Increased_Use_of_MES_Abutments翻译

MSE(加筋土)桥台越来越多的使用摘要：加筋土结构于1971年引进到了美国。

最初主要用于挡土墙，很多早期结构主要用于铁路、工业结构和公路桥梁等重型荷载和集中荷载的工程。

加筋土的成功应用，形成了一个有竞争力的系统、诞生了一个通用名新名字 - 加筋土（MSE），并孕育一个新的行业。

尽管最初一些桥梁工程师很不愿意接受加筋土结构，而现在加筋土已经得到很广泛的实践应用。

在美国，采用该技术的桥梁已经超过了1000座。

引言：加筋土(技术)是由法国工程师兼建筑师Henri Vidal于1957年发明的，1963年他最早发表了其关于加筋土方面的研究成果。

在经历了实践工程师们的短期怀疑之后，第一座（基于该技术的）重大结构于1967年建成。

这种新型专利技术通用、经济，因此在19世纪70年代初期得到了广泛应用，并快速传播到世界各地30多个国家。

1971年，在美国联邦公路局(FHWA)的邀请下，Vidal将他的技术引入美国，用以解决一项滑坡难点问题。

在联邦公路示范工程财务支持的激励下，各州建立了更多的加筋土结构，例如，在山区建立了滑坡支墩（扶壁）和滑坡修复墙，还有桥肩，高挡土墙，以及在一个倾斜陷穴区建立了基础加强板。

从这些早期实践经验人们认识到，这种材料有其独特的高强度和适应性，可以用于承受重型荷载，甚至在临界地基条件下也可以使用。

除了所有可想到的对挡土墙的应用，早期加筋土结构用于支撑采石和采矿车重型荷载，并用于承受库柏E-80铁路荷载。

最早的加筋土桥肩分别于1969年和1974年建成于法国和美国，这种桥肩才是真正的“桥肩”，因为这意味着位于扩展基础梁座上的桥梁直接承受加筋回填物传来的荷载(相比之下，混合桥肩需要一排桩来支撑梁座)。

法国的第一座真正的桥肩跨径为250英尺，而美国的第一座真正的桥肩跨径相对要小些，为70英尺。

加筋土作为一种典型的成功应用的新技术，发展出了一个有竞争力的系统，到80年代初期诞生了一个新的行业。

一个通用的名称“Mechanically Stabilized Earth”，通常简写为MSE，被创造出来。

在20世纪末期的20年里直到现在，加筋土结构的应用得到了迅速发展。

现如今，在美国有好几家公司都为高速公路、工业、军事、林业、商业和住宅应用提供加筋土结构的设计和供应服务。

为了更好的理解加筋土桥肩的机理，有必要对其材料和性能进行更深入的讨论。

加筋土的基本机理：正如McKittrick在1978年所说的那样，“Vidal已经对加筋土的基本机理有了很好的理解，并且在其早期的出版物中作了很好的解释。

图1-预应力图的基本原理简化后的加筋土基本机理可用图1来说明。

如图1a所示，对颗粒材料试样施加轴向荷载，会导致致密材料产生横向膨胀。

由于膨胀，其横向应变大于轴向应变的二分之一。

然而，如果在土体中加入无伸展性的横向加固元素，如图1b所示，这些加固物会由于加固元素与土体间的摩擦作用而防止横向应变的发生，其性能就如同在加固元素上施加横向约束力或荷载。

