香麗金沙江大橋重力式錨碇綜合安全評(píng)價(jià)*

楊小兵，王康云，李春曉，尹小濤，喬文號(hào)，5

（1.云南建投基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司 云南 昆明 650217）

（2.云南麗香高速公路投資開(kāi)發(fā)有限公司 云南昆明 650217）

（3.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 云南 昆明 650031）

（4.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 湖北 武漢 430071）

（5.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100000）

0 引言

地錨式懸索橋通過(guò)錨碇承受主纜傳遞的橋梁荷載，重力式錨碇，適用地層廣泛，在作業(yè)允許條件下，經(jīng)常作為地錨選型[1-3]；其缺點(diǎn)在于施工作業(yè)面大，開(kāi)挖造成的環(huán)境改變較大，錨碇體型龐大[4-5]。重力式錨碇設(shè)計(jì)理論簡(jiǎn)單，但其承載機(jī)制是科學(xué)評(píng)價(jià)、理論提升、挖潛增效和安全控制的基礎(chǔ)，仍需重視。

當(dāng)前重力式錨碇的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)主要依托懸索橋和橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[6-7]，評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括：材料強(qiáng)度、地基承載安全、變形穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全（抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)）。設(shè)計(jì)計(jì)算主要是依托錨碇的重量和地基的摩擦承載實(shí)現(xiàn)抗滑控制。研究主要集中在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定準(zhǔn)確的混凝土-地基摩擦參數(shù)[8-10]；數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力、基底應(yīng)力、變形和抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)，系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)安全[11-15]；模型試驗(yàn)評(píng)估結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件[16-17]。問(wèn)題在于沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)與地基的協(xié)同作用，不同評(píng)估指標(biāo)之間沒(méi)有考慮協(xié)調(diào)一致，即極限或者安全的標(biāo)準(zhǔn)不同，協(xié)調(diào)統(tǒng)一且適用于錨碇自身特征的指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)是探索的終極目標(biāo)。

依托香麗高速公路虎跳峽金沙江大橋麗江岸重力式錨碇工程，利用勘察和設(shè)計(jì)提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在規(guī)范提供的評(píng)價(jià)指標(biāo)和計(jì)算方法下，探討了不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的極限特征和安全標(biāo)準(zhǔn)，綜合論證了錨碇的穩(wěn)定性，為同類(lèi)錨碇的安全評(píng)價(jià)提供參考，也為適用于錨碇自身特征的指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了敏感性排序和敏感參數(shù)建議。

圖1 單塔單跨地錨式懸索橋剖面

1 工程概況

1.1 香麗虎跳峽金沙江大橋概況

主橋?yàn)?66m 獨(dú)塔單跨地錨式鋼桁梁懸索橋，索塔為鋼筋混凝土門(mén)型塔，下游塔柱高153.3m，上游塔柱高137.3m。主橋加勁梁為鋼桁架，橋?qū)?6m，公路-Ⅰ級(jí)汽車(chē)荷載。麗江岸采用擴(kuò)大基礎(chǔ)重力式錨碇，香格里拉岸采用隧道式錨碇。地震基本烈度：Ⅷ度。地震動(dòng)峰值加速度：0.3g。

勘察單位根據(jù)鉆探、平硐試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)綜合確定了設(shè)計(jì)所需計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)所需計(jì)算參數(shù)

1.2 麗江岸重力式錨碇

麗江岸重力式錨碇見(jiàn)圖2。最不利荷載組合主纜力4.0×105kN，錨碇總重量約2 009 450kN，錨碇總長(zhǎng)度72m，寬度50m。結(jié)構(gòu)地基摩擦系數(shù)0.59。

抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)ka>2.0，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)kc>3.0，水平變形值不大于76.6mm（萬(wàn)分之一主跨），豎向位移不大于153.2mm（萬(wàn)分之二主跨），基底應(yīng)力小于地基容許承載力。

利用CAD 的質(zhì)心求解命令，求取幾何圖形的質(zhì)心（40.8，13.9），由于對(duì)稱(chēng)性x 方向的位置求解準(zhǔn)確，不同力的大小和力臂信息統(tǒng)計(jì)列于表2。

根據(jù)《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/T D 65-05-2015 第8.4.1 條規(guī)定了抗傾覆穩(wěn)定性及抗滑動(dòng)穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)、第8.4.2 條規(guī)定了基底應(yīng)力安全標(biāo)準(zhǔn)、第8.4.3 條規(guī)定了變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D63-2007 第4.4.1 條規(guī)定了抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算公式；第4.4.2 條的規(guī)定了抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算公式；《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D63-2007 第4.2 條規(guī)定了偏心條件下的基底應(yīng)力計(jì)算公式，進(jìn)行重力式錨碇綜合安全評(píng)價(jià)。

2 麗江岸重力式錨碇綜合安全評(píng)價(jià)

2.1 不同指標(biāo)的極限分析

根據(jù)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)公式，代入表2 參數(shù)，則得到kc=5.3，大于3.0，當(dāng)前設(shè)計(jì)下，結(jié)構(gòu)抗傾覆性能安全可靠。基于偏心考慮的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)評(píng)估錨碇結(jié)構(gòu)的整體抗轉(zhuǎn)動(dòng)性能及安全，可知2.2P 下kc=2.0；3.6P 下kc=1.0，即當(dāng)前設(shè)計(jì)重量下，橋梁2.2P 下不再滿(mǎn)足規(guī)范抗傾覆要求，3.6P下會(huì)因?yàn)閮A覆失穩(wěn)，即該指標(biāo)揭示的極限承載。

