土工合成材料加筋土柔性桥台研究现状

朱 晨，蔡晓光，黄 鑫，李思汉，徐洪路

（1.防灾科技学院 地质工程学院，河北 三河 065201；2.防灾科技学院 中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室，河北 三河 065201；3.中国地震局工程力学研究所 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引言

加筋土的技术应用广泛，在公路、铁路、桥梁、边坡等工程的支护中具有重要作用。桥梁系统中使用土工合成材料加筋土（Geosynthetic Reinforced soil，以下简称GRS）桥台代替传统桩基础桥台已有大量运用，因为需要对中小型单跨（跨度为21～30 m）桥梁替换和修复，美国联邦公路局（FHWA）提出了针对中小型单跨桥梁的土工合成材料加筋土柔性桥台复合结构（Geosynthetic Reinforced soil-Integrated Bridge System，以下简称GRS-IBS）［1－2］，这一结构在美国已运用于44个州超过250座桥梁系统。结构（图1）主要包括：桥梁、引道、垫层、墙面、土工合成材料复合体（以下简称GRS体）、地基。其中主要承重结构GRS是力学加固土（Mechanically stabilized Earth，以下简称MSE）的一种，因为GRS更小的加筋间距和更高的填料压实度（加筋间距≤30cm和填料的压实度≥95%）使得GRS比MSE可以承受更大的竖向荷载成为桥台。可以让上部桥梁通过垫层直接作用于GRS体的顶部与引道无缝衔接。此结构具有占地少、工程造价低、施工工期短、可以有效减少桥头跳车问题等优点，吸引了许多学者的关注。

日本是地震多发的国家，对于加筋土技术抗震方面具有较多研究成果，Fumio Tatsuoka［3－4］在美国GRS桥台的基础上研究并开发的全高刚性面板（Full height rigid face，以下简称FHR）加筋土桥台具有高强度，抗震性能优越等优点，显著减少局部变形与沉降，且列车等疲劳荷载对其影响几乎忽略不计，大大降低其维修成本。其在施工时，通过先做柔性返包体，后做刚性面板的分序施工，显著减小挡墙的工后变形，有利于限制加筋体的局部变形。欧洲设计师Stanislav lenart吸取了两种结构优点，设计了位于欧洲斯洛文尼亚东北部的巴浦洛夫斯基波托克河桥梁系统［5－6］，建设了欧洲第一座刚柔组合式土工合成材料加筋土柔性桥台复合结构，这种新型结构汲取了美国、日本桥梁系统的优点。改用日本FHR式面板桥台替换了美国GRS-IBS中大量采用的模块式面板桥台，弥补了模块堆砌仅靠摩擦连接容易变形的缺点。

GRS-IBS在美国、日本、欧洲已有实际工程应用，但国内未见过此类工程应用的相关报道，且研究相对匮乏。本文通过整理研究现状，探讨土工合成材料加筋土柔性桥台在工作性能方面的研究不足，为土工合成材料复合结构在我国推广应用提供参考。

1 理论研究

美国积累了10多年的GRS桥台工程经验，已经有了一套具有很高参考意义的设计方法，但国内尚无土工合成复合材料加筋土桥台设计，皆按传统加筋土挡墙设计方法进行设计。有学者指出了MSE与GRS的设计方法应该区别设计，前者加筋材料被认为是一个连接构件，即一个在土体中抵抗拉力的拉力构件［7－8］，而后者加筋材料被认为是改善土工合成复合材料的刚度和强度［9］。现有GRS桥台主要根据FHWA指南［1］设计，设计方法主要包括内部稳定性计算、外部稳定性计算和整体性稳定计算。内部稳定计算包括桥台承载力计算、所需筋材强度、预估侧向位移。承载力计算主要为两种方法：（1）考虑到GRS的加筋间距和填料压实度的特性，Wu［10］指出墙背土压力的计算方法应是仓压理论（Bin pressure）是一个关于加筋间距的函数，即分层计算加筋土挡墙的墙背土压力，而不是整体墙高。并根据Yang和Long的理论提出了GRS体作为承重结构时极限承载力公式，是一个关于土体粒径、土体强度和加筋间距的半经验公式。（2）Adams的经验方法基于特定填料、加筋材料组合的土工合成材料复合体性能试验中获得确定的垂直应力－应变关系来预估此特定组合填料、加筋材料桥台极限承载力。所需筋材强度根据Boussinesq方法估算各层侧向土压力，并与加筋间距的乘积所得最大筋材强度。预估侧向位移方法假设体积应变为“0”，根据顶部沉降预测侧向水平位移。外部稳定性计算和整体稳定性计算都采用极限平衡法计算，与加筋土挡墙的设计方法无大区别，仅在安全系数上略有不同。

