懸臂棧道嵌固端破壞機(jī)理分析及工程實(shí)踐

黃福祥

（廈門市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門 361015）

0 引言

為踐行以人為本和可持續(xù)發(fā)展的理念，建設(shè)人與自然和諧共生的現(xiàn)代化城市，“慢道”越來越引起城市建設(shè)者的關(guān)注。各種濱水慢道、山林慢道不僅為市民出行帶來方便，更成為旅游、休閑與健身的新去處，成為城市的新名片。

慢道的建設(shè)，或受地形所限，或?yàn)樵鎏砭坝^，線路經(jīng)常沿陡峭巖壁布設(shè)。如何在懸崖峭壁建設(shè)慢道，成為擺在城市建設(shè)者面前的一道新課題。雖然懸臂棧道在我國已有幾千年的歷史，但更多的是基于經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用，部分棧道建設(shè)者也在理論與實(shí)踐上做過一些總結(jié)，如劉潤峰等[1]對棧道橫梁結(jié)構(gòu)梁體型式進(jìn)行了研究；趙光貞等[2]對懸臂棧道的施工過程進(jìn)行了敘述，但在涉及懸臂棧道的關(guān)鍵技術(shù)問題——嵌固端破壞機(jī)理方面缺少研究，現(xiàn)行規(guī)范也未針對懸臂棧道嵌固端的破壞進(jìn)行規(guī)定。本文結(jié)合貴陽市開陽縣清龍河流域環(huán)境整治慢道工程，通過有限元軟件對懸臂棧道嵌固端破壞機(jī)理進(jìn)行分析，得出梁端的合理約束方式，并推廣應(yīng)用于工程實(shí)踐中。

1 工程概況

貴陽市開陽縣清龍河流域環(huán)境綜合整治工程慢道沿清龍河兩岸東西方向布置，慢道全長約26 km。為減少對河道、樹木影響，部分線路采用懸臂棧道形式布置，其中懸臂棧道長約400 m，橋面板梁采用輕巧流暢的鋼筋混凝土板梁。棧道橋?qū)?.5 m，標(biāo)準(zhǔn)跨徑3 m，3 跨為1 聯(lián)，橋面設(shè)計(jì)荷載5 kPa。懸臂棧道段巖壁陡峭，傾角約70°～90°，表面覆蓋厚0.1～0.5 m強(qiáng)風(fēng)化層且附生植被，局部巖石裸露，覆蓋層下巖石為中風(fēng)化-微風(fēng)化石灰?guī)r。巖土體參數(shù)見表1。

表1 巖土體參數(shù)表

2 技術(shù)難點(diǎn)分析及對策

懸臂棧道通常采用梁板體系，行道板或與橫梁整體澆筑或擱置于橫梁之上，橫梁則嵌固于巖壁之中。如何保證橫梁嵌固端的安全可靠，事關(guān)懸臂棧道實(shí)施的成敗，一旦梁端約束失效，整體棧道將失去支撐，造成的安全事故是不可估量的。同時由于懸臂棧道施工條件苛刻，屬于高空作業(yè)，一旦梁端約束失效，事故后的修復(fù)難度極其巨大。因此，合理的梁端約束成為了懸臂棧道建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。而梁端嵌固于巖體之中，涉及梁巖相互作用，類似于受橫向荷載的樁土相互作用，但較樁土相互作用更為復(fù)雜。《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）提供了受水平荷載的樁的計(jì)算方法，懸臂棧道梁巖相互作用可借鑒樁土作用，同時引入巖體抗力系數(shù)以考慮梁與巖體間的垂直向相互作用。較之于樁土相互作用，梁巖相互作用還涉及嵌固端巖體的局部失穩(wěn)、巖體自身失穩(wěn)以及錨固端拔出等問題。本文采用有限元軟件建立不同錨固方式下的計(jì)算模型，分析懸臂棧道嵌固端破壞機(jī)理，總結(jié)嵌固端破壞的影響因素并應(yīng)用于工程實(shí)踐中。

3 有限元分析的技術(shù)路線

3.1 有限元分析模擬方法

巖體屬于彈塑性材料，彈塑性數(shù)值分析嚴(yán)格應(yīng)用了彈塑性力學(xué)原理，具有較高的精度，但通過數(shù)值分析不能獲得巖體的破壞狀態(tài)與破壞面，也無法求出極限荷載與穩(wěn)定安全系數(shù)。將數(shù)值分析法與極限分析法結(jié)合起來，就可以簡便地獲得破壞狀態(tài)，也可以求出極限荷載與穩(wěn)定安全系數(shù)，如鄭穎人等[3]提出的有限元極限分析法就已在土坡與巖坡中得到了廣泛應(yīng)用。本文采用Midas GTS 提供的強(qiáng)度折減法來計(jì)算分析懸臂棧道梁巖相互作用下的破壞面和安全系數(shù)。為考慮巖土體地應(yīng)力的影響，采用Midas GTS提供的施工階段分析方法進(jìn)行自重地應(yīng)力、開挖、梁體澆筑與外荷載施加等各階段的數(shù)值分析，并在外荷載施加階段通過強(qiáng)度折減法分析該階段的破壞面和安全系數(shù)。由于懸臂棧道的受力機(jī)理趨近于平面應(yīng)變，而本文關(guān)注的是垂直于巖面方向巖土體的受力狀態(tài)，因此采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行建模分析。

