世界首座加筋土桥墩

                      

                     ——谨此献给新中国成立60周年！

                                                                                                   

                                     朱诗鳌

       1.  前言

 

大家知道, 桥梁的桥墩因为要承受桥梁本身的重量和桥上车辆与行人荷载, 历来都是由强度高、耐久性好的砌石体或混凝土建造, 古今中外, 莫不如此。

然而, 在1994年在海南省建成的一座公路桥的桥墩却是用“加筋土”建造的。

加筋土是一个专业术语, 简单地说, 加筋土是由“加筋件”和“土料”组成的一种土体。与不加筋的土料相比, 加筋土的抗剪强度大为提高,力学性能大为改善。加筋土又是一个古老的概念。在古代, 国内外都有采用树枝或芦苇等纤维材料做加筋件的加筋土工程, 如我国的长城在某些部分就是用树枝、碎石和黏土建造的。现代加筋土技术是在上世纪60年代才出现的。上世纪70年代后,人们又广泛采用先进得多的土工合成材料做加筋件, 于是, 加筋土就以前所未有的发展速度应用于岩土工程。如果说, 土工合成材料的应用, 使整个岩土工程“发生了一次最重要的革命”, 那么, 用土工合成材料做加筋件的加筋土, 就是这一革命中的一朵奇葩——现在, 它正生机勃勃地在诸如公路、铁路、水利与环保等工程中绽放。      

海南这座公路桥桥墩的加筋土, 就是用有纺土工织物（土工合成材料的一种）做加筋件的。

 

       2. 工程概况

  

海南这座公路桥距海口市约15km, 位于桂林洋经济开发区主干道上, 如图1所示。公路桥为总跨径23m的双跨装配式钢筋混凝土T型简支梁桥, 路面宽36m。车辆荷载等级为汽车-20级, 挂车-100。本工程除了上述的桥墩采用加筋土外, 桥台和地基处理也采用了加筋土。此外, 还采用了土工织物砂井加速地基排水固结等新技术。因此, 可以说, 这是一项全方位采用土工合成材料新技术的路桥工程, 而其中加筋土桥墩则是史无前例的。

                        

                                     

                                

                                                      图1   公路桥位置图

 

下面介绍本公路桥加筋土桥墩的工程概况。由于桥墩是整个桥梁的组成部分之一, 因而有必要附带介绍与之有关的以及工程全貌的内容。

  

                         

        

          

 

                          图2   公路桥横断面图 （单位：m）

1—   无纺土工织物袋装砂井； 2—粗砂排水垫层； 3—无纺土工织物； 4—碎石层；

5—有纺土工织物加筋土地基（织物层间距离30cm）； 6—有纺土工织物加筋土桥墩上

（织物层间距离22cm）；   7—有纺土工织物加筋土桥台（织物层间距离22cm）；

         8—钢筋网喷浆； 9—素混凝土护底； 10—钢筋混凝土墩帽； 11—钢筋混凝土台帽；

              12—装配式钢筋混凝土T型简支梁桥； 13—橡胶支座； 14—桥头搭板

 

公路桥横断面图如图2所示。

由于桥位下的地层属于第四系海相沉积层, 岩性为淤泥质土, 地基承载力低, 压缩性大, 抗剪强度低, 还存在有中等液化层。经方案比较, 采用了土工合成材料的先进地基处理方法, 而没有采用施工困难、造价较高的传统的桩基方案, 如图3～图8所示。这种地基处理的思路是：1. 用无纺土工织物袋装砂井, 加速软基土层的排水固结； 2. 在孔隙水压力作用下从砂井中向上排出的水, 进入砂井顶部的水平排水层（由砂层、无纺土工织物和碎石层组成）；3. 水平排水层中的水流入其四周的排水盲沟（由无纺土工织物包碎石组成）；4.盲沟中的水由排水竖井收集, 最后用水泵抽走。由于地基排水固结, 结合其上的加筋土层, 使软基得以有效的处理。

                 

                         

  

                                 图3  挖除淤泥地基上部的淤泥层

        图4  埋设无纺土工织物袋装砂井

 

    

     

        图5  在无纺土工织物袋装砂井上的粗砂排水垫层上

          铺放水平排水用的无纺土工织物

 

 

        图6  设置排除地基渗水的排水盲沟

          （由无纺土工织物包碎石构成）

                 

                      

                   

图7  地基排水竖管（钢筋长笼外包无纺土工织物）

 用于收集排水盲沟中的渗水, 并用水泵从中抽出

 

  

    

              图8  地基加筋土施工

 

地基处理完毕之后, 就在其上填筑加筋土桥墩和加筋土桥台。加筋土桥墩和桥台要经过铺放土工织物、下卸土料、整平与碾压等工序, 如图9～图15所示。

 

     图9  地基处理完毕, 桥墩、桥台位置放线

 

    图10  在已处理好的地基上填筑桥墩、桥台

 

      

              图11  下卸桥墩土料

 

 

        

             图12  平整桥墩土料

 

        

              图13  碾压桥墩土料

 

     

         

图14  某层土料碾压完毕, 然后重复进行上面一层的填筑工序

 

   

       图15  桥墩、桥台填筑完毕 

      （外包布用于暂时防止海南强烈紫外线对土工织物的照射,

以后还要用钢筋网喷浆作永久护面）

 

 由于桥下要过水, 为使过桥水流平顺, 减少桥跨水流的侧收缩, 特将桥墩的两端设计成半圆形, 并采用了土工带环的施工方法, 如图16、图17所示。

    

         图16 桥墩端部半圆柱体设计图

 

  

       

          图17  桥墩端部半圆柱体施工

 

            

                         

         图18  吊车起吊安装桥梁

 