此外也有学者对静力设计方法给予了评价和改进，如同济大学徐超教授［11］认为Wu所提出的极限承载力公式并未考虑粒径小于10mm的细颗粒土，对此公式进行了重新评估，并提出了一种分析GRS体极限承载力的新模型。Erin K.Phillips［12］使用FHWA简化程序计算法、简化程序与Kr／Ka调整法、K刚度法、NCHPR GRS法和FHWA GRS-IBS法共5种设计方法计算极限抗拉强度，并与现场监测和试验数据进行对比，评价了5种计算方法在巷道、桥梁荷载下不同方法的预估准确性。Khosrojerdi Mahsa［13］对FHWA法、Jewell-Milligan法、Geervice法、CTI法、Wu法和Adams法共6种GRS墙体及桥台横向变形预测方法的保守性、适用性、准确性3个方面进行了评价。

关于GRS桥台的静力设计方法国外已有较为完善的设计方法，但关于GRS桥台的动力设计方法国内外尚无较为成熟的设计方法。

2 试验研究

目前对于GRS桥台的静动力试验研究主要分为3个方面：现场试验、小型码头试验（Minipier testing，以下简称PT试验）、模型试验。

2.1 现场试验

现场试验作为一种研究方法，其研究结果可以真实反映研究对象的工作性能，通过获取定期或实时定量数据，并将数据转化为有用信息，对分析研究对象有至关重要的作用。

Abu-Hejleh等［14］对采用GRS挡墙作为桥台支撑的Founders／Meadow桥台进行监测，评估该结构在公路荷载作用下的变形响应，短期与长期的工作性能都较好，表明了GRS墙可以用来支撑桥梁和引道。世界上第一座GRS-IBS结构Bowman公路桥坐落在美国俄亥俄州，Adams等［15］对其进行了为期3 a的现场监测，结果表明，桥梁工作性能良好、沉降较小、桥面和引道无明显差异沉降，证实了GRS-IBS结构确实可很好地解决桥头跳车问题。Abu-Farsakh等［7］对路易桑那州Maree Michel桥台进行了短期的监测，研究沉降、侧向位移、土压力分布规律和筋材应变规律，得出了沉降70%是因为地基沉降，桥台自身沉降仅为30%；侧向位移、筋材应变均小于规范值；土压力符合仓压理论。Saghebfar等［16］在建好的Maree Michel桥上进行了16组超载现场试验，通过超载车辆在驶入桥内不同位置时监测沉降、侧向位移、土压力分布规律和筋材应变规律，发现超载对于桥台沉降、侧向位移、土压力影响不大，但对于筋材轴向应变的影响较大。Talebi等［17－18］对Guthrie Run桥进行了长达2年的现场监测，并研究了温度对于桥台工作性能的影响，研究了垂直土压力的分布规律，发现温度与桥头引道侧向土压力的影响成正比，但不会出现桥头差异沉降和桥头裂缝；桥台侧向土压力变化幅值与温度循环次数成反比；总体来说温度对GRS-IBS桥梁系统影响不大。

表1为美国一些学者［19－25］对于GRS-IBS的现场监测结果统计，沉降最小1mm，最大53mm，侧向位移最小1mm，最大48mm，整体来说表现良好，支持了Adams等［21］的研究结论。

表1 GRS-IBS桥台沉降及侧向位移Tab.1 Settlement and lateral displacement of GRS-IBS abutment

根据现场监测的结果，沉降与墙高的比值、侧向位移与墙高的比值小于FHWA（2012）的0.5%、1%的规范值，GRS桥台在静载和超载的工作性能表现良好，可以有效解决桥头差异沉降问题。

2.2 PT试验

PT实验是美国联邦公路局特纳费尔班克公路研究中心（Turner-Fairbank Highway Research Center，以下简称TFHRC）提出，建立多个关于加筋强度、加筋间距、填料压实度等影响因素组合的小型桥墩，通过加载试验，预测GRS桥台工作性能的研究方法。

