懸臂棧道嵌固端破壞機理分析及工程實踐

黃福祥

（廈門市市政工程設(shè)計院有限公司，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，或為增添景觀，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)驗的應(yīng)用，部分棧道建設(shè)者也在理論與實踐上做過一些總結(jié)，如劉潤峰等[1]對棧道橫梁結(jié)構(gòu)梁體型式進行了研究；趙光貞等[2]對懸臂棧道的施工過程進行了敘述，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理進行分析，得出梁端的合理約束方式，并推廣應(yīng)用于工程實踐中。

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，標準跨徑3 m，3 跨為1 聯(lián)，橋面設(shè)計荷載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強風化層且附生植被，局部巖石裸露，覆蓋層下巖石為中風化-微風化石灰?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。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算模型，分析懸臂棧道嵌固端破壞機理，總結(jié)嵌固端破壞的影響因素并應(yīng)用于工程實踐中。

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 提供的強度折減法來計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)變模型進行建模分析。

3.2 屈服準則與極限狀態(tài)判據(jù)

有限元分析中通常采用的巖土屈服準則是廣義米塞斯準則與莫爾-庫侖準則，本分析采用莫爾-庫侖準則。有限元計算分析的一個關(guān)鍵問題是如何根據(jù)計算結(jié)果來判別巖土體是否達到極限破壞狀態(tài)，極限狀態(tài)判據(jù)為同時滿足塑性區(qū)貫通與有限元計算不收斂。Midas GTS 計算軟件中的強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)變貫通面進行查看，因此本次分析采用Midas GTS 計算軟件。

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強度折減法極限狀態(tài)下的破壞形態(tài)圖

圖3 模型Ⅱ強度折減法極限狀態(tài)下的破壞形態(tài)圖

圖4 模型Ⅲ強度折減法極限狀態(tài)下的破壞形態(tài)圖

圖5 模型Ⅳ強度折減法極限狀態(tài)下的破壞形態(tài)圖

表4 各模型計算結(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)力擴散至錨桿周邊巖體范圍，潛在屈服破壞區(qū)向巖層深處擴展，提高了安全系數(shù)，而下層錨桿承受壓應(yīng)力，應(yīng)力擴散范圍有限。

（3）當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)男泵嫔希怀霈F(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)，而是因為加了斜撐，整體安全系數(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，明顯擴大了梁端應(yīng)力擴散范圍，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，標準跨徑3 m，3 跨為1 聯(lián)。施工時對巖體表面進行清表，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。項目實施后運行狀況良好，項目建成后實景圖見圖6。

圖6 清龍河慢道懸臂棧道實景圖

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目。為尊重生態(tài)理念，減少對巖石的破壞，保護巖石及周邊環(huán)境的原生態(tài)，景觀節(jié)點“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”等多項國家部委、省部級獎項，而“望海角”懸臂棧道已成為項目中耀眼的網(wǎng)紅節(jié)點，其建成效果見圖7。

圖7 望海角”觀景懸挑平臺實景圖

6 結(jié)論

（1）懸臂棧道不同約束方式下的受力機理和潛在破壞形態(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。實際實施中，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，擴大嵌固端應(yīng)力擴散范圍，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)除去外層強風化巖層厚度。

（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)定性評價標準進行判定，棧道錨固端局部穩(wěn)定及錨桿的安全可按錨桿（索）章節(jié)進行驗收；鑒于懸臂棧道破壞后果性，安全等級應(yīng)取一級。