GRS-IBS结构设计要点及结构稳定性分析

胡富平，申铁军，李逢源，郭海燕

(山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030006)

1 GRS-IBS结构组成

GRS-IBS桥台指土工合成材料加筋柔性桥台，主要包括加筋土地基、加筋土桥台、桥头引道，加筋土桥台是该复合体结构的核心，由压实填料和小间距布置的土工合成材料分层交互构成，桥梁结构可以直接安放在加筋土桥台顶部。从本质上讲，加筋土桥台是小间距加筋土挡墙作为桥台结构的应用，因此主要由加筋材料、回填土和面板三部分组成。

2 GRS-IBS设计要点

2.1 桥台结构设计要点

(1)根据工程特点和场地条件确定桥台结构物的平面布置范围及其它重要尺寸，具体为桥台高度、底宽、加筋地基宽度、厚度等。

①桥台高度。设计路面标高与基底标高之差，再扣除沥青路面厚度、桥梁面板厚度及加筋地基厚度。

②桥台底宽。是指加筋桥台结构物底部与加筋地基接触面的宽度，包括面层厚度。对于跨度Ls≥7.5 m的单跨桥梁，Bamin=max{1.8 m，0.3Ha}；对于跨度Ls≥7.5 m的单跨桥梁，Bamin=max{1.5 m，0.3Ha}。

③加筋地基厚度。加筋桥台需设置于人工换填的加筋地基之上，以提高地基承载能力，并减少结构物的总沉降量；换填厚度≥0.25Ba，具体由工程师根据工程特点及下卧层条件等综合确定。

④加筋地基宽度。加筋地基的处理范围应至少超出桥台底面以外0.25Ba的宽度，即Bf≥B+0.25Ba。当加筋桥台结构位于河岸地段，应将桥台底面置于计算冲刷线以上。

(2)确定加筋长度和间距。

①若受场地条件限制，放坡空间有限，桥台底部一定高度范围内加筋长度取L1=Ba，顶部加筋长度取L1≥0.1Ha，中间部分的加筋长度顺着切坡逐渐从Ba加长至0.7Ha(即满铺)。

②若场地条件宽余，结构物后缘宜缓于1∶1放坡，此时桥台底层加筋长度仍取L1=Ba，并在一定高度范围内逐渐加长满铺；其它部位的筋材则分区域等长(L1≥0.7Hi)布置，(即无需处处满铺)。

③整体式柔性加筋桥台结构中，加筋间距不得大于30 cm，具体尺寸根据结构稳定性验算并结合工程经验确定。

④桥台顶部靠近外立面处，应设置短加筋局部加强处理，以支承桥梁面板传递的附加荷载。短加筋的长度至少应超出桥梁面板端面以外0.5 m，处理深度应根据选用的筋材强度按内部稳定性设计要求确定且不小于5倍主加筋间距。短加筋间距(即次加筋间距)一般为主加筋间距的一半。

(3)注意构造要求及各部件之间的节点设计。

①桥梁面板安置于桥台顶面的接触面宽度(搭接宽度，对于跨度乙Ls≥7.5 m的单跨桥梁，bmin=0.75 m；对于跨度Ls<7.5 m的单跨桥梁，bmin=0.5 m。搭接区域与面层单元之间应预留一定的伸缩空间，用砌块无粘接填塞，预留宽度(ab)至少应为20 cm。

②面层顶端距离桥梁面板底面应预留一定的净空距离(de)，并填塞塑料泡沫 块作为伸缩缓冲带。净空距离至少应满足demin=max{0.1 m，0.02 Ha}。

③引道路基由土工织物返包式加筋，加筋间距亦不得大于30 cm。引道返包端面应与桥梁面板端面紧密衔接并平滑过渡，尤其应保证该端部填土的压实性，以使接触部位能尽量达到变形协调。引道另一端应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。