图2 现场监测Fig.2 On-site monitoring

图3 PT实验Fig.3 PT experiment

TFHRC［26］研究人员共搭建了19个不同填料、加筋、面板组合桥墩，进行了一系列的加载试验，肯定了PT试验可以用来模拟特定GRS体的负载变形行为，且具有可重复性。得出了以下结论：

（1）GRS复合材料的荷载－变形关系取决于几个参数，包括施加预应力、填料摩擦角、压实度、承载区加固和模块面板。施加预应力后试件的抗变形能力变大，圆形填料填筑的试件要比角砾填筑的试件抗变形能力低，填料未经压实的试件抗变形能力远低于填料压实的试件，承载区的布置可以提高试件侧向抗变形能力但竖向影响不大，有模块面板的试件比无面板的试件抗变形能力要更大。

（2）PT试验结果进一步区分了骨料选择对GRS行为的影响。级配不良和级配良好的骨料都可以作为GRS体的填土。填料级配良好的试件在抗变形能力上要大于填料级配不良的试件。

（3）通过对比一系列不同筋材强度、加筋间距的PT试验，研究了加筋强度与间距对承载能力的影响。试件的竖向承载能力随着加筋间距的增大而有所减小，在相同筋材强度和加筋间距二者比值下，提高1倍筋材强度和增大1倍竖向间距使得承载能力下降至原来的0.6倍和0.9倍。

（4）PT试验为设计人员提供包括加筋强度、加筋间距、填料压实度等参数组合GRS体的应力－应变特性，可以为FHWA（2013）中桥台极限承载力的经验法提供参考。

（5）根据破坏的16个桥墩，以及其他文献中试验数据，对GRS承载力方程进行可靠性分析。

Adams、Michael等［27－28］进行PT试验，支持了上述关于加筋间距可以减少垂直沉降和增加强度的研究结果，并且发现采用双向加载，可以更好地达到平面应变条件。在平面应变中，PT试验小型桥墩的容许沉降与相同GRS桥台容许沉降二者的比值在15%至20%范围内。根据弹性理论，GRS桥台刚度可能比GRS小型桥墩试验高3倍。Iwamoto等［29］做了4个小型桥墩在研究竖向沉降，侧向位移，承载力的同时，还考虑了侧向土压力，并指出了GRS、MSE、未加固土三者的摩尔－库伦包络线并不平行，前两者摩擦角小于未加固土的摩擦角，且减小加筋间距可以显著提高土体内部黏聚力和承载能力。Nicks等［30］、Wu等［31］的研究结果也在一定程度上支持了TFHRC的研究结果。

PT试验研究了荷载大小、填料摩擦角、压实度、有无承载区加固和模块面板等参数对于桥台极限承载力的影响，有效评估了GRS体在桥台中极限承载力。但现在的桥台形式多样，GRS体的特定组合不能满足所有桥台的极限承载力评估。

2.3 模型试验

模型试验是通过模型相似比设计，来模拟原型的研究手段。它可以有效地解决一些现场试验的局限性，多用来分析不同参数影响。

图4 三维桥台模型振动台试验（Zheng，2019）Fig.4 Shaking table test of three-dimensional abutment model（according to Zheng，2019）

GRS桥台已经有了大量现场试验以及PT试验研究，虽然这些研究表明GRS桥台具有良好的工作性能，但对于室内试验通过控制变量法来评估系统中不同设计参数影响的研究还较少。徐超等［32－33］通过建造3个二维的桥台模型，对比分析GRS结构和MSE结构在同一工作荷载条件下的性能，得出了GRS结构的优异性，在更小的加筋间距条件下，GRS结构表现出相对较好的复合特性，并通过实测值与理论值对比，评价了GRS结构与MSE结构侧向位移和筋材轴力的计算方法。最后对GRS-IBS进行了平面应变振动台试验研究，考察了不同加筋刚度和间距组合对GRS-IBS抗震性能的影响。试验结果表明，与增加加筋刚度相比，减小加筋间距更有利于减小混凝土梁桥台的地震作用。肖成志等［34－35］制作了尺寸较小的多个桥台模型，并改变基础偏移距、面板连接方式、加筋间距3个影响因素，测量沉降、位移、土压力及筋材应变，进行了3个影响因素的敏感性分析，得出了上部基础的最佳偏移位置和破裂面的形式，还通过施加循环荷载模拟了公路疲劳荷载对桥台工作性能的影响。

