懸索橋隧道式錨碇承載特性分析

李玉婕 楊恩

摘 要：隧道式錨碇是一種承擔(dān)懸索橋主纜拉拔力的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，與重力式錨碇相比，在減少開挖、節(jié)約投資、保護(hù)環(huán)境方面具有顯著優(yōu)勢。為研究懸索橋隧道式錨碇的承載特性，結(jié)合某實(shí)際工程，基于巖體力學(xué)試驗(yàn)和現(xiàn)場縮尺模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值仿真方法對隧道錨工程區(qū)域巖體的力學(xué)特性進(jìn)行研究，進(jìn)而對隧道錨的承載特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)荷載作用下，錨塞體和圍巖的位移均較小，在主纜拉力小于8倍設(shè)計(jì)荷載時，錨塞體和圍巖的變形基本呈線性增加，隨著荷載的持續(xù)增大，錨塞體和圍巖變形速率呈非線性，且圍巖與錨塞體之間出現(xiàn)相對滑動變形。該研究結(jié)果可為懸索橋隧道錨的施工建設(shè)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：隧道式錨碇；承載特性；反演分析；數(shù)值仿真；變形

中圖法分類號：U446；U448.25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 研究背景

懸索橋是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸的纜索作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)件的橋梁。通常懸索橋的主要承重構(gòu)件（主纜）都錨固在錨碇上，錨碇的形式分為自錨式和地錨式兩種，其中地錨式又分為重力式錨碇（簡稱“重力錨”）和隧道式錨碇（簡稱“隧道錨”）。重力錨依靠自身重量與基巖的摩擦產(chǎn)生抗拔力，是傳統(tǒng)的錨碇形式[1]，施工中需進(jìn)行巨大方量的土石方開挖和混凝土回填，對環(huán)境擾動大，人力物力消耗大；隧道錨利用自身結(jié)構(gòu)特征與圍巖共同承載，可有效減少土方開挖和混凝土回填，性價比高，對環(huán)境擾動小。近年來隨著我國西南交通體系規(guī)劃建設(shè)，隧道錨得到廣泛應(yīng)用[2-8]。

隧道錨通常為前小后大的城門洞或馬蹄錐型結(jié)構(gòu)，對于隧道錨的承載特性主要通過地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場縮尺模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究[9-10]，隧道錨承受主纜荷載后，錨塞體擠壓變形將部分荷載傳遞給圍巖承載，圍巖條件不同，錨塞體與圍巖之間的荷載傳遞過程、變形特征和結(jié)構(gòu)破壞模式都有顯著差異[11]。位于我國西南地區(qū)的某懸索橋，總長1 020 m，主跨766 m，橋位處河谷深切，山勢陡峭，兩岸橋基一側(cè)為重力錨，另一側(cè)為隧道錨，隧道錨區(qū)域巖體風(fēng)化層較薄，錨碇附近巖體為塊狀玄武巖，為硬質(zhì)巖石，巖層傾角較陡，與山坡呈反傾狀，卸荷帶發(fā)育，巖質(zhì)較均勻。隧道錨作用機(jī)理復(fù)雜，采用單一分析方法很難得出完整的結(jié)論。為獲取隧道錨結(jié)構(gòu)的變形和承載力以及破壞模式，采用基于現(xiàn)場及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，利用現(xiàn)場縮尺模型試驗(yàn)，并采用數(shù)值模擬技術(shù)的綜合手段來分析隧道錨圍巖穩(wěn)定性很有必要。

2 現(xiàn)場縮尺模型試驗(yàn)

2.1 隧道錨工程概況

該工程采用隧道式雙錨塞體，錨塞體設(shè)計(jì)為前小后大的楔形體，錨塞體縱向長度為30 m，與水平線的傾角為20.2°，最大埋深約103 m。橫斷面為城門洞型，頂部采用圓弧形，側(cè)壁和底部采用直線形，前錨面尺寸為9.8 m×11.2 m，頂部圓弧半徑4.9 m，后錨面尺寸為15.2 m×18 m，頂部圓弧半徑7.6 m，結(jié)構(gòu)示意見圖1。

2.2 縮尺模型試驗(yàn)

2.2.1 模型制作和加載設(shè)備

現(xiàn)場模型試驗(yàn)選址位于實(shí)橋錨進(jìn)洞口附近，其巖性與實(shí)橋錨部位一致。根據(jù)相似原理，采用1∶10的比例進(jìn)行模型制作，錨塞體方向與實(shí)橋錨保持一致?，F(xiàn)場模型試驗(yàn)采用后推法，在每個后錨室安裝9只千斤頂進(jìn)行加載。澆筑過程中分別在錨塞體前后錨面、錨塞體內(nèi)部、圍巖表面和圍巖內(nèi)部布置光柵式位移傳感器、深部位移計(jì)和位錯計(jì)等監(jiān)測儀器。模型加載和監(jiān)測布置見圖2和圖3。