根據(jù)抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)公式，代入表2 參數(shù)，則得到ka=3.2，大于2.0，當(dāng)前設(shè)計(jì)下，結(jié)構(gòu)抗滑動(dòng)性能安全可靠。當(dāng)前設(shè)計(jì)重量下，橋梁1.5P 下不再滿(mǎn)足規(guī)范抗滑動(dòng)要求，2.6P 下會(huì)因?yàn)榛瑒?dòng)失穩(wěn)，即該指標(biāo)揭示的極限承載。

根據(jù)考慮偏心作用的基底應(yīng)力公式，代入表2 參數(shù)，則得到Pmax=634kPa，Pmin=410kPa，當(dāng)前設(shè)計(jì)下，地基承載安全。當(dāng)前設(shè)計(jì)重量下，橋梁3.4P 下基底會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，Pmax 依然小于中風(fēng)化板巖容許承載力1 100kPa，不再滿(mǎn)足基底應(yīng)力控制要求，即該指標(biāo)揭示的極限承載。

假設(shè)地基為孤立的塊體，利用胡克定律，計(jì)算水平位移和豎向位移，假設(shè)水平向尺度72m，豎向72m，代入表1 和2 參數(shù)，則得到Dh=5.2mm，Dv=7.5mm，分別小于水平和豎向變形控制標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前設(shè)計(jì)下，變形穩(wěn)定。在不考慮地基不均勻性的前提下，變形穩(wěn)定，變形不敏感。如果考慮地基不均勻性，強(qiáng)風(fēng)化的模量可按0.2GPa，則1P 下，Dh=90.4mm，Dv=131.6mm，水平變形不滿(mǎn)足要求。

圖2 麗江岸重力式錨碇

表2 錨碇作用力系

圖3 重力式錨碇受力簡(jiǎn)圖

表3 各指標(biāo)揭示的超載極限值

各指標(biāo)揭示的極限承載，考慮地基不均勻性下的變形穩(wěn)定<抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)<地基承載安全<抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)，這也是錨碇結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的敏感性。

2.2 麗江岸錨碇的綜合安全評(píng)價(jià)

麗江岸重力式錨碇在當(dāng)前設(shè)計(jì)下是安全，而且麗江岸重力式錨碇基坑開(kāi)挖后，一定要對(duì)基底發(fā)現(xiàn)的碎石土和強(qiáng)風(fēng)化板巖進(jìn)行地基處理和加固處置，否則不均勻沉降可能造成結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)。

如果基底全部為中風(fēng)化板巖，各指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求的橋梁荷載為1.5P；2.6P 之后滑動(dòng)失穩(wěn)，3.4P 之后基底出現(xiàn)拉應(yīng)力，3.6P 之后轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)。由此可知，1.0-1.5P 可穩(wěn)妥挖掘，1.5-2.6P慎重使用，2.6-3.6P 部分指標(biāo)失效。

2.3 麗江岸錨碇重量?jī)?yōu)化

在上述基礎(chǔ)上對(duì)錨碇重量?jī)?yōu)化，1P+0.7G 下，ka=2.2，kc=3.6，Pmax=467kPa，Pmin=243kPa；1P+0.5G 下， ka =1.5， kc =2.5， Pmax =355kPa，Pmin =131kPa； 1P +0.4G 下， ka =1.1， kc =1.9，Pmax=299kPa，Pmin=75kPa；1P+0.3G 下，ka=0.8，kc=1.3，Pmax=243kPa，Pmin=19kPa，在減重則全面失穩(wěn)。從分析可知，減重30%，則各指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求；減重50%，僅抗滑動(dòng)指標(biāo)不滿(mǎn)足規(guī)范要求，其余指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求；減重60%，滑動(dòng)處于臨界狀態(tài)，抗傾覆指標(biāo)不滿(mǎn)足規(guī)范要求，其余指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求；減重70%，滑動(dòng)、傾覆和地基均處于臨界狀態(tài)，這是需要避免的。0-30%的重量?jī)?yōu)化是穩(wěn)妥的，50-60%需要慎重對(duì)待，錨碇不能出現(xiàn)低于40%的有效重量的情況。

3 結(jié)語(yǔ)

（1） 香麗高速公路虎跳峽金沙江地錨式懸索橋麗江岸重力式錨碇，在當(dāng)前設(shè)計(jì)下，抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)3.2，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)5.3，地基承載安全。基底一旦出現(xiàn)碎石土和強(qiáng)風(fēng)化板巖需進(jìn)行地基處理，否則可能造成結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)。

（2） 各指標(biāo)揭示的極限承載，考慮地基不均勻性下的變形穩(wěn)定<抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)<地基承載安全<抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)。

（3） 其余設(shè)計(jì)參數(shù)不變時(shí)，0%～30%的重量?jī)?yōu)化是穩(wěn)妥的，50%～60%需要慎重對(duì)待，錨碇不能出現(xiàn)低于40%的有效重量的情況。