基于數(shù)值仿真的地連墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)力學(xué)研究

高 駿 劉紅勝 胡振偉 張紅玉

(1.保利長(zhǎng)大工程有限公司 廣州 510000; 2.武昌首義學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院 武漢 430064)

地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在橋梁工程中,其通常作為橋梁錨碇工程中的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)承重結(jié)構(gòu),尤其對(duì)于某些懸索橋來(lái)說(shuō),其錨碇工程大量運(yùn)用了地下連續(xù)墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)[1-4]。錨碇基礎(chǔ)類型通常有擴(kuò)大基礎(chǔ)、地下連續(xù)墻、沉井基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)等多種形式,懸索橋的錨固方式主要是地錨與自錨2種形式,地錨方式在懸索橋施工過(guò)程中被廣泛采用。地下連續(xù)墻錨碇基礎(chǔ)通常有3種結(jié)構(gòu)形式[5-7]:圓形地下連續(xù)墻錨碇基礎(chǔ)、矩形地下連續(xù)墻錨碇基礎(chǔ),以及分體井筒式地連墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)。其中,分體井筒式地連墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是近幾年新興的錨碇基礎(chǔ)形式,其結(jié)構(gòu)新穎,受力復(fù)雜,需要準(zhǔn)確分析錨碇基礎(chǔ)周邊土體與錨碇結(jié)構(gòu)共同作用下的受力性能。三維數(shù)值分析方法能夠準(zhǔn)確合理地反映分體井筒式地連墻錨碇基礎(chǔ)及地基共同作用性質(zhì)及實(shí)際受力狀態(tài)。本文以西江特大橋清遠(yuǎn)側(cè)(北)錨碇基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,建立三維有限元模型,開(kāi)展相關(guān)研究。

1 工程概況

西江特大橋項(xiàng)目是汕頭至湛江高速公路清遠(yuǎn)至云浮段的控制性工程。主橋橋型采用跨徑為210 m+738 m雙跨吊鋼箱梁懸索橋,主橋纜跨布置為300 m+738 m+212 m,主纜采用平行鋼絲索股,矢跨比1/9;主梁采用梁高3 m扁平鋼箱梁。清遠(yuǎn)側(cè)錨碇位于西江北岸,簡(jiǎn)稱為北錨碇。北錨碇井筒式地下連續(xù)墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)構(gòu)造圖見(jiàn)圖1。

圖1 北錨碇井筒式地連墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)構(gòu)造圖(尺寸單位:mm)

北錨碇基礎(chǔ)部分采用矩形井筒地下連續(xù)墻基礎(chǔ),單個(gè)井筒平面尺寸為42 m×18.6 m,內(nèi)外墻厚度均為1.2 m,通過(guò)內(nèi)部、橫縱隔墻分成8個(gè)隔艙,隔艙凈距順橋向?yàn)?.5 m,橫橋向?yàn)? m。順橋向2個(gè)井筒在頂部通過(guò)厚度為6.5 m,平面尺寸采用53.5 m×45.2 m矩形剛性承臺(tái)連接,為提供較大的豎向和水平承載力,井筒底部嵌入中風(fēng)化花崗巖 3 m以上。基礎(chǔ)頂標(biāo)高16 m,基礎(chǔ)底標(biāo)高為-21.2～-37.3 m。

北錨碇井筒式地連墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)的錨體及支墩采用分離式空心格構(gòu)式結(jié)構(gòu),錨體高36.2 m,散索鞍支墩在除底部和頂部設(shè)置實(shí)心段外,其余采用空腹斷面,斷面尺寸為8 m×10 m,前錨室側(cè)墻、底板厚度為1 m,頂板、前墻厚度0.8 m,單個(gè)錨體橫向?qū)挾?6 m,后錨體后懸出基礎(chǔ)5 m,采用分層鋪設(shè)鋼筋澆筑混凝土的方式以滿足后懸錨體的受力需要。錨體、支墩、前錨室、頂板采用C30混凝土,墻身采用C35水下混凝土。