④坡脚防护层应使用坚硬、耐用、棱角或次棱角状块石浆砌码放，不得含有机物、弃土、软页岩或黏土物质等。防护层尺寸及其它防冲刷措施，结合实际工程的特点进行设计或调整。

2.2 桥台结构设计限制条件与遵循原则

(1)限制条件

①桥台结构中，加筋间距不得大于30 cm(原则性条件)，筋材极限抗拉强 度不得低于70 KN/m；桥台结构』般适用于跨度不超过40 m的小型单跨桥梁工程，且桥台高度一般不超过9 m；

②当桥梁跨度超过40 m时，桥台容许承载力设计值不应超过200 KPa；加筋土桥台的竖向应变达到0.5%或水平向应变达到1.0%，认为桥台达 到正常使用功能极限状态。

(2)遵循原则

①加筋土体视为物理力学性质横观各向同性的复合材料(类似于钢筋混凝土材料)，且具有结构自稳能力；在加筋土复合体破坏前，筋材与填土应变协调；

②由于加筋土复合体具有自稳能力，因此面板对桥台的稳定性作用不大，主 要起防护和美观作用；

③面板砌块与加筋材料之间通常采用摩擦连接；加筋土体侧向土压力较小，面板破坏通常表现为与筋材的连接破坏；在填土满足要求的前提下，不单独考虑筋材蠕变问题，筋材蠕变对结构物 长期稳定性的影响在安全系数的冗余量中加以考虑。

3 内部稳定性分析

3.1 桥台承载能力验算

(1)通常应根据加筋复合体缩尺模型的载荷试验结果进行确定，模型试验用的材料应与实际工程应用的材料相同。根据模型试验获得的应力-应变关系曲线，取应变值达到5%时所对应的应力值为桥台的极限承载力。对于有工程经验可以借鉴的桥台结构即填料性质、筋材性质与分布方式、压实方法等相同时，可按工程类比法直接参考已有的应力-应变关系曲线。

(2)当不具备试验条件时，也可按下述经验公式估算桥台的极限承载力。使用该公式的前提是填料必须满足前述质量控制要求。桥台的容许极限承载力则为极限承载力除以一个安全系数(通常取3.5)确定。

3.2 桥台变形验算

(1)加筋桥台的填料为粗颗粒土，其沉降大部分在施工过程中已完成。为有效地 减缓或消除“桥头跳车”问题，桥台的工后沉降应控制在0.5%的变形以内。预计工后变形值可取应力-应变关系曲线中应力值的对应值。下卧层地基土的沉降量可依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)中的相关方法确定，该沉降量应控制在一定范围内，不得过大。

(2)侧向变形的理论计算值根据 “桥台结构体积变化为零”的假设确定。假定竖 向变形为均匀分布、而侧向变形按三角形分布，则侧向变形的最大值为竖向变形 的2倍，因此最大侧向变形值应控制在1%之内。根据工程经验，最大的侧向变形发生在距离桥台顶面1/3Ha的高度位置。

3.3 筋材抗拉验算

(1)根据加筋桥台的受力分析，按最不利工况设计筋材承受的水平向拉力；筋材的容许抗拉强度则由极限抗拉强度除以一个安全系数(通常取3.5)确定；

(2)筋材承受的水平向拉力不得超过容许抗拉强度，同时不得超过筋材变形程度达2%时的容许变形强度；

(3)当不能满足上述条件时，应换用强度更高的筋材或局部短加筋处理，局部处理深度即为原有筋材所受水平向拉力满足上述要求时的深度。短加筋的强度应能满足上述验算要求。

3.4 整体稳定性验算

通常根据加筋土边坡整体稳定性分析理论，由计算软件按圆孤滑动面法或楔形体滑动面法验算，计算稳定系数不得小于安全系数1.5。原型试验表明，加筋土整体式桥台具有良好的力学性能。

4 结束语

结构稳定性验算表明，该种桥台能够消除桥台与连接路基之间的差异沉降，从而为避免多年来公路桥梁行业难以克服的桥台跳车现象提供了可能。