本桥梁总计有预制装配式钢筋混凝土T型简支梁桥46根, 每根长11.5m, 重12.7t。由于重量较大, 调用了当时海南最大的100t吊车, 见图18。

3. 工程监测

为监测公路桥的质量, 从1994年4月设点观测到1995年7月一年多的观则测结果如表1所示。从中可知, 其沉降值大大低于规范允许产生的相应值。

 

表1  桥墩、桥台沉降观测值

            

  

 

图19 建成通车后蔡笃文总工(中)和作者(后)在桥面上留影

 

 

     

   

           图20  工程竣工1年之后

公路桥于1994年5月建成通车, 至今已安全运行了15年。实践证明, 土工合成材料新技术在处理桥梁软基是成功的！建造加筋土桥墩是成功的！

 

       

       4. 工程特点 

 

本工程的主要特点是：

● 工程进度快, 施工方便。本工程实际施工时间仅2个月左右, 而用传统的方法至少要3个多月。

● 施工方便。施工以机械化为主, 需用的劳动力一般只15人左右。

● 造价低。整个工程（包括桥跨结构）的造价为210万元, 而用传统方法则需300万左右, 节省30% 。若单计桥墩、桥台与地基处理费用, 则节省50% 。

● 工程质量好。主要体现在：

（1） 从桥墩、桥台沉降观测值很小的结果说明, 加筋土碾压质量好, 地基排水固结效果好, 因而也增强了地基的抗液化能力。

 （2） 加筋土地基的整体性强, 实际上已形成为一种“筏形基础”, 它可以将桥墩与桥台所受的荷载均匀地传到其下的软基。

 （3） 桥墩与桥台同加筋土地基之间有良好的变形协调能力, 因为同是柔性结构, 力学性能也相同。

  (4)  耐久性能好, 使用寿命长。土工合成材料本身的使用寿命就可达80_~120年。对土工合成材料加筋土来说, 情况更加乐观,因为随着使用时间的延长,土料本身的抗剪强度也随着有所提高。

 (5) 具有超级抗震性能。土工合成材料加筋土这种柔性结构(相对于砌石或混凝土刚性结构) 具有极好的抵抗地震波作用。从1995年日本阪神地震(震级7.2级)调查发现, 加筋土工程的抗震性最好; 而在1966年我国邢台地震(震级6.9级)时, 连井柱桩“桥墩”也遭受到了地震的破坏。可见, 在地震多发的我国, 采用土工合成材料加筋土桥墩(包括桥台) 有着重要意义。

● 全方位使用了土工合成材料。使用的部位除主要在桥墩、桥台和地基加筋土外, 还有袋装砂井、水平地基排水、水平排水盲沟、排水竖井、桥台坡面排水、桥下进出口处软体沉排。此外, 还使用了土工带。

 

5. 工程说明

  

本桥梁工程由海南省农垦设计院设计, 桂林洋农场建设总公司施工。当时设计院院长苏洪涛和总工程师蔡笃文对工程采用土工合成材料新技术给予了极大关心与鼎力支持。特别是蔡总, 在整个施工过程中, 精心指挥, 精心运筹, 与工人们一起风餐露宿, 为工程顺利竣工作出了可贵的贡献。作者作为设计者, 也参加了紧张的工程施工, 那些极富创意又激动人心的日日夜夜, 终生不忘。

  

       6. 工程评价

   

这一桥梁工程竣工后, 中国土工合成材料工程协会在1995年第70期《土工合成材料科技通讯》上以《堪称世界之举》为题作了报道：“……用加筋土方案修筑了独立的且过水的桥墩, 创下了世界罕见之举。该工程经过一年多的运行和观测, 情况良好, 完全符合设计意图及要求。整个工程设计严密, 考虑问题细致周到, 充分发挥了土工合成材料的优越性, 表明了设计者在掌握土工合成材料方面有较深的造诣, 也表明了设计者有敢于实践和创新的精神, 这是很值得大家学习的。”

我国资深的土工合成材料专家、北京工业大学教授王正宏对本工程的评价是：“本工程采用的技术先进, 质量可靠, 施工工期与劳动力均显著减少, 经济效益明显, 其样板的作用定会创造出可观的社会效益。该工程的成功建成不仅对于海南省, 就是对全国进行这种新技术的开拓与发展, 都将起到示范作用。”

中国土工合成材料工程协会原秘书长、高级工程师王育人对本工程的评价是：该工程“是通往工农业经济开发区的重要交通枢纽, 是很具有政治、经济意义的。这说明设计者有一个先进和开拓的思想, 有一个勇于实践的精神。”“采用加筋土做为正式桥墩, 这在国内外都是罕见的。”

   

       7. 工程对比

  

在本工程之后，在日本福冈市也建成了一座加筋土桥墩, 它与本工程不同之处是：

● 它支撑的是临时性铁路桥, 本工程是永久性公路桥；

● 它的加筋件是土工格栅(这是另一种土工合成材料),与本工程所用的有纺土工织物相比, 强度较高、变形较小,但价格较高；

● 它的填料是级配较好的碎石, 而本工程为价格较低的土料；

● 它的地基也是软基, 用传统的水泥加固法处理, 而本工程是用先进的无纺土工织物袋装砂井和有纺土工织物加筋土处理；

● 它是1997年8月正式投入运行的, 比本工程晚了3年。

这两座桥墩都是土工合成材料新技术应用的成果, 都取得了成功。

在中国土工合成材料工程协会的一篇题为《两个加筋土桥墩给我们的启示》的报道中还带总结性地指出：在两国各自的论文中“都提到了经济效益和工效（高）, 因此我们就更应考虑去发展它”。

 

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