施加于土体上的等效横向荷载与静止土压力(Kosv)相等。

每个土体单元上都作用有一个等于Kosv的横向应力。

因此，当竖向应力不断增加时，横向约束应力或横向力也随之成正比例增加。

”因此，加筋土是一种复合材料，它将经碾压的粗粒回填土的压缩性和剪切强度与横向无伸展性的加固材料的抗拉强度相结合。

在实际工程中，施加于加筋土结构上的超载越大，加筋土材料的强度越大。

因此，理解加筋土的基本机理以及其合成的固有强度和适应性，再加上另外的面层系统，这种复合材料很适于在桥肩和其他重型荷载结构中应用。

在30多年中，这种由面层、加固材料和粗粒回填物组成的复合材料在越来越多的桥肩和其他结构中得到了广泛应用，性能良好。

材料：面层-最初被假想成“皮肤”，加筋土结构的面层在物理上和视觉上作为整体结构的前部，使局部水土得以保持并提供了加筋体层之间的连续应力。

法国早期的加筋土墙和桥肩确实有面层，其面板为0.12英寸、镀锌的轧制型钢，高1英尺，长33英尺，横截面为椭圆形。

这样的面板也同样用于1971年美国巨大山崩修复的加筋土墙中，以及洛杉矶附近天使国家森林公园39号公路的护壁结构中。

使用至今，这种结构证明了加筋土结构中镀锌钢板的持久性。

预制混凝土面板由70年代初引进，使建筑过程变得简单、快速，应用范围也很广泛，早期大多数曾经被联邦公路局定为示范工程结构，一直到现在，还是业主、工程师和建造家的选择。

方形、矩形和独有的形状，作为加筋土墙的工业标准，被广泛用于堤防支撑、桥梁和公路的沿坡道以及很多非公路的应用中。

加筋体-加筋土的加筋体有两种：不可拉伸的（钢材）和可拉伸的（聚合物）。

不可拉伸的钢筋可以是平的钢筋条，也可以是焊接钢筋网，均经过高温镀锌（除临时建筑外）。

由于不可拉伸的加筋体在设计承载下不能拉伸变形，因此它们一般是公路结构，尤其是桥肩等重要结构中的首选材料，因为在这些结构中，变形控制对上层建筑和桥肩中性能表现是很关键的因素。

不可拉伸加筋体在加筋土桥肩结构中已经成功的使用了35年，与此同时，研究能够在桥肩应用中性能有保证的可拉伸加筋体的工作正在进行中。

相比之下，可拉伸的加筋体可以拉伸，在加筋体中的应变往往等于在土体中的应变，并伴随着保留回填和面层相当大的横向位移。

非常适合于应用在加固边坡、基底加固、阶段建设和挡土墙顶上填土的临时围墙，以及模块化的盖面砌块中。

可拉伸加筋体主要用于商业和住宅这类对固件延伸并因此而导致横向变形可以容许的应用中。

粒状填料-根据美国公路桥梁设计规范中路桥标准技术规范要求，用于加筋土结构中的填充材料为颗粒状，最大尺寸4英寸，细料含量低于15%（见表1）。

其他如塑性指数（PI）、内摩擦角、固性和电化学性质也给出了规定。

一些州根据其本地的材料特性，在等级限制和减少细料含量方面有所改变。

表1-美国公路桥梁设计规范中的等级限制（注：表格原件）在80年代早期，联邦公路局对加筋土墙的规范中，细料含量最多允许到25%，美国大量的结构是根据此规范来建造的。

然而，质量控制是一个大的问题---许多填料明显的超出了25%的限制，导致承包商需重新调整墙的面层。

因此，为了减少因填料变形引起的墙变形，等级极限有了更多的限制，这些限制在今天仍然有效。

MSE结构性态桥梁的设计使用年限可能多达100年，这要求桥梁的所有结构构件都需具有预估的性能。

桥梁选用加筋土工结构或其它MSE体系时，工程师需确定其所选用的材料在桥梁的设计使用年限内的适用性和性能可测性。

MSE结构具有明确的固有强度与柔性变形性能，且已有成熟的设计方法。

但我们还需确定其服役寿命(使用年限)，沉降及抗震性能。

使用年限——MSE结构的使用年限定义为土体中加筋体的工作拉应力小于或等于其许用拉应力的时间段。

一般而言，MSE挡墙的设计使用年限为75年，而桥台与桥墩的设计使用年限为100年。

决定MSE结构的使用年限的首要因素是加筋体的腐蚀速率。

对金属类加筋材料来说，其腐蚀速率与回填料的电化学性能密切相关。

美国国家标准局、Terre Armee国际、FHWA（美国联邦公路署）及美国几个州的交通署进行了埋入土中镀锌钢的腐蚀速率的试验研究，研究结果证明：只要回填料满足表3所示的电化学要求，表2所示的腐蚀速率用于MSE结构的镀锌钢加筋体（每平方英尺镀锌2盎司）的设计是偏于安全的。

