基于GTSNX的交變荷載下巖土體與樁臺力學(xué)行為模擬研究

張 濤

（貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550008）

0 引言

在山區(qū)地形修筑橋梁類跨越構(gòu)筑物，裝配式施工在各種大跨度懸索吊橋，斜拉橋及拱橋建設(shè)中十分普遍，如纜索吊裝等。錨固系統(tǒng)是裝配式施工中重要的組成部分[1]。

夾石特大橋位于貴州銅仁境內(nèi)，施工初期擬采用樁基與承臺（以下簡稱樁臺）組合式錨碇形式，將橋梁的永久性結(jié)構(gòu)樁臺用來代替一般的臨時性錨碇結(jié)構(gòu)。該方式能極大地節(jié)省臨時錨碇的施工和維護成本、縮短工期等。與一般的重力式錨碇、巖錨錨碇等相比，優(yōu)越性突出。橋梁結(jié)構(gòu)施工完成后，樁臺在橋梁運營期還能正常發(fā)揮作用。

本文對樁臺在交變荷載下的力學(xué)行為進行研究探討，能進一步認識樁臺在巖土體的行為變化，對往后的生產(chǎn)活動具有一定指導(dǎo)意義[2]。

1 工程概況

1.1 橋型方案

夾石特大橋為整幅橋，起點樁號K0+549，終點樁號K0+978，全長429m。上部結(jié)構(gòu)采用5m×25m預(yù)應(yīng)力T梁+230m鋼筋混凝土箱型拱+2m×25m預(yù)應(yīng)力T梁；下部鋼筋混凝土拱座；過渡墩，樁基礎(chǔ)；U型橋臺，樁基礎(chǔ)。橋面凈寬：2×凈7.25m，荷載等級：公路Ⅰ級。

1.2 橋區(qū)地質(zhì)情況

場區(qū)屬長江流域烏江水系，橋位中部為烏江，河寬145～288m，水位高程受下游沙坨電站蓄水、泄水控制。場區(qū)地層巖性覆蓋層為殘坡積層（Qel+dl）碎石土、人工填土（Qme）回填碎石土；下伏基巖為寒武系上統(tǒng)后壩組（∈3h）白云巖夾泥質(zhì)白云巖，分布泥化夾層。

橋區(qū)地下水類型為基巖裂隙水、巖溶水及第四系土層孔隙、裂隙水，地下水主要靠大氣降水及地表徑流沿巖層層面及裂隙滲透補給。

2 計算模型建立

2.1 本構(gòu)模型的選擇

巖土體的本構(gòu)模型是一種表達外荷載作用下材料特性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的經(jīng)驗性描述[3]。由于巖土體的組成中液體、氣體、固體的隨機性和復(fù)雜性，也使巖土體的性質(zhì)十分復(fù)雜。鑒于許多樁臺施工運營中，巖土體處于塑性工作狀態(tài)，結(jié)合本文工程實際的地質(zhì)情況選取理想彈塑性模型-摩爾庫倫模型，服從Mohr-Coulomb 剪切破壞準則[4]。

2.2 三維數(shù)值模型構(gòu)建

所選材料巖土體的物理力學(xué)參數(shù)以現(xiàn)場勘察和室內(nèi)室外試驗指標為依據(jù)進行相關(guān)參數(shù)選取，如表1。模型整體網(wǎng)格劃分合理并保證所選取巖土體本構(gòu)模型、物理力學(xué)等參數(shù)與實際數(shù)據(jù)吻合，為相關(guān)的有限元模擬計算提供相關(guān)依據(jù)。

表1 巖土體參數(shù)表

根據(jù)樁臺所處周圍環(huán)境地質(zhì)情況，對樁基施工實際情況進行模擬中，根據(jù)需求對分析計算模型做了適當?shù)暮喕Ｓ蓪嶋H情況對施工中的主要影響因素處以適當假設(shè)：①便于建立計算模型，周圍土層情況認為是均質(zhì)分布，選擇Mohr-Coulomb作為本構(gòu)模型；②樁基和承臺均為彈性本構(gòu)；③開挖施工以及勘探對土體產(chǎn)生的擾動過程暫時不考慮自重存在[5]-[9]。

確定三維模型尺寸，以樁臺施工為基礎(chǔ)，考慮工程尺寸、大致水文地質(zhì)環(huán)境，水平影響范圍、垂直影響范圍，取3~5倍結(jié)構(gòu)尺寸，最終模型尺寸為60m×60m×40m。模型生成網(wǎng)格24493個，包含21280個節(jié)點。