2 有限元模型

2.1 模型建立

采用大型有限元軟件FLAC3D對(duì)北錨碇基礎(chǔ)進(jìn)行建模計(jì)算。為更好地模擬分體井筒式地連墻錨碇基礎(chǔ)與地基土的共同作用,采用實(shí)體單元建模。按照設(shè)計(jì)尺寸及地質(zhì)資料建立的三維有限差分網(wǎng)格模型共包含80 416個(gè)節(jié)點(diǎn),68 825個(gè)單元。為得到較為合理的模擬結(jié)果,對(duì)錨碇結(jié)構(gòu)及井筒式地連墻基礎(chǔ)的網(wǎng)格進(jìn)行加密剖分,錨碇共包含17 884 個(gè)節(jié)點(diǎn),7 905個(gè)單元。北錨碇網(wǎng)格模型圖見(jiàn)圖2。

圖2 北錨碇井筒式地連墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)網(wǎng)格模型圖

三維仿真模型X軸沿錨碇中心線方向,順橋向長(zhǎng)度取錨碇前、后共約280 m范圍,Z軸方向?yàn)闄M橋向,長(zhǎng)度取錨碇中心線左、右共150 m范圍,Y軸方向豎直朝上,取地面以下82 m深度,包括中風(fēng)化巖層深度30 m。有限元模型的邊界約束條件為截?cái)嗝婕澳Ｐ偷酌娼Y(jié)點(diǎn)為三向約束。

按照鉆孔資料,數(shù)值分析中地層共分為粉土、礫砂、中密粉砂、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化巖層等土層,土體采用摩爾-庫(kù)侖模型,錨碇結(jié)構(gòu)、地連墻及頂板采用線彈性模型,地連墻與土體之間設(shè)置無(wú)厚度的接觸面單元,接觸面本構(gòu)關(guān)系也采用摩爾-庫(kù)侖模型,接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)取周邊土體的70%,接觸面的法向和切向剛度按式(1)～(3)計(jì)算。

kn=ks=10·max[(K+4G/3)/Δzmin]

(1)

k=E/[3·(1-2υ)]

(2)

G=E/[2·(1+υ)]

(3)

式中:kn為樁土界面法向彈簧剛度;ks為樁土界面切向彈簧剛度;K為樁周土體體積模量;G為樁周土體剪切模量;υ為土體的泊松比;Δzmin為樁周土體網(wǎng)格劃分的最小單元尺寸。

2.2 材料參數(shù)取值

根據(jù)地層的分析,選取最不利地層條件(14號(hào)孔)進(jìn)行計(jì)算,其土層及參數(shù)取值見(jiàn)表1。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地連墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)位移和沉降

北錨碇及地連墻在施工階段(錨體施工完成)、運(yùn)營(yíng)階段(纜力施加完成)的水平位移及沉降云圖見(jiàn)圖3。

由圖3a)、b)可見(jiàn),施工階段錨碇水平位移在-20～-37 mm之間,運(yùn)營(yíng)階段水平位移在7～10 mm之間。施工階段地連墻水平位移在6.9～-15 mm之間,運(yùn)營(yíng)階段地連墻水平位移在4.9～10.2 mm之間。

由圖3c)、d)可見(jiàn),施工階段錨碇豎向沉降在-37(前趾)～-63 mm(后趾)之間,運(yùn)營(yíng)階段錨碇豎向沉降在-46(前趾)～-49 mm(后趾)范圍。施工階段地連墻豎向沉降在-32(前趾)～-60 mm(后趾)范圍,運(yùn)營(yíng)階段地連墻豎向沉降在-44(前趾)～-48 mm(后趾)范圍。

圖3 北錨碇地連墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)位移與沉降云圖(單位:m)

