懸索橋根式錨碇受力特性分析

余 竹,朱 昊,何 敏,殷永高

(1.安徽省交控建設(shè)管理有限公司，安徽 合肥 230088；2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

在眾多的橋梁結(jié)構(gòu)形式中，懸索橋憑借自身優(yōu)勢成為跨越大江大河主流方案。大跨徑懸索橋離不開穩(wěn)定的錨固系統(tǒng)。錨固系統(tǒng)可分為自錨式[1-3]和地錨式兩種。地錨式可以進(jìn)一步分為重力式和隧道式[4]。其中，隧道式適用于基巖堅實完整的地區(qū)，其他情況下大多采用重力式。我國江河流域分布著大面積軟弱覆蓋層，其承載力低，巖層埋置較深。在這類地質(zhì)條件下修建重力式錨碇，存在較大的設(shè)計與施工難度[5-6]。另外，傳統(tǒng)重力式錨碇主要通過自身重力和基底摩擦力來承擔(dān)主纜力；錨碇前側(cè)被動土壓力在設(shè)計時被視作安全儲備，基礎(chǔ)與土體的相互作用未得到充分利用，在一定程度上不夠經(jīng)濟(jì)[7]。

部分學(xué)者針對重力式錨碇現(xiàn)有問題提出了齒坎式錨碇[8-9]、樁與擴(kuò)大基礎(chǔ)復(fù)合錨碇[10-11]、群樁錨碇[12-13]和根式錨碇[14]等。齒坎式錨碇除依靠自身重力和基底摩擦力抵抗主纜纜力外，齒坎的水平面和正面也能夠抵抗主纜力。樁與擴(kuò)大基礎(chǔ)復(fù)合錨碇受力較為復(fù)雜，依靠擴(kuò)大基礎(chǔ)自身重力和基底摩擦力以及樁土相互作用抵抗主纜力荷載。群樁錨碇和根式錨碇都是依靠承臺、基樁集群和土體三者相互作用共同抵抗主纜力荷載。兩者不同之處在于根式錨碇采用的是根式基礎(chǔ)。它是在常規(guī)沉井基礎(chǔ)側(cè)壁預(yù)留頂推孔，待沉井下沉到指定位置處，使用頂進(jìn)裝置將根鍵頂入土體并使之與沉井基礎(chǔ)固結(jié)而形成一種仿生基礎(chǔ)形式。

殷永高等[15-16]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)：根式基礎(chǔ)能實現(xiàn)土體與根鍵之間的剛度協(xié)調(diào)，充分發(fā)揮土體承載力，其承載力較普通基礎(chǔ)得以大幅提高；并在此基礎(chǔ)上提出了適用于厚覆蓋層地區(qū)的根式錨碇基礎(chǔ)，初步探索了根式錨碇基礎(chǔ)的受力機理及適用性。楊燦文[17]從工程規(guī)模、結(jié)構(gòu)受力、地質(zhì)適應(yīng)性以及施工等方面對比了普通沉井基礎(chǔ)和根式錨碇基礎(chǔ)，認(rèn)為根式錨碇具有一定的優(yōu)勢。然而，根式錨碇基礎(chǔ)承載特性與機理相關(guān)研究尚不夠完善，且缺乏工程應(yīng)用驗證。

根式錨碇作為懸索橋新型錨碇基礎(chǔ)形式，首次應(yīng)用于秋浦河大橋北岸錨碇工程。本研究以此為工程背景，通過數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測研究錨碇在不同工況下的受力和變位特性。

1 工程概況

秋浦河大橋位于安徽省池州市，是池州長江公路大橋工程的重要組成部分。該橋主橋為主跨270 m的雙塔結(jié)合梁懸索橋。地質(zhì)條件自上而下分別為種植土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土、圓礫土以及弱膠結(jié)礫巖；根鍵頂進(jìn)所經(jīng)歷的地層主要有粉土(中密狀態(tài))、圓礫土(中密-密實狀態(tài))。

北錨碇為根式錨碇基礎(chǔ)，采用16根直徑5.0 m的根式空心樁。設(shè)計樁長為26.0 m，樁基底部3.0 m和頂部6.0 m為實心段，其余為空心段，空心段壁厚0.9 m。單根樁設(shè)置6層根鍵，在平面上呈十字型分布，相鄰根鍵層間距為2.0 m，以45°角交錯布置。根鍵截面為十字形，外露長度1.25 m。承臺高5.5 m，錨體包括錨塊、鞍部及壓重塊，如圖1所示。

圖1 根式錨碇立面圖(單位：cm)Fig.1 Elevation view of root anchorage (unit: cm)

