局部支撐于大型溶槽上的拱座基礎(chǔ)及地基受力分析

曹衛(wèi)力 羅富元

摘要：文章依托某400 m級大跨徑中承式鋼管混凝土有推力拱橋?qū)嶋H工程，采用實體有限元軟件仿真分析，對局部支撐于大型溶槽上的拱座基礎(chǔ)及地基受力進(jìn)行了計算分析。結(jié)果表明，溶槽的存在會導(dǎo)致地基和拱座基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力顯著增大，增大拱座基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)厚度可以改善地基和拱座基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力，有效降低溶槽對拱座基礎(chǔ)受力的影響，并給出了拱座基礎(chǔ)的安全、經(jīng)濟(jì)厚度范圍，為今后同類設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋；實體有限元；拱座基礎(chǔ)；大型溶槽

中圖分類號：U443.23 A 56 185 3

0 引言

在我國，可溶性巖石分布面積占國土面積的1/3以上，尤其是在西部地區(qū)，如云南、貴州、廣西等省區(qū)，巖溶分布十分廣泛［1］。鋼管混凝土拱橋以其剛度大、耐久性好、造價經(jīng)濟(jì)以及施工便利等優(yōu)勢，在我國西部交通建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用［2］。在巖溶區(qū)修建鋼管混凝土拱橋，基礎(chǔ)設(shè)計往往是其中的難點(diǎn)。由于缺乏有針對性的在巖溶地區(qū)修建有推力拱橋的設(shè)計方法，當(dāng)橋址區(qū)域附近發(fā)育有大型溶洞或溶槽時，基于保守設(shè)計觀點(diǎn)，在方案研究階段，往往會考慮造價高昂的巖溶處治方案，或者直接將有推力拱橋方案排除在外，從而選擇工程造價更高的其他橋型，造成工程投資增加。因此，有必要對橋址附近發(fā)育有大型溶洞或溶槽時的拱橋基礎(chǔ)及地基受力進(jìn)行分析，研究其受溶洞或溶槽的影響程度，以明確這類條件下拱橋方案的可行性。

本文以某400 m級大跨徑中承式鋼管混凝土有推力拱橋作為工程背景，采用實體有限元軟件分析局部支撐于大型溶槽上的拱座基礎(chǔ)及地基受力情況，分別研究溶槽對基礎(chǔ)及地基受力的影響，并對比不同厚度基礎(chǔ)受溶槽的影響程度，為以后同類設(shè)計提供有益參考。

1 工程概況

翁堯黔江特大橋是高安至柳武高速黃茆出口公路工程中跨越黔江的一座特大橋，位于來賓市興賓區(qū)高安鄉(xiāng)翁堯村附近，全橋總長628 m。主橋采用中承式鋼管混凝土拱橋，凈跨徑420 m，凈矢跨比為1/4.2，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.5；主拱為變高度四管桁式截面，兩片拱肋橫橋向中心間距為28.1 m。主梁采用格構(gòu)式鋼-混組合結(jié)構(gòu)，橋面鋼格子梁由四道主縱梁、三道次縱梁與吊索處的主橫梁及四道次橫梁組成。吊桿采用15.2 mm環(huán)氧噴涂鋼絞線擠壓成型為吊桿索體，間距14 m。本文研究的主墩基礎(chǔ)采用整體式擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸為43.6 m（橫橋向）×32.0 m（順橋向）×6.0 m（厚度）。

2 工程地質(zhì)條件

橋位區(qū)的主要地層為素填土、卵石、粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土混卵石、碎石土及中風(fēng)化灰?guī)r。中風(fēng)化灰?guī)r層為基巖，巖體呈灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較堅硬，巖體較完整，局部溶蝕裂隙發(fā)育。該巖層分布于整個場地，根據(jù)鉆探成果反映，場地基巖淺部巖溶強(qiáng)發(fā)育，其形態(tài)以溶洞、溶蝕裂隙、溶槽等為主。其中，西岸主墩基礎(chǔ)拱背西南側(cè)發(fā)育有大型溶槽，充填粉質(zhì)黏土混碎石，鉆探揭示最大深度72.50 m仍未鉆穿，溶槽厚度不詳，基底地基存在軟硬不一的巖性，均勻性較差，易引起基礎(chǔ)不均勻沉降，工程地質(zhì)條件較復(fù)雜。見圖1和下頁表1。

3 計算模型

采用有限元軟件ANSYS建立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)+場地一體化實體有限元分析模型，因基礎(chǔ)嵌入基巖中，模型中不考慮覆蓋層土體的抗力作用，將覆蓋層土體作為荷載施加到基巖面上，場地模型僅建立基巖部分。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和基巖均采用solid185實體單元進(jìn)行模擬，并通過掃掠劃分六面體單元，混凝土和基巖之間采用剛體-柔體接觸建立基礎(chǔ)與基巖的聯(lián)系［3］。由于基礎(chǔ)剛度大于基巖剛度，目標(biāo)面選擇基礎(chǔ)構(gòu)造面，采用TARGE170單元進(jìn)行模擬；基巖基坑構(gòu)造面為接觸面，采用CONTA173單元進(jìn)行模擬，接觸單元特性采用標(biāo)準(zhǔn)模式，該模式下接觸單元能夠傳遞法向壓力和切向摩擦力，不傳遞法向拉力，且接觸表面可以分離脫空［4］。圖2為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)實體有限元模型。

圖3為場地基巖（含溶槽，不考慮溶槽內(nèi)填充物）實體有限元模型。模型中場地尺寸為100 m（順橋向）×100 m（橫橋向）×30 m（深度）。經(jīng)計算，該尺寸可以消除場地邊界對結(jié)構(gòu)和近場基巖巖體計算結(jié)果的影響。