3.2 地連墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)應(yīng)力分布

井筒式地連墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)的最大主拉應(yīng)力、最大主壓應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的分布圖見(jiàn)圖4。由圖4a)、b)可見(jiàn),施工和運(yùn)營(yíng)階段的最大主拉應(yīng)力分別為0.7,0.94 MPa,均出現(xiàn)在頂板跨中底部;由圖c)、d)可見(jiàn),施工和運(yùn)營(yíng)階段的最大主壓應(yīng)力分別為3.65,3.67 MPa,分別出現(xiàn)在地連墻(后趾)和地連墻(前趾)頂面以下4～10 m范圍的角點(diǎn)部位。由圖4e)、f)可見(jiàn),施工和運(yùn)營(yíng)階段的最大主剪應(yīng)力分別為1.75,1.76 MPa,分別出現(xiàn)在地連墻(后趾)和地連墻(前趾)頂面以下4～10 m范圍的角點(diǎn)部位。以上應(yīng)力均滿足混凝土受力要求。

圖4 北錨碇地連墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)應(yīng)力分布云圖(單位:Pa)

3.3 北錨碇地連墻土壓力分布

3.3.1地連墻外墻水平向土壓力分布

地連墻外墻所受的水平向土壓力分布云圖見(jiàn)圖5。由圖5a)可見(jiàn),土壓力隨著深度的增加逐漸增加,由于后錨區(qū)質(zhì)量在施工階段較大,土壓力表現(xiàn)為后趾墻體所受土壓力大于前趾;由圖5b)可見(jiàn),運(yùn)營(yíng)階段前趾區(qū)前墻土壓力大于后趾區(qū)前墻的土壓力,這說(shuō)明在水平纜力作用下,前趾地連墻對(duì)后趾地連墻土壓力有一定程度的影響。在交界面一定深度范圍內(nèi),模量相差較大土層的土壓力迅速增加,土壓力作用深度的迅速增加與荷載水平(位移發(fā)揮)及地層條件有關(guān),施工階段發(fā)生在3-1砂質(zhì)黏性土與4-1全風(fēng)化花崗巖交界區(qū)(后61趾前墻處土壓力最大值為298 kPa),運(yùn)營(yíng)階段發(fā)生在3-1砂質(zhì)黏性土與4-1全風(fēng)化花崗巖交界區(qū)(前趾前墻處土壓力最大值為290 kPa)。

圖5 北錨碇井筒式地連墻水平向土壓力分布云圖(單位:Pa)

3.3.2地連墻內(nèi)墻土芯土壓力分布

前、后墻內(nèi)土芯在施工和運(yùn)營(yíng)階段對(duì)墻體的水平土壓力分布云圖見(jiàn)圖6。

由圖6a)、b)可見(jiàn),施工階段前、后墻內(nèi)土芯對(duì)墻體作用土壓力分布規(guī)律基本相等,最大值為后趾處的298 kPa略大于前錨區(qū)處的275 kPa。由圖6c)、d)可見(jiàn),運(yùn)營(yíng)階段受水平纜力作用,前、后墻體發(fā)生一定的水平位移,后墻土芯對(duì)墻體產(chǎn)生的最大水平土壓力288 kPa,略大于前墻土芯的280 kPa。土芯對(duì)墻體產(chǎn)生的土壓力值最大區(qū)域位于3-1砂質(zhì)黏性土與4-1全風(fēng)化花崗巖交界區(qū)。

3.4 北錨碇地連墻墻底水平剪力分布

北錨碇地連墻墻底水平剪力分布云圖見(jiàn)圖7。由圖7a)可見(jiàn),施工階段后趾區(qū)墻底部剪應(yīng)力為12～1 034 kPa、前趾區(qū)為12～600 kPa;由圖7b)可見(jiàn),運(yùn)營(yíng)階段后趾區(qū)墻底部剪應(yīng)力為39～1 302 kPa、前趾區(qū)為39～625 kPa。前、后趾墻底水平剪力分布規(guī)律基本一致,剪應(yīng)力分布不均勻,角點(diǎn)區(qū)域最大,中心處最小,由于墻底未落在中風(fēng)化巖層,角點(diǎn)處的應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。

圖7 北錨碇地連墻底部水平向剪力分布云圖(單位:Pa)

3.5 北錨碇地連墻墻體側(cè)摩阻力分布

3.5.1地連墻外墻側(cè)摩阻力分布

地連墻外墻所受的側(cè)摩阻力分布云圖見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn),側(cè)摩阻力沿深度增加,且分布不均勻。

圖8 北錨碇地連墻外墻側(cè)摩阻力分布云圖(單位:Pa)