試驗(yàn)采用分級加（卸）荷單循環(huán)方法進(jìn)行，從零開始分級加載，試驗(yàn)加載方案為1P循環(huán)、3.5P循環(huán)、7P循環(huán)、8P循環(huán)、9P循環(huán)直至極限荷載（最大出力）（P為一倍最不利荷載，為3 730 kN）。通過監(jiān)測手段獲取錨塞體和圍巖變形情況。

2.2.2 試驗(yàn)成果分析

錨塞體和圍巖監(jiān)測點(diǎn)變形見表1，荷載變形曲線見圖4和圖5?？芍?P荷載下，錨體沿拉力方向的變形較小，雙錨平均為0.124 mm，3.5P荷載下，錨體沿拉力方向的變形較大，雙錨平均為0.928 mm；7P荷載下，錨體沿拉力方向的變形顯著，雙錨平均為2.387 mm，隨著荷載的不斷增大，錨體沿拉力方向變形不斷增大，當(dāng)荷載為9.5P時，雙錨平均為3.415 mm。

在1P、3.5P、7P以及9.5P設(shè)計(jì)荷載試驗(yàn)中，圍巖測點(diǎn)的變形-荷載曲線近似呈直線，均未見屈服點(diǎn)，說明圍巖仍處于近似彈性變形階段。后錨面比前錨面變形略大，左右錨變形基本相當(dāng)。

3 縮尺模型試驗(yàn)數(shù)值模擬分析

3.1 圍巖參數(shù)反演分析的基本原理

采用智能位移反演方法，利用LSSVM和PSO分析模型并借助FLAC3D數(shù)值方法正算來實(shí)現(xiàn)圍巖參數(shù)反演。主要思路是基于結(jié)構(gòu)受力特征確定待反演參數(shù)，利用現(xiàn)場巖體力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，綜合分析給出待反演參數(shù)的取值區(qū)間，形成若干組參數(shù)樣本；利用數(shù)值方法構(gòu)造若干組學(xué)習(xí)樣本和檢驗(yàn)樣本；利用學(xué)習(xí)樣本對映射網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行較高效率地訓(xùn)練，建立待反演參數(shù)與位移的非線性映射關(guān)系，結(jié)合位移實(shí)測數(shù)據(jù)，通過搜索計(jì)算獲取數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的最小誤差，該誤差對應(yīng)的巖體參數(shù)即為待反演參數(shù)的最優(yōu)解。

3.2 圍巖參數(shù)反演分析

3.2.1 計(jì)算條件

根據(jù)隧道錨承載特性，確定待反演參數(shù)是圍巖彈性模量和強(qiáng)度參數(shù)，根據(jù)巖體力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果和同類巖石的試驗(yàn)資料，綜合分析給出待反演參數(shù)和取值區(qū)間見表2。其余圍巖參數(shù)：重度為24 kN/m3，泊松比為0.3。錨體混凝土參數(shù)：重度為25 kN/m3，泊松比為0.3，變形模量為30 GPa。

現(xiàn)場試驗(yàn)三維數(shù)值模型見圖6，由于試驗(yàn)位于淺層地表，應(yīng)力場采用自重應(yīng)力場。地表為自由邊界，模型側(cè)向和底面邊界采用固定約束。數(shù)值分析中，圍巖采用摩爾－庫侖彈塑性模型，錨塞體混凝土材料采用線彈性本構(gòu)模型。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)的隧道錨拉拔力的分級施加情況，按照實(shí)際情況分步逐級進(jìn)行計(jì)算。由光柵傳感器的埋設(shè)位置及相應(yīng)的位移監(jiān)測資料，作為反演、對比的目標(biāo)測點(diǎn)。

3.2.2 反演結(jié)果分析

反演分析得到的現(xiàn)場模型區(qū)域圍巖彈塑性參數(shù)結(jié)果見表3。將其賦入正向計(jì)算模型中進(jìn)行計(jì)算。各監(jiān)測點(diǎn)現(xiàn)場實(shí)測荷載-位移曲線與計(jì)算結(jié)果對比見圖7和圖8?？芍O(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測與計(jì)算位移在量值上相當(dāng)，變形趨勢也基本相同，表明所確定的隧道錨圍巖體的彈塑性參數(shù)基本合理。

4 實(shí)橋隧道錨承載特性分析

4.1 分析模型

三維模型見圖9。考慮最不利荷載下，隧道錨結(jié)構(gòu)的承載特性。根據(jù)設(shè)計(jì)提供圖紙資料，實(shí)橋錨處圍巖在表面12 m范圍內(nèi)圍巖較為破碎，劃分成卸荷帶，12 m到后錨面劃分成未卸荷帶，因此圍巖被劃分為兩層。圍巖的原始地應(yīng)力主要由構(gòu)造應(yīng)力場和自重應(yīng)力場構(gòu)成，由于隧道錨位于地表淺層，構(gòu)造應(yīng)力場的影響不明顯，初始應(yīng)力場主要以自重場為主，計(jì)算僅考慮自重應(yīng)力場的作用。圍巖采用彈塑性摩爾-庫侖本構(gòu)模型，錨塞體混凝土材料采用線彈性模型。