2 數(shù)值模擬模型

采用FLAC3D仿真計算軟件，用6面體網(wǎng)格劃分建立根式錨碇基礎(chǔ)模型。由于錨碇沿順橋向為對稱結(jié)構(gòu)，采用半模型建模，如圖2所示。周圍土體范圍為300 m×300 m×150 m。在模型的四周設(shè)置法向約束，在模型的底面設(shè)置固定約束作為邊界條件。根式錨碇采用彈性本構(gòu)模型；錨碇周圍土體采用彈塑性本構(gòu)模型；樁土接觸面采用摩爾庫倫剪切模型。土體及錨碇結(jié)構(gòu)基本力學(xué)參數(shù)見表1，接觸面模型的內(nèi)摩擦角和黏聚力取周圍土體的0.5倍，接觸面參數(shù)見表2。

表1 土體及錨碇力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of soil and anchorage

表2 樁土接觸面參數(shù)Tab.2 Parameters of pile-soil interface

圖2 根式錨碇?jǐn)?shù)值網(wǎng)格模型Fig.2 Numerical grid model of root anchorage

在土體初始地應(yīng)力平衡的基礎(chǔ)上，根式錨碇的計算工況包括施工階段(基坑開挖、樁基施工、承臺施工、錨碇整體施工完成)和運營階段(懸索橋成橋運營)。其中，錨碇整體施工完成和懸索橋運營階段的變位為主要控制指標(biāo)：(1)錨碇整體施工結(jié)束，在承臺鞍部施加等效自重荷載代替鞍部自重；(2)懸索橋運營階段，主纜力采用設(shè)計荷載5.6×104kN，主纜力在散索鞍處與水平呈25°夾角。模型中采用豎向力及水平力的組合形式作為等效荷載施加在相應(yīng)位置節(jié)點上。

3 數(shù)值計算與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比分析

3.1 錨碇變位特征分析

為了解根式錨碇在兩種工況(錨碇整體施工結(jié)束(工況1)和懸索橋運營階段(工況2))的變位特征，對錨碇承臺現(xiàn)場監(jiān)測點的水平變位和豎向變位的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。承臺監(jiān)測點如圖3所示，承臺監(jiān)測點變位如表3所示(以承臺施工完成為初始點，表中數(shù)據(jù)為相對前一施工階段的變位值)。

圖3 根樁編號及承臺位移監(jiān)測點示意圖Fig.3 Schematic diagram of pile numbers and cap displacement measuring points

表3 工況2承臺監(jiān)測點變位表Tab.3 Displacement of measuring point of cap in case 2

可以看出，在錨體施工結(jié)束階段，錨碇在錨體偏載作用下，后側(cè)沉降、前側(cè)抬升，整體呈現(xiàn)后仰姿態(tài)；在運營階段，錨碇在主纜力作用下，前側(cè)沉降、后側(cè)抬升，整體呈現(xiàn)前傾姿態(tài)，并且主纜力的水平分力使得錨碇整體水平變位增大。

對于懸索橋錨碇變位限值，日本本四聯(lián)絡(luò)橋公團(tuán)以主跨跨徑1 000～1 500 m的懸索橋為對象，規(guī)定長大跨徑懸索橋的水平位移的容許值為0.000 17倍主跨跨徑。同時參照以往工程案例，江陰長江大橋主跨1 385 m，錨碇變位控制標(biāo)準(zhǔn)為：水平位移限值為10 cm，沉降限值為20 cm；馬鞍山長江公路大橋主跨1 080 m，錨碇變位控制標(biāo)準(zhǔn)為：水平位移限值為10 cm，沉降限值為15 cm[18]。由以上工程經(jīng)驗，確定秋浦河大橋根式錨碇的變位控制標(biāo)準(zhǔn)為：水平位移限值為4.59 cm，沉降限值為5 cm。依照該標(biāo)準(zhǔn)，錨碇在主纜力作用下的水平變位和豎向變位均滿足要求。

3.2 錨碇受力特性分析

為了分析根式錨碇在自重和主纜力作用下的受力特性，計算了根式錨碇基礎(chǔ)集群中各單樁樁身的軸力、彎矩、剪力，并得到了承臺所承受的豎向力和水平力。各樁編號如圖3所示，編號1～4為外側(cè)樁，編號5～8為內(nèi)側(cè)樁。

在工況1，根式錨碇在錨體自重偏載作用下，承臺的豎向轉(zhuǎn)角為0.013°，錨碇整體轉(zhuǎn)動較小，忽略偏載所致的彎矩和水平力。豎向荷載由承臺和根式基礎(chǔ)集群共同承擔(dān)，在此工況下，僅分析承臺承擔(dān)的豎向荷載和樁身的軸力；在工況2，根式錨碇在主纜力和自重偏載作用下，承臺和根式基礎(chǔ)集群受豎向力、水平力和彎矩共同作用，在此階段分析承臺承擔(dān)的豎向荷載和水平荷載，根式基礎(chǔ)集群中各單樁樁身軸力、彎矩、剪力和水平抗力。

