橋梁施工纜索吊裝系統(tǒng)地錨單樁數(shù)值模擬與分析

肖正恩，周海發(fā)，王壽武，朱莎莎

（1．云南云橋建設(shè)股份有限公司，云南 昆明 650101;2．昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650051；）

橋梁施工纜索吊裝系統(tǒng)的樁式地錨施工簡(jiǎn)單，效果明顯，但其穩(wěn)定性易受周圍土體性質(zhì)影響。樁式地錨在受力時(shí)有豎直方向和水平方向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，在豎直方向上的受力作用類似于抗拔樁，受上拔荷載的影響，在水平方向上的受水平拉力的影響。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于樁式地錨的受力變形計(jì)算大多借鑒抗壓樁的理論，且由于群樁效應(yīng)的存在，在理論驗(yàn)證時(shí)大多采取驗(yàn)證單樁的方法。隨著計(jì)算機(jī)程序的快速發(fā)展，各種數(shù)值模擬軟件被大量開(kāi)發(fā)并投入應(yīng)用，使得實(shí)際工程可以通過(guò)模型的形式比較形象地展現(xiàn)在設(shè)計(jì)者面前。林峰對(duì)樁式地錨的設(shè)計(jì)理論和施工流程做了介紹，說(shuō)明了樁式地錨在橋梁的纜索吊裝中的適用性和優(yōu)越性；姜成潼利用理論計(jì)算和數(shù)值模擬方法對(duì)某邊坡工程采取的樁錨-框錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理進(jìn)行研究，將得到的樁頂水平位移值與一般支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)比，證明了樁錨-框錨支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠更好地平衡剩余邊坡滑力。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，基于實(shí)際工程背景，運(yùn)用理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)某斜拉橋施工纜索吊裝系統(tǒng)地錨施工方案中的單樁進(jìn)行穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，并分別改變單樁的樁長(zhǎng)、樁徑和拉索角度，分析單樁因素改變對(duì)樁身位移的影響。

1 工程背景

1.1 工程概況

斜拉橋項(xiàng)目位于云南省某高速公路上，全程1330米，主橋?yàn)殡p塔三跨鋼箱斜拉橋。施工纜索吊裝系統(tǒng)布置如圖1所示。根據(jù)鉆孔勘探資料可知土層大致分為三種，根據(jù)粒徑和含量多少可知研究點(diǎn)土層巖性多屬于漂石粒組和卵石粒組的巨粒土，還有部分粗粒組即細(xì)砂，因此認(rèn)為力學(xué)性質(zhì)主要按照碎石土分類，具體分層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)

圖1 纜索吊裝系統(tǒng)布置圖

1.2 橋梁施工纜索吊裝系統(tǒng)地錨施工方案

橋梁施工纜索吊裝系統(tǒng)地錨采用樁式地錨，樁長(zhǎng)16m，樁徑2.0m，共9 根，梅花型雙排樁布置，采用C30 鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。群樁樁頂設(shè)置C30 混凝土承臺(tái)，承臺(tái)尺寸25×10×2m。布置如圖2所示。

圖2 樁式地錨布置圖（cm）

2 單樁數(shù)值模擬分析

2.1 基本假定和模型

基本假定和模型如下：①忽略水流對(duì)土體開(kāi)挖的影響，不考慮土體流失對(duì)樁土體產(chǎn)生的影響；②巖土體為均勻地質(zhì)；③群樁樁頂與承臺(tái)剛性連接；④假設(shè)9 根樁平均受拉；⑤土體模型采取圓柱形隧道外圍漸變網(wǎng)格（radcylinder），本構(gòu)關(guān)系為莫爾庫(kù)倫；樁體建模采用柱體網(wǎng)格（cylinder），本構(gòu)關(guān)系為彈性。樁土之間的相互作用采取接觸面（interface）來(lái)模擬受力。以樁心為原點(diǎn)在FLAC 3D 中建立以x、y、z 三軸為方向的坐標(biāo)系，x 軸向右為正，z 軸向下為負(fù)，按照地層厚度建立三維模型。有限差分計(jì)算域?yàn)?m×8m×27m。

2.2 模擬結(jié)果分析

圖3是單樁受極限拉力作用下在水平方向產(chǎn)生的樁土位移云圖。圖4是隱藏土層，只顯示單樁水平位移的模擬圖。從圖中可知受極限拉力后，單樁在靠近樁頂附近的區(qū)域產(chǎn)生較大的水平位移值，最大數(shù)值為5.05mm，在接近樁底附近的范圍，水平位移值較小，平均水平位移值為2.8mm。隨著樁深的增加，水平位移值逐漸減小，可知來(lái)自上部的荷載從樁頂?shù)綐兜自俚酵翆舆_(dá)到了較好的傳遞受力效果。根據(jù)規(guī)范中允許敏感性樁身的最大水平位移小于或等于6mm 時(shí)樁身不開(kāi)裂，說(shuō)明模擬結(jié)果相對(duì)安全。