表2金属腐蚀速率表3回填料电化学要求表2中碳素钢的径向腐蚀速率是钢材重量平均腐蚀速率的2倍，这样钢材重量的损失的计算值是与腐蚀样品的极限抗拉强度成正比的。

因为我们必须保证使用年限内加筋体的工作应力小于或等于其许用应力。

因此加筋体的径向尺寸或厚度由加筋体的承载力所确定的截面尺寸加上使用年限内按表2的腐蚀速率所确定的腐蚀尺寸来确定。

在使用年限期满时，腐蚀后的钢、加筋体抗屈服安全系数为1.8。

抗拉断安全系数为2.2。

沉降性能- MSE挡土墙和桥台可以承受很大的变形是该施工方法众所周知的优点。

SME结构可以容纳总沉降超过3英尺、且不均匀沉降大于1%，而不丧失结构功能和面板不会受损。

因此，常规的桥台，如果出现负摩擦力会使桩体超载或需要更大的桩断面来承受外力，而MSE桥台则基本看不到沉降的影响，施工费用低、维护费用少。

SME被广泛用于高压缩性土的桥台。

如果初始固结可以通过堆载预压进行，MSE桥台和引桥墙体（翼墙）可以在原土之上修建，充当堆载预压的荷载。

如果需要额外荷载，可以在MSE桥台和引桥墙体之上再附加荷载。

初始固结完成后，附加堆载移除后就可以安装顶部面板、桥座和桥面。

桥梁施工后的沉降对上部结构的破坏比下部结构更厉害，但研究表明建在中等密实的粗粒土上的桥梁，一般可以允许2-4英寸的沉降。

因为一般25英尺高建完桥面的SME桥台墙，其内部压缩沉降预计只有0.25英寸，很显然当地基土的沉降早在上部结构施工之前已经完成，桥梁的长期（永久）性能得到了很大提高。

沉降工程实例：美国国道RT1上的Boston & Maine 铁路- 一个最早修建的MSE桥台之一，出现了极端沉降，沉降发生在US Rte 1铁路上的一个建于1980年的103英尺的单跨桥。

地基土为150英尺厚的松散-中等密实砂和粘土，该桥预计在桥台部位产生2英尺沉降。

在安装桥座前，引桥路堤、桥台墙和翼墙已经施工和对地基进行了预压，总沉降8.5英寸。

当预压移除、桥座和上部结构施工完成，前两年工累计发生额外沉降6.5英寸，而随后的10年中大约发生了12英寸的额外沉降。

因为这个沉降量是预期的，设计中的补救措施包括安装千斤顶把桥梁抬高，以维持公路断面和铁路的净空高度。

安装了变形计，来监测墙面板的侧向位移，尽管垂直沉降巨大，而侧向位移基本没有检测到。

根据工程投标报价表，这个单跨桥，包括加筋桥台、翼墙和供应千斤顶等，比三跨桩支撑桥梁方案少32%的费用。

沉降工程实例：McNeil 发电厂- 另外一个在佛蒙特州的MSE桥台产生极端沉降的例子，由于场区地下土是35英尺厚的松散砂质粉土，预计沉降是6英寸。

在Burlington的Joseph C. McNeil 发电站的铁路卸车平台，一个桥台在安装梁之前沉降达16英寸。

但承包商可以通过调节桥上的底座高程来补偿沉降。

采用MSE桥台方案不仅基于施工经济考虑，而且考虑了设计的简单性和经济性，并保证桥台在高压缩性土地基土上运行正常无损坏。

用两阶段施工法解决沉降问题- 最近几年出现的新技术，最初是为了处理总沉降超过3英尺的场地，被错误地用到了解决所有MSE结构沉降问题的极端答案。

所谓的MSE墙“两阶段”施工就是指分两个主要施工步骤。

先施工整个墙体，采用柔性网面层加土工膜，无论有无超载墙体都允许沉降。

第二步骤，就是安装永久的混凝土预制面板，在面板和网面之间予留空隙，然后用土或可以流动的材料回填。