依托工程中 GRS-IBS结构设计方案,如图 2所示。图 2GRS-IBS设计方案Fig.2Designing scheme of GRS-IBS2第 4 期赵建斌,等:加筋土桥台柔性复合结构设计方法岩性主要为第四系全新统冲积(Q4al),含碎石粉质黏土、卵石及奥陶系中统下马家沟组(O2x)灰岩。在大地构造位置上,桥址所在区域处于近南北向构造边缘,未见明显断裂构造形迹。勘察期间工程所在区域未见地表水,钻探深
21、度范围内也未见地下水出露。综上判断,依托工程场地地质条件相对简单,稳定性较好。工程原方案采用重力式桥台,不仅需要较大的施工场地,开挖量大、施工期长,而且通道桥两侧均为填方路基,处置不当极易引起路桥过渡段的不均匀沉降,因此,通过方案比选最终决定采用加筋土桥台,以解决上述工程问题。2GRS-IBS结构设计2.1确定结构尺寸依托工程桥梁为对称单跨结构,全长 8.0 m,两侧桥台完全相同,每侧桥台均由加筋土地基、整体式现浇墙面加筋土桥台及复合引道组成。首先根据工程特点和场地条件确定桥台宽 Ba为 8.0 m,高Ha为 4.2 m。桥台底部长度 Lb是指桥台底部与地基接触面的长度,根据已有工程经验,对于
22、跨度 Ls7.5 m 的单跨桥梁,Lb不应小于 0.3Ha,且不应小于1.8 m10-11。由于工程需要开挖桥台形成工作面,Lb取值太小不利于大型机械设备就位施工,因此确定Lb为 3.6 m。桥台顶部长度 La则可根据桥台后部边坡在保持自然稳定条件下的放坡开挖线确定,在受场地条件限制时,可适当调整坡率并增加边坡防护措施,以保证桥台施工的安全性,但 La不应小于0.7Ha。该工程地质条件较好,且桥台高度不大,桥台后部边坡采用两级台阶垂直开挖,以减少后期台背回填量,同时,考虑到桥台应有足够的加筋长度,综合分析后确定 La取 4.6 m。加筋土地基厚 1.6 m、长 15.0 m,完全覆盖整个基坑底
23、部,以满足结构地基承载力的要求。条形基础高0.4 m、宽 1.0 m,位于加筋土地基上方,直接支撑上部整体式现浇墙面。GRS-IBS 结构加筋间距不得大于 30 cm3,10,该工程取 20 cm,在桥台顶部承载区的主筋之间设置短筋加密,以支承桥梁上部结构传递的附加荷载。承载区高度应不小于 5 倍主筋布设的垂直间距,短筋布设长度应超出桥梁面板端面以外 1.0 m。因此,该工程承载区高度和长度分别取 1.0、3.0 m,桥梁上部搭接长度 l 取 1.0 m。桥梁上部搭接区域与桥台面板之间预留一定的伸缩空间,用聚苯乙烯垫块填塞,预留宽度至少为 20 cm。同时,桥台面板顶部距离桥梁面板底面预留不小
24、于 10 cm 的净空距离,并填塞塑料泡沫块作为伸缩缓冲带,以避免桥梁 上 部 结 构 荷 载 直 接 作 用 于 桥 台 面 板,导 致 其破坏。路桥过渡段由土工织物返包式加筋土填筑,加筋间距同样为 20 cm。返包端面与桥梁面板端面紧密衔接并平滑过渡,尤其要保证该端部填土的压实性,以使接触部位尽量达到变形协调。引道另一端延伸至切坡面以外一定距离,以覆盖加筋土结构与原有坡体之间的交界,防止降雨入渗。通过以上分析综合确定依托工程中 GRS-IBS结构设计方案,如图 2所示。图 2GRS-IBS设计方案Fig.2Designing scheme of GRS-IBS3第 45 卷土 木 与 环
25、境 工 程 学 报(中 英 文)2.2结构设计验算2.2.1承载力验算GRS-IBS 结构主要承受桥梁上部结构荷载和台背土压力。桥梁上部结构采用单跨 8.0 m 装配式混凝土简支空心板,设计荷载为公路-级。根据公路空心板桥标准通用图集说明,在恒载和汽车荷载作用下,单块板板端支点最大反力 Qb约为 250 kN(边板)。单块板宽 b 为 1.0 m,板端搭接长度 l 为 1.0 m,可按式(1)计算得到桥梁结构荷载 qb。qb=Qbbl=250 kPa(1)与传统加筋土挡墙主要承受侧向土压力荷载不同,GRS-IBS 结构还要承受上部桥梁荷载,结构承载力计算原理相对复杂,目前,还没有合适的理论计算
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