3.2 屈服準(zhǔn)則與極限狀態(tài)判據(jù)

有限元分析中通常采用的巖土屈服準(zhǔn)則是廣義米塞斯準(zhǔn)則與莫爾-庫侖準(zhǔn)則，本分析采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則。有限元計(jì)算分析的一個關(guān)鍵問題是如何根據(jù)計(jì)算結(jié)果來判別巖土體是否達(dá)到極限破壞狀態(tài)，極限狀態(tài)判據(jù)為同時滿足塑性區(qū)貫通與有限元計(jì)算不收斂。Midas GTS 計(jì)算軟件中的強(qiáng)度折減法已考慮了上述極限狀態(tài)的判據(jù)，巖土體的破壞面可根據(jù)最大應(yīng)變貫通面進(jìn)行查看，因此本次分析采用Midas GTS 計(jì)算軟件。

3.3 有限元模型的建立

為分析不同梁端約束條件下，巖土體破壞狀態(tài)的差異，建立了4 種模型工況，見表2。

表2 數(shù)值分析模型工況

各模型均在橫梁上施加15 kN/m 的均布荷載以模擬懸臂棧道的實(shí)際荷載，各模型均采用相同的巖土體外部約束。模型Ⅰ的有限元網(wǎng)格劃分、模型尺寸、邊界條件及梁上荷載見圖1（其余模型類同），圖中所示約束位置均為固定約束。各工況有限元模型巖土體和結(jié)構(gòu)體的特性參數(shù)見表3。

圖1 模型Ⅰ有限元網(wǎng)格圖

表3 巖土體及結(jié)構(gòu)體特性參數(shù)表

4 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

針對上述4 種模型工況，采用彈塑性數(shù)值分析得出正常使用條件下的變形與內(nèi)力結(jié)果；采用強(qiáng)度折減法分析得出極限狀態(tài)下的屈服破壞形態(tài)（見圖2～圖5）。4 種模型工況的重要計(jì)算結(jié)果見表4（表中位移為懸臂梁自由端最大豎向位移）。

圖2 模型Ⅰ強(qiáng)度折減法極限狀態(tài)下的破壞形態(tài)圖

圖3 模型Ⅱ強(qiáng)度折減法極限狀態(tài)下的破壞形態(tài)圖

圖4 模型Ⅲ強(qiáng)度折減法極限狀態(tài)下的破壞形態(tài)圖

圖5 模型Ⅳ強(qiáng)度折減法極限狀態(tài)下的破壞形態(tài)圖

表4 各模型計(jì)算結(jié)果對比

從上述4 種模型的有限元結(jié)果對比分析可看出：

（1）當(dāng)梁端不設(shè)置巖體錨桿時，模型Ⅰ屈服破壞區(qū)出現(xiàn)在梁嵌固端附近，且靠近上端部位的巖體承受更大應(yīng)力而形成一個潛在破裂楔體。

（2）當(dāng)梁端設(shè)置1.5 m 錨桿錨入巖體時，上層錨桿承受拉應(yīng)力，并將應(yīng)力擴(kuò)散至錨桿周邊巖體范圍，潛在屈服破壞區(qū)向巖層深處擴(kuò)展，提高了安全系數(shù)，而下層錨桿承受壓應(yīng)力，應(yīng)力擴(kuò)散范圍有限。

（3）當(dāng)梁端錨桿錨入巖體的深度加長至2.5 m 時，塑性破壞區(qū)出現(xiàn)在貫通坡底至坡頂?shù)男泵嫔?，而不出現(xiàn)在梁端局部范圍。這說明隨著錨桿錨入巖體長度的增加，梁端應(yīng)力繼續(xù)往巖土體深處擴(kuò)散，整個體系的極限狀態(tài)已由巖石體自身整體穩(wěn)定控制。由錨桿的拉應(yīng)力分布情況還可看出，當(dāng)其錨入巖體的長度超過1.5 m 后，錨桿拉應(yīng)力迅速減小，這表明錨入巖體的錨桿長度超過梁端尺寸一定長度后，錨桿發(fā)揮作用效果不明顯，由表4 可見，模型Ⅲ的安全系數(shù)僅比模型Ⅱ提高3.4%。