但桥台作为两侧并不是无限延长的结构，在二维平面应变条件下不能准确反映桥台的真实工作状态，为此Zheng等［36－37］搭建了4个采用单向土工格栅、填料级配良好、模块式面板相似比为1∶2的三维GRS桥台模型，通过监测桥台的3个阶段（填筑期、完成期、加载期）的竖向沉降、侧向位移和土压力，来分析上部荷载大小、加筋间距、加筋强度3个因素对于工作性能的影响。并在1 g振动台上测试了4个桥台在桥梁系统中的动力响应。得到了以下结论：

（1）桥台模型均发生侧向位移，位移随高度的增大而增大，最大位移发生在墙顶位置。随着峰值水平加速度的增大、加筋竖向间距增大、加筋刚度减小、附加应力减小、前墙最大位移增量和残余位移普遍增大，侧墙位移增量较小，但趋势相同。在振动过程中，位移最大值在振动后会大幅回复，顶部最为明显。纵向上的振动使侧墙在横向上产生了显著的面位移，表明了桥台试件的多重变形响应。

（2）桥台沉降在加载后立刻发生，随超载应力增大、加筋竖向间距增大和加筋刚度减小而增大。桥台残余沉降随水平峰值加速度增大，加筋竖向间距增大，加筋刚度减小，超载应力减小而增大。且桥台残余沉降量越大，残余桥面位移越大。

（3）振动前，墙后最大竖向和最大侧向土应力的实测值一般接近或小于AASHTO静载法计算值［38］。振动后，由于墙面板附近回填土失去支撑，竖向和侧向土应力一般小于AASHTO［38］的静载计算值，并且随振动而增大。

（4）加固区和非加固区中均方根（Root-mean Square，以下简称RMS）加速度比随着桥台的高度近似线性增加，随着加固间距的增大、加固抗拉刚度的减小以及桥梁的附加应力和惯性质量的减小而减小。RMS加速比表明，桥座与底部一起移动，而桥梁加速度响应最大。

（5）在连续振动下，对于较低的加固层，拉应变发生在桥面砌块连接处附近，对于较高的加固层，拉应变发生在桥座下方位置。与面板残余位移规律相同，拉应变随水平峰值加速度增大、加筋竖向间距增大、加筋刚度减小以及超载应力减小而增大。

（6）桥梁与桥座在振动过程中发生相对位移。在Northridge地震波输入下，桥座与桥梁无沉降差异，二者产生压力。其中上附荷载小的试件压力大，桥梁的RMS加速度比最大，桥梁的惯性质量最小。

通过现场监测能得出GRS桥台在静载和过载下的工作性能，而振动台模型试验作为GRS桥台动力响应的主要研究手段，在国内外开展的较少。对GRS桥台的动力响应以及抗震设计方法还有待研究。

3 数值模拟

数值模拟是利用有限元法对工程进行模拟，可很好地弥补试验在造价、耗时、精准模拟原型上的局限性。

Helwany等［39］通过对比Founders／Meadows桥台实测数据验证了DACSAR软件数值模拟的准确性，并分析了填土性质对于桥台沉降和变形的影响，研究表明，GRS桥台对于解决桥头差异沉降具有良好效果。Wu等［40］通过一系列有限元分析，研究了基础类型、基础宽度、土体刚度／强度、加筋间距、基础刚度对GRS桥台容许承载能力的影响。在分析研究结果的基础上，根据极限位移准则和极限剪切应变准则，结合作者对GRS墙和基台的使用经验，确定了GRS基台的使用承载压力。并且还提供了确定承载力的推荐设计方法。虽然二维的设计方法在GRS桥台轴力方向的加筋布置已被广泛运用，但桥台的非轴力方向的加筋布置也需考虑，三维模型的边界效应可能对于侧墙的设计产生影响。Rong等［41］利用有限差分程序FLAC3D对桥台分段施工过程中的三维变形行为进行了数值模拟，上部桥梁搭建后，桥台前墙和侧墙均发生了显著的水平位移，且在前墙顶部和侧墙顶部均产生最大水平应力。Zheng等［42－43］利用FALC3D软件采用摩尔－库伦模型和邓肯张双曲线关系对回填土建模，采用索单元和梁单元对土工织物进行模拟，采用具有摩擦滑动能力的回填土、土工合成材料、面层砌块和桥梁构件之间的各种界面进行建模，并采用临时施加均匀附加应力的方法模拟了压实过程，对在静载条件下GRS桥台进行了数值模拟。分别模拟了Founders／Meadows桥台和bowman桥梁系统，得出关于沉降、位移、土压力、筋材应变和桥梁对桥台的影响等规律。并在此基础上进行影响桥台工作性能因素的敏感性分析。