圖3 放大樁土水平位移效果圖

圖4 單樁模擬水平位移云圖

3 水平位移理論計(jì)算與分析

已知最大拉力合力T=11048.285KN，則水平推力，豎直上拔力。地基比例系數(shù)m 取常數(shù)為20000KN/m4 ，則樁身計(jì)算寬度和變形系數(shù)為：

式中：k 為基礎(chǔ)形狀的換算系數(shù)，kf 為平面工作條件的系數(shù)，EI為樁身抗彎剛度，由于α×h=4.96＞2.5，故按照彈性樁計(jì)算。

將水平拉力平均分配給9 根樁基，樁頭彎矩M是水平拉力的0.3 倍，Ax 表示單位水平力產(chǎn)生的樁頂水平位移，B表示單位彎矩產(chǎn)生的樁頂水平位移，根據(jù)彈性樁規(guī)定查表可得數(shù)值，最終得到樁頂x軸向位移：

數(shù)值模擬得到的最大水平位移值為5.05mm，而理論計(jì)算結(jié)果為5.2mm，都在規(guī)范的安全范圍內(nèi)且兩者的誤差僅約為2.88%。存在的誤差是因?yàn)閿?shù)值模擬在程序計(jì)算中將更多的地質(zhì)參數(shù)代入了計(jì)算，所以使得計(jì)算結(jié)果偏小。

4 不同工況下樁身最大水平位移分析

為研究單樁在受極限荷載作用下樁長(zhǎng)、樁徑和拉力角度分別改變對(duì)單樁水平位移產(chǎn)生的影響，將模擬不同工況下單樁樁身位移并對(duì)這些具體的數(shù)值進(jìn)行分析對(duì)比。分三種工況：①樁徑、拉力角度不變，改變樁長(zhǎng)；②樁長(zhǎng)、拉力角度不變，改變樁徑；③樁長(zhǎng)、樁徑不變，改變拉力角度。

在FLAC 3D 中監(jiān)測(cè)不同工況下樁身受拉產(chǎn)生的最大水平位移，三種工況的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 不同樁長(zhǎng)最大水平位移值監(jiān)測(cè)圖

圖6 不同樁徑最大水平位移值監(jiān)測(cè)圖

圖7 不同拉力角度最大水平位移值監(jiān)測(cè)圖

（1）從圖5可知，在改變樁長(zhǎng)，不改變其他條件的情況下，樁長(zhǎng)以12m 為初始值，每隔1m 遞增，直到19m 結(jié)束，發(fā)現(xiàn)樁身最大水平位移值隨樁長(zhǎng)增加而減小且均小于6mm 并在5mm 左右上下浮動(dòng)，樁長(zhǎng)在12～19m 之間，樁身未產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象，單樁處于較穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）在改變樁徑，不改變其他條件的前提下，樁徑以1.5m 為起始值，按照0.05m、0.15m、0.25m 或者0.5m不定值增加，以3m 為結(jié)束值，從圖6可知隨著樁徑逐漸增大，最大樁身水平位移值逐漸減小，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。樁徑為1.5m 和1.75m 時(shí)，最大樁身水平位移值超過(guò)了6mm，按規(guī)范判斷，該單樁有可能會(huì)發(fā)生樁身開(kāi)裂現(xiàn)象，此時(shí)的兩個(gè)樁徑值不能被作為樁徑設(shè)計(jì)值，樁徑值在1.90～3.0m 之間，最大水平位移值在規(guī)定的安全區(qū)間，可以被作為設(shè)計(jì)值選取使用，考慮到施工成本的問(wèn)題，盡可能在保證安全的前提下選擇較小樁徑值。

（3）從圖7可知，在改變拉力與單樁傾角，不改變其他條件時(shí)，拉力角度與最大樁身水平位移的關(guān)系近似成直線型下降趨勢(shì)，可見(jiàn)適當(dāng)增大拉力角度能夠有效較小樁身的水平位移，但是限于施工現(xiàn)場(chǎng)拉索布置要求以及其他結(jié)構(gòu)的布置，拉力角度不能夠自由變化，所以可在限制條件下盡量使拉力角度大一點(diǎn)。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬與理論計(jì)算的結(jié)果可知：樁長(zhǎng)16m，樁徑2.0m，拉力角度為23°時(shí)的單樁模擬最大水平位移約為5.05mm，計(jì)算最大水平位移約為5.2mm，均在6mm 之內(nèi)，單樁樁身不會(huì)開(kāi)裂，兩種方法的誤差也在合理范圍，該橋所采用的纜索吊裝系統(tǒng)地錨方案可行；

（2）通過(guò)單方面地去增大樁長(zhǎng)、樁徑或拉力角度都可以在一定程度上減小單樁樁身的水平位移，以達(dá)到使樁身更加穩(wěn)定的目的，考慮到施工成本和其他因素的影響，要有效選取較為合適的設(shè)計(jì)參數(shù)；

（3）通過(guò)對(duì)比樁長(zhǎng)、樁徑和拉力角度分別改變后的樁身水平位移可知樁徑改變對(duì)位移的影響較大。