數(shù)值計(jì)算步驟如下：①隧道錨的施工開挖；②錨塞體混凝土施工回填建造，然后將位移清0；③極限拉拔超載模擬，從1倍設(shè)計(jì)荷載開始，分級增加荷載，每級增加1倍設(shè)計(jì)荷載，直至11倍設(shè)計(jì)荷載，重點(diǎn)分析設(shè)計(jì)荷載、4倍設(shè)計(jì)荷載和8倍設(shè)計(jì)荷載作用下圍巖的變形和受力條件。

4.2 實(shí)橋隧道錨承載特性分析

在設(shè)計(jì)載荷作用下，錨塞體和圍巖的變形見圖10。隧道錨錨塞體和圍巖主要呈現(xiàn)沿荷載方向的變形，整體位移以中隔墩為中心的倒楔形分布，最大位移為0.6 mm；圍巖基本處于受壓狀態(tài)，拉應(yīng)力分布較小。

4.3 超載作用下實(shí)橋錨計(jì)算分析

（1）利用數(shù)值模擬方法對實(shí)橋隧道錨進(jìn)行超載模擬，獲取荷載-變形曲線如圖11所示。在低張拉力（<8倍設(shè)計(jì)荷載）下錨塞體和圍巖位移呈線性增加；隨著荷載的持續(xù)增大，錨塞體和圍巖變形速率呈非線性，且錨塞體的變形速率比圍巖變形速率大?？傮w而言，在荷載作用下，錨塞體會與圍巖共同承載，但同時圍巖與錨塞體之間也會出現(xiàn)相對滑動變形。

（2）4倍和8倍設(shè)計(jì)荷載作用下錨塞體和圍巖的變形承載特性分別見圖12和圖13。在4倍荷載作用下，最大位移出現(xiàn)在錨塞體后錨面，大小為3.4 mm，隧道錨的變形特征為錨塞體與部分圍巖共同承載，位移沿主纜拉拔力方向，同時錨塞體和圍巖之間有相對滑動變形；在8倍荷載作用下，錨塞體和圍巖的變形繼續(xù)增加，變形規(guī)律與4倍荷載作用下一致，最大位移出現(xiàn)在后錨面，大小為7.7 mm。

5 結(jié)論

以現(xiàn)場縮尺模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過參數(shù)反演分析，獲得實(shí)橋錨區(qū)域的圍巖參數(shù)，開展了實(shí)橋隧道錨圍巖承載特性分析。主要結(jié)論如下。

（1）在現(xiàn)場縮尺模型試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上利用反演分析獲取巖體參數(shù)，并對參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，所確定的隧道錨圍巖體的彈塑性參數(shù)基本合理。

（2）在設(shè)計(jì)荷載作用下，圍巖處于受壓狀態(tài)，最大位移為0.6 mm；超載作用下，錨塞體會與圍巖共同承載，但同時圍巖與錨塞體之間也會出現(xiàn)相對滑動變形；從實(shí)橋錨塞體荷載-位移曲線可以看出，在8倍超載條件下圍巖仍處于彈性變形階段。

（3）現(xiàn)場縮尺模型試驗(yàn)可以直觀地獲取錨碇和圍巖在荷載作用下的變形分布規(guī)律，但出于安全考慮和工程實(shí)際需求，通常未達(dá)到極限破壞就終止試驗(yàn)，并且隧道錨在承載時的受力特性較為復(fù)雜，圍巖本身的力學(xué)特性也十分復(fù)雜，因此模型試驗(yàn)無法系統(tǒng)反映圍巖內(nèi)部的變形和受力情況，在實(shí)際工程研究中需借助數(shù)值模擬方法對現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)證，對隧道錨的極限承載力和穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

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Bearing Characteristics of Tunnel-type Anchorage of Suspension Bridge

LI Yujie1，YANG En1，2

（1. Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Changjiang Technology and Economy Society，Wuhan 430010，China）

Abstract：Tunnel-type anchorage is a foundation structure that bears the pulling force of the main cable of suspension bridge. It has advantages over gravity-type anchorage in reducing excavation，saving investment and protecting the environment. In order to obtain the bearing characteristics of tunnel-type anchorage，we first performed ?rock mass mechanical test and field scale model test for an actual project. On this basis，we examined the mechanical properties of rock mass in the area of tunnel-type anchorage. Results revealed small displacement of the plug body and the surrounding rock mass under design load. When the main cable tension was smaller than eight times the design load，the deformation of plug body and surrounding rock mass increased linearly；however，such deformation rate became nonlinear with the continuous growth of load，and relative sliding deformation was found between the plug body and the surrounding rock mass. The research findings offer technical support for the construction of tunnel-type anchorage of suspension bridge.

Key words：tunnel-type anchorage；bearing characteristic；inversion analysis；numerical simulation；deformation