由圖8a)、b)可見(jiàn),施工階段側(cè)摩阻力呈后趾墻體大于前趾,運(yùn)營(yíng)階段前趾區(qū)前墻側(cè)摩阻力大于后趾區(qū)前墻的側(cè)摩阻力。在模量相差較大土層的交界面及角點(diǎn)位置,側(cè)摩阻力的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯,施工和運(yùn)營(yíng)階段的最大值均位于3-1砂質(zhì)黏性土與4-1全風(fēng)化花崗巖層交界區(qū)。側(cè)摩阻力發(fā)揮與墻、土相對(duì)位移及土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)有關(guān),由圖8a)可見(jiàn),施工階段基底以下標(biāo)高9.5～-20 m范圍內(nèi)(主要為粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)黏性土)側(cè)摩阻力僅為0～20 kPa、標(biāo)高-20～-28 m范圍內(nèi)(主要為全風(fēng)化巖層)側(cè)摩阻力增加為20～92 kPa,嵌入中風(fēng)化巖以下一定深度后,側(cè)摩阻力又大幅降低。同時(shí)外圈外墻發(fā)揮程度較內(nèi)部外墻發(fā)揮充分。

3.5.2地連墻墻內(nèi)土芯對(duì)地連墻側(cè)摩阻力分布影響

前、后墻內(nèi)土芯在施工和運(yùn)營(yíng)階段對(duì)墻體的側(cè)摩阻力分布影響云圖見(jiàn)圖9。

圖9 地連墻墻內(nèi)土芯對(duì)地連墻側(cè)摩阻力分布影響云圖(單位:Pa)

由圖9a)、b)可見(jiàn),施工期前、后墻內(nèi)土芯對(duì)墻體的側(cè)摩阻力分布影響規(guī)律基本相等,呈土芯周圈大、中間小,豎向下部大、上部小的分布規(guī)律,側(cè)摩阻力前、后趾最大值分別為71.6,77.8 kPa。由圖9c)、d)可見(jiàn),運(yùn)營(yíng)期分布規(guī)律與施工期類似,最大值分布為72,73 kPa,同一高度不同水平位置的側(cè)摩阻力分布有很大差別。土芯對(duì)墻體產(chǎn)生的側(cè)摩阻力值最大區(qū)域位于3-1砂質(zhì)黏性土與4-1全風(fēng)化花崗巖交界區(qū)。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 本研究結(jié)合清云高速公路西江特大橋工程,利用有限元軟件FLAC3D對(duì)西江特大橋北錨碇基礎(chǔ)進(jìn)行三維仿真建模,針對(duì)最不利地形條件下的分體井筒式地連墻復(fù)合錨碇基礎(chǔ)進(jìn)行沉降、位移、應(yīng)力變形、土壓力和摩阻力等方面的分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

2) 在最不利地層條件下,施工階段的錨碇及地連墻位移范圍較大,但是在運(yùn)營(yíng)階段錨碇及地連墻的位移范圍較小。

3) 施工和運(yùn)營(yíng)階段的錨碇基礎(chǔ)最大主拉應(yīng)力均出現(xiàn)在頂板跨中底部;最大主壓應(yīng)力分別出現(xiàn)在地連墻(后趾)和地連墻(前趾)頂面以下4～10 m范圍的角點(diǎn)部位;最大主剪應(yīng)力分別出現(xiàn)在地連墻(后趾)和地連墻(前趾)頂面以下4～10 m范圍的角點(diǎn)部位。

4) 在交界面一定深度范圍內(nèi),模量相差較大土層的土壓力迅速增加,土壓力作用深度的迅速增加與荷載水平(位移發(fā)揮)及地層條件有關(guān),施工階段發(fā)生在3-1砂質(zhì)黏性土與4-1全風(fēng)化花崗巖交界區(qū)(后61趾前墻處土壓力最大值為298 kPa),運(yùn)營(yíng)階段發(fā)生在3-1砂質(zhì)黏性土與4-1全風(fēng)化花崗巖交界區(qū)(前趾前墻處土壓力最大值為290 kPa)。