（4）橫梁加設(shè)斜撐后的模型Ⅳ其安全系數(shù)與模型Ⅲ相同，但這不代表斜撐不增加安全系數(shù)，而是因?yàn)榧恿诵睋危w安全系數(shù)已由巖石體自身整體穩(wěn)定控制。增加斜撐后，梁端應(yīng)力承受區(qū)由上下兩部分組成，明顯擴(kuò)大了梁端應(yīng)力擴(kuò)散范圍，因而在巖體自身穩(wěn)定系數(shù)足夠大時候，所設(shè)斜撐與懸臂梁共同構(gòu)成了斜撐框架，傳力路徑更為明確，能更多地承受棧橋豎向荷載。

（5）從使用階段梁的最大位移可以看出，設(shè)置錨桿對梁端豎向位移影響不明顯，而設(shè)置斜撐可提高整體剛度，對減小梁的撓度位移作用明顯。

5 工程實(shí)例應(yīng)用

5.1 清龍河流域環(huán)境整治慢道工程

貴陽市開陽縣清龍河流域環(huán)境綜合整治工程懸臂棧道為本文分析所依據(jù)的工程項(xiàng)目。根據(jù)本文的分析研究，采用了設(shè)錨桿的懸臂棧道型式。棧道橋?qū)?.5 m，標(biāo)準(zhǔn)跨徑3 m，3 跨為1 聯(lián)。施工時對巖體表面進(jìn)行清表，去除巖體表面不良土體、阻礙通行的樹木、有安全隱患的石塊等，懸臂梁端嵌固約束方式采用清理后梁端嵌入中風(fēng)化巖體0.5 m 并設(shè)置1.5 m錨桿錨入巖體，懸臂梁截面0.5 m×0.5 m。項(xiàng)目實(shí)施后運(yùn)行狀況良好，項(xiàng)目建成后實(shí)景圖見圖6。

圖6 清龍河慢道懸臂棧道實(shí)景圖

5.2 平潭環(huán)北部灣旅游觀光道工程

福州市平潭環(huán)北部灣旅游觀光道工程位于平潭島北部濱海地帶，為平潭島重要的濱海旅游景觀項(xiàng)目。為尊重生態(tài)理念，減少對巖石的破壞，保護(hù)巖石及周邊環(huán)境的原生態(tài)，景觀節(jié)點(diǎn)“望海角”采用觀景懸挑平臺，繞戰(zhàn)壕遺址巖石由西往東設(shè)置懸挑結(jié)構(gòu)，全長41 m。棧道段崖壁傾角70°～90°，基巖為中風(fēng)化花崗巖，巖體完整程度為較破碎-較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ～Ⅳ類。設(shè)計(jì)懸挑最大長度為3.6 m，平臺采用梁格體系，上鋪鋼格柵形成橋面。梁端嵌固約束方式采用梁端嵌入巖體0.5 m，并設(shè)置1.5 m 錨桿錨入巖體+斜撐梁，懸臂梁截面0.5 m×0.5 m，斜撐尺寸為0.3 m×0.3 m。平潭環(huán)北部灣旅游觀光道工程實(shí)施后榮獲交通部2020 年度“我家門口那條路——最具人氣的路”，中國公路學(xué)會“第二屆全國最美鄉(xiāng)村路”等多項(xiàng)國家部委、省部級獎項(xiàng)，而“望海角”懸臂棧道已成為項(xiàng)目中耀眼的網(wǎng)紅節(jié)點(diǎn)，其建成效果見圖7。

圖7 望海角”觀景懸挑平臺實(shí)景圖

6 結(jié)論

（1）懸臂棧道不同約束方式下的受力機(jī)理和潛在破壞形態(tài)不同。

（2）梁端錨桿可有效提高嵌固端安全系數(shù)，但錨入長度超過一定值后，提高效應(yīng)不明顯，設(shè)計(jì)中不可一味提高錨桿錨入長度。

（3）嵌固端上層受拉錨桿作用明顯，下層受壓錨桿對巖土體受力影響較小。實(shí)際實(shí)施中，可采用上下層不等長錨桿布置。

（4）設(shè)置斜撐可減小懸臂棧道的變形，擴(kuò)大嵌固端應(yīng)力擴(kuò)散范圍，提高安全儲備，對于巖體完整性較差、懸臂較長棧道宜增設(shè)斜撐。

（5）懸臂棧道的嵌固端嵌巖深度不宜小于500 mm，嵌固深度應(yīng)除去外層強(qiáng)風(fēng)化巖層厚度。

（6）對于懸臂棧道，現(xiàn)有規(guī)范未有針對性的規(guī)定。根據(jù)受力機(jī)理，棧道所在巖體的整體穩(wěn)定可按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2013）關(guān)于邊坡穩(wěn)定性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定，棧道錨固端局部穩(wěn)定及錨桿的安全可按錨桿（索）章節(jié)進(jìn)行驗(yàn)收；鑒于懸臂棧道破壞后果性，安全等級應(yīng)取一級。