其中工況1的樁身軸力如圖4所示，工況2的樁身軸力、彎矩、剪力如圖5所示。兩種工況下的豎向荷載分配如表4所示，水平荷載分配如表5所示。其中，樁頂至A-A截面土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，A-A截面至B-B截面土層為粉土，B-B截面至C-C截面土層為圓礫土，C-C截面至樁底土層為弱膠結(jié)礫巖。

表4 豎向荷載分配Tab.4 Distribution of vertical loads

表5 水平荷載分配Tab.5 Distribution of horizontal loads

圖4 工況1樁身軸力Fig.4 Pile axial force in case 1

圖5 工況2樁身軸力、彎矩和剪力Fig.5 Pile axial force, bending moment and shear force in case 2

從圖4可以看出，在自重荷載作用下，后側(cè)樁樁頂軸力大于前側(cè)樁樁頂軸力，外側(cè)樁樁頂軸力略大于內(nèi)側(cè)樁樁頂軸力，符合預(yù)期。而圖5(a)表明，在主纜力荷載作用下，前側(cè)樁樁頂軸力增加，后側(cè)樁軸力減小，使得前側(cè)樁樁頂軸力大于后側(cè)樁樁頂軸力，特別是前側(cè)第1排4#和8#樁軸力增加尤為顯著；同時外側(cè)樁樁頂軸力大于內(nèi)側(cè)樁樁頂軸力。其次，在軟弱覆蓋層中，樁身軸力隨土體深度增大而逐漸增加(C-C截面以上)，在弱膠結(jié)礫巖土層中，樁身軸力隨土體深度增加而逐漸減小，這是由于在軟弱覆蓋層中，樁側(cè)摩阻力不足以抵抗樁身自重，而在弱膠結(jié)礫巖中，樁側(cè)摩阻力較大使得樁身軸力逐漸減小。此外，從圖4和圖5(a)均可看出，樁身軸力在6層根鍵位置處均出現(xiàn)了突變，而且以最底層根鍵處為分界，其以下的樁身軸力逐漸減小，由此可見根鍵承擔(dān)了較大的豎向荷載。

圖5(b)表明，樁身彎矩隨深度增加逐漸由正減小為負(fù)。其中前側(cè)樁樁身彎矩大于后側(cè)樁樁身彎矩，外側(cè)樁樁身彎矩大于內(nèi)側(cè)樁樁身彎矩，樁頂正彎矩最大，樁嵌巖段負(fù)彎矩最大。

圖5(c)表明，在樁頂至B-B截面樁身剪力無明顯變化，這是由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉土強度較低，所提供的水平抗力較??；在B-B至C-C截面，樁身剪力隨深度逐漸減小，且在根鍵處減小幅度較大，即根鍵處的水平抗力大于無根鍵處的水平抗力；在C-C截面至樁底，樁身剪力大幅度減小。同時外側(cè)樁的樁頂剪力大于內(nèi)側(cè)樁的樁頂剪力，前側(cè)樁的樁頂剪力大于后側(cè)樁的樁頂剪力。

由表4和表5可知，豎向荷載主要由承臺端阻力和根式基礎(chǔ)集群分擔(dān)，水平荷載主要由根式基礎(chǔ)集群分擔(dān)。

4 結(jié)論

根式錨碇作為一種新型的懸索橋錨碇基礎(chǔ)首次應(yīng)用于秋浦河大橋北錨碇工程中，本研究用數(shù)值模擬方法分析了該橋根式錨碇在兩種工程實際工況(錨碇整體施工結(jié)束和懸索橋運營階段)的受力特性情況，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測變位數(shù)據(jù)進(jìn)行了部分驗證，從中可以得到如下結(jié)論：

(1)根式錨碇在懸索橋運營階段的豎向變位和水平變位滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定，可應(yīng)用于軟弱覆蓋層地區(qū)。

(2)在根式錨碇整體施工結(jié)束階段，錨碇在錨體偏載作用下，整體呈現(xiàn)后仰姿態(tài)；在運營階段，錨碇在主纜力作用下，整體呈現(xiàn)前傾姿態(tài)，且主纜的水平分力使得錨碇整體水平變位增大。

(3)在根式錨碇整體施工結(jié)束階段和懸索橋運營階段，豎向荷載主要由承臺端阻力和根式基礎(chǔ)集群承擔(dān)；水平荷載主要由根式基礎(chǔ)集群承擔(dān)，承臺與根式基礎(chǔ)集群受力合理。

(4)根式錨碇作為一種新型的懸索橋錨碇基礎(chǔ)形式，本研究僅對其受力特性進(jìn)行研究，今后將進(jìn)一步對承臺、根式基礎(chǔ)集群與土相互作用共同承擔(dān)荷載的機制進(jìn)行更加深入的研究，并提出適用于工程的簡化計算方法，為優(yōu)化設(shè)計提供理論借鑒。