3 施工運營過程模擬分析

3.1 樁臺施工自重作用

在樁臺施工過程中考慮其圬工材料的自重效應(yīng)，樁臺會產(chǎn)生位移和相應(yīng)內(nèi)力變化。

樁基和承臺在施工完成的整個過程中，荷載作用僅為自重作用，總體的自重大約是17212kN，對周圍巖土體產(chǎn)生一定作用。

3.2 施加錨索荷載作用

樁臺在用作臨時錨固系統(tǒng)時，錨索將拱橋節(jié)段的重力和施工荷載傳遞給樁臺，樁臺承受的總合力為斜向上，分解成水平方向和豎直方向兩個力。作用力如表2所示。將對應(yīng)點的錨索拉力施加在樁臺結(jié)構(gòu)上，模型計算得樁臺總位移行為變化圖（見圖1），樁基在荷載作用下的位移、內(nèi)力變化圖，如圖2~5。

表2 墩錨碇索力

圖1 錨索拉力下樁臺總位移

圖2 錨索拉力下樁1、2、3號位移

圖3 錨索拉力下樁4、5、6號位移

圖4 錨索拉力下樁1、2、3號內(nèi)力

圖5 錨索拉力下樁4、5、6號內(nèi)力

從圖2可以清楚地看到，承臺在錨索的錨固處附近有顯著的位移，樁基1、2、3號靠近錨索錨固面，比樁基4、5、6號樁位移明顯。樁基1、2、3號位移和內(nèi)力都較大，對錨索拉力反應(yīng)更大。證明轉(zhuǎn)臺有沿錨索拉力方向整體的轉(zhuǎn)動趨勢，近錨固面的樁拉力較大，遠側(cè)樁基拉力較小。巖土體的抗力充分發(fā)揮出來。

3.3 橋梁上部荷載作用

樁臺在橋梁施工完成后將會撤掉錨索拉力，成為永久結(jié)構(gòu)用作橋梁墩臺的基礎(chǔ)，承受橋梁的上部荷載作用。荷載作用下樁臺總位移變化圖見圖6，各個樁基的位移、內(nèi)力變化圖見圖7~10。

圖6 橋梁上部荷載下樁臺總位移

圖7 橋梁上部荷載下樁1、2、3號位移

圖8 橋梁上部荷載下樁4、5、6號位移

圖9 橋梁上部荷載下樁1、2、3號內(nèi)力

橋梁運營階段的上部荷載作用下，樁臺整體上比其剛施工完成后在自重作用下的變化不大，承載能力得到保證。但是在圖6中反映出樁臺的錨索拉力作用下的殘留變形，在卸下錨索力后部分變形不可恢復(fù)。

圖7~圖10中，比較可以看出，近錨索錨固面的樁（樁號1、2、3）位移和內(nèi)力相對比遠側(cè)（樁號4、5、6）小，橋梁上部荷載相當于是對前階段錨索作用下的“彌補”效果。樁臺在橋梁施工運營整個階段十分可靠。

圖10 橋梁上部荷載下樁4、5、6號內(nèi)力

4 結(jié)束語

橋梁建設(shè)運營過程中，樁臺在橋梁建設(shè)施工期間，在澆筑成型時承受自重荷載，其后在橋梁上部結(jié)構(gòu)施工中，樁臺用作錨固結(jié)構(gòu)，承受來自纜索的斜拉索力，橋梁運營期間又承受上部結(jié)構(gòu)與車輛荷載。不同荷載作用下，巖土體與樁臺結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同的內(nèi)力變化和位移變形，工況較為復(fù)雜。為了研究不同荷載下的巖土體與樁臺的力學(xué)行為，根據(jù)工程實際情況輔以MIDAS-GTSNX進行模擬分析。結(jié)論如下：

（1）豎向往復(fù)荷載作用時巖土力學(xué)性質(zhì)較好的情況下，作用次數(shù)較少時，對巖土體的力學(xué)性質(zhì)影響甚微，巖土體性質(zhì)較差時影響有所增加。

（2）將橋梁墩臺基礎(chǔ)永久結(jié)構(gòu)用作錨碇臨時結(jié)構(gòu)時，位移變形可控，結(jié)構(gòu)可靠性良好，經(jīng)濟性高。往復(fù)荷載作用階段結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一定的“彌補”效果。