Khosrojerdi等［44］模 拟 了Bathurst等［45］对3座GRS墙体进行的全尺寸试验，通过对比侧向位移的数值结果和试验结果，验证了数值模型预测在施工结束时和超载荷载作用下的侧向位移的正确性，建立了关于桥台几何形状（高度、面板面层和基础宽度、回填体摩擦角、加固特性（刚度、间距和长度）以及50～400k Pa的静态荷载的非线性方程，用来预测刚性面板桥台的侧向位移，并通过大量实验数据验证了其方程的可行性。Murad Y［46］研究了桥台高度、桥梁跨长、加筋间距和加筋刚度对GRS-IBS性能的影响。对GRS-IBS的侧位变形、内部加筋应变分布以及在使用荷载作用下潜在破裂面（最大应变点）的位置等方面进行了性能评价。Shen等［47］研究了桥面荷载下GRS桥台的垂直、侧向土压力和筋材的最大应力的规律，并对加筋间距和刚度、桥座宽度和放置位置、梯形和均匀两种加筋布局进行了参数影响分析，得出了梯形和均匀分布两种加筋布局的桥台具有相同的规律，且在不改变刚度和加筋间距比值的情况下，加筋间距和刚度的不同组合产生了相似的分布。随着深度的增加，筋材拉力最大值随着加筋间距的减小成比例的减小。增加桥座的宽度和放置距离会使桥台上部加筋区的垂直应力增大，但筋材的拉力会减小。

数值模拟主要研究了包括加筋间距、加筋刚度、土体参数、桥座尺寸、放置位置和桥台三维效应等一系列参数对桥台工作性能的影响，其中加筋间距是影响桥台沉降、侧向位移和承载能力的最主要因素。

4 结论与讨论

土工合成材料加筋土柔性桥台复合结构在现场检测下工作性能良好，可以有效减少桥头跳车问题，随着我国公路桥梁的建设与更新换代，土工合成材料加筋土柔性桥台具有良好发展前景。虽然国外已有大量研究与应用，但国内相关研究尚少，且还有以下问题亟待解决：

（1）桥台设计方法。国内对于土工合成材料加筋土桥台还使用MSE挡墙的设计方法，但国外研究已证明，GRS桥台需与MSE挡墙进行区别设计。国内尚无对GRS桥台的设计方法及构造措施，急需设计理论指导工程实际。

（2）桥台地基处理。GRS-IBS结构在长期的监测中，有70%的沉降来自于地基基础沉降，只有30%来自GRS体压缩，如何正确选择合适的地基处理方法是解决桥台沉降的重要问题之一。

（3）承载力因素研究。在GRS-IBS结构中上部荷载直接作用在GRS体的顶部，对于其承载能力有实例表明超过国外规范规定的200kPa，其极限承载力及其影响因素还需进一步探讨。

（4）桥台面板。因为GRS桥台不同于MSE桥台的特性，使得对于其面板是作为结构元素还是装饰元素尚无定论。且面板形式纷繁复杂，如模块式面板、整体式面板、FHR式面板等，探究面板元素对于桥台性能影响具有重要工程价值。

（5）抗震性能。国外GRS桥台在桥跨和交通荷载的现场监测表明，桥台的静力表现良好，但对于GRS桥台在动力荷载下的表现研究较少，抗震性能还需进一步研究。

（6）桥梁体系内的影响。GRS桥台不同于GRS挡墙，其上部有桥梁结构及引道，两侧则有翼墙结构。GRS-IBS桥梁体系中各构件之间相互作用研究以及结构三维效应研究需要展开。