荷載條件：選取主拱拱腳最大彎矩工況對應(yīng)內(nèi)力作為荷載進(jìn)行有限元計算分析，分析拱背西南側(cè)基礎(chǔ)下存在溶槽時，基礎(chǔ)和基巖的受力情況。見表2。

4 分析計算工況

為更好地分析大型巖槽對基礎(chǔ)受力的影響，本文通過設(shè)置以下工況進(jìn)行分析對比：

（1）溶槽影響分析工況：在基礎(chǔ)厚度相同（6 m）的條件下，對比有溶槽工況和無溶槽對基礎(chǔ)及地基受力的影響。

（2）基礎(chǔ)厚度分析工況：在溶槽發(fā)育相同的條件下，對比不同基礎(chǔ)厚度（3～10 m）受溶槽影響的程度。

5 分析結(jié)果

5.1 溶槽影響分析

圖4是有溶槽工況中場地基巖巖體主壓應(yīng)力云圖。通過圖4可以看出基巖最大主壓應(yīng)力為3.56 MPa（應(yīng)力集中），該應(yīng)力峰值位于地基溶槽邊界處。對于無溶槽工況，基巖最大主壓應(yīng)力為1.22 MPa。由于溶槽形成了應(yīng)力集中的巖體邊界區(qū)，造成基巖局部應(yīng)力大大增加，增加幅度為192%。

圖5為有溶槽工況中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主壓應(yīng)力云圖。通過圖5可以看出，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力為1.6 MPa，該應(yīng)力峰值位于溶槽區(qū)的基礎(chǔ)局部下陷變形位置。而無溶槽工況基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力為1.15 MPa，相較而言，有溶槽工況中的大型溶槽導(dǎo)致基礎(chǔ)最大主壓應(yīng)力增加了39%。

圖6為有溶槽工況中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力云圖，基礎(chǔ)最大主拉應(yīng)力水平約為0.44 MPa。通過圖6可以看出，基礎(chǔ)受拉區(qū)明顯偏向溶槽區(qū)分布，形成局部拉應(yīng)力增大，拉應(yīng)力水平在0.15～0.44 MPa。相較于無溶槽工況基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力為0.17 MPa，大型溶槽導(dǎo)致基礎(chǔ)最大主壓應(yīng)力增加了159%。

圖7為有溶槽工況中基礎(chǔ)豎向位移云圖。從圖7可以看出，基礎(chǔ)在溶槽區(qū)的豎向下陷變形最大值為0.6 cm，屬于不均勻下沉。而無溶槽工況基礎(chǔ)變形豎向位移最大值為0.1 cm，無明顯不均勻下沉。

5.2 基礎(chǔ)厚度影響分析

圖8為基礎(chǔ)厚度與基礎(chǔ)最大主拉應(yīng)力、最大主壓應(yīng)力關(guān)系曲線圖。通過圖8可以看出，隨著基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)厚度增加，基礎(chǔ)的總體應(yīng)力水平逐漸降低。這是由于隨著基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)厚度的增加，基礎(chǔ)整體性增強(qiáng)、剛度增大，基礎(chǔ)在拱腳內(nèi)力作用下，彈性變形較小，受溶槽影響程度降低。此外，當(dāng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)厚度＞6 m時拉應(yīng)力變化緩慢，再增大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)厚度對基礎(chǔ)受力改善程度有限，因此基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)厚度取6～8 m較為合理。

6 結(jié)語

本文以某400 m級拱橋的拱座基礎(chǔ)為例，分析局部支撐于大型溶槽上拱座基礎(chǔ)及地基的受力情況。通過實體有限元分析，分別研究溶槽對基礎(chǔ)及地基受力的影響以及不同基礎(chǔ)厚度受溶槽影響的程度，得出以下結(jié)論：

（1）相比于無溶槽地質(zhì)條件，當(dāng)拱座基礎(chǔ)局部支撐在大型溶槽上時，由于溶槽區(qū)部分基底無支承，基礎(chǔ)發(fā)生局部下陷變形，產(chǎn)生不均勻下沉，導(dǎo)致溶槽區(qū)域附近基巖和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力顯著增大。

（2）增大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)厚度，可以降低基巖和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受溶槽影響程度，改善基巖和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。當(dāng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)厚度超過某數(shù)值后，再增大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)厚度對基礎(chǔ)受力改善效果大大降低。因此，對于局部支撐于大型溶槽的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可以通過實體有限元分析，確定安全、經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)厚度。本文的項目條件下，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的合理厚度為6～8 m。

（3）在未采取任何巖溶處治措施情況下，基礎(chǔ)及地基受力滿足強(qiáng)度要求，方案具備可行性。考慮到基礎(chǔ)在溶槽區(qū)的下陷變形約為0.6 cm，針對不均勻下沉，建議進(jìn)行局部加強(qiáng)設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

［1］郭 曉.巖溶地基—基礎(chǔ)相互作用對鋼管混凝土拱橋抗震的影響［D］.南寧：廣西大學(xué)，2016.

［2］郭 曉，謝開仲，柏美巖，等.溶洞對鋼管混凝土拱橋地震反應(yīng)分析的影響［J］.公路，2018，63（6）：172-176.

［3］黎水昌，廖宸鋒，羅富元.巖溶地區(qū)拱座臺階基礎(chǔ)設(shè)計計算分析［J］.西部交通科技，2020（6）：95-97.

［4］唐必剛，趙怡彬.基于ANSYS接觸分析的拱座臺階基礎(chǔ)計算［J］.公路工程，2017（3）：170-174，191.

收稿日期：2023-08-30