基于模型試驗的齒坎型重力錨抗滑機制

吳文濤, 李秋, 許健, 韓洪舉, 宗昕, 劉榮開, 王成湯

(1.貴州大通路橋工程建設有限公司, 貴陽 550000; 2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司, 武漢 430100; 3.貴州交通建設集團有限公司, 貴陽 550001; 4.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室, 武漢 430071)

隨著交通事業(yè)以及國民經濟的不斷發(fā)展,中國對西部地區(qū)的開發(fā)力度也逐漸加大。中國西部地區(qū)地勢復雜,溝谷縱橫落差極大,在此種地形地貌情況下橋梁是主要交通方式。由于懸索橋具有跨度大、結構形式簡單、受力明確、耗材少和造價低等特性,因此成為西部山區(qū)橋梁的首選結構形式[1-2]。

懸索橋的錨固方式主要分為自錨式和地錨式兩種類型,目前重力式錨碇在懸索橋中的使用占比達八成以上[3-4]。采用目前規(guī)范進行錨碇設計通常將錨碇簡化為獨立結構研究其力系平衡,主要考慮基底摩擦力和錨碇自重來平衡纜索拉拔力,較少考慮錨碇與地基之間的相互作用,導致傳統(tǒng)的重力錨設計過于保守[5-6]。已有研究表明齒坎型錨碇通過齒坎夾持效應更易調動地基聯(lián)合承載,但未對不同埋深條件下齒坎型與平底型錨碇的承載性能進行系統(tǒng)對比分析[7-8]。

目前一些學者針對齒坎型重力式錨碇的工作機理及承載性能開展了相關研究,賴允瑾等[9]以贛州贛江公路大橋重力式錨碇作為研究對象開展了現場模型試驗,分析了錨碇各級齒坎的應力分布,并得出了齒坎的抗滑效應以及錨碇的破壞模式。冉隆舉等[10]采用數值模擬方法分析了某渡槽重力式錨碇的承載性能,結果表明在附加纜力荷載作用下,錨碇周圍巖體能夠滿足受力要求,錨碇整體表現為以前緣齒坎為支點,后部向上轉動的變形模式。周金枝等[11]依托鸚鵡洲大橋北錨碇工程,分析了帶樁基重力式錨碇不同施工階段的抗滑動和抗傾覆穩(wěn)定性系數。魯志強等[12]研究表明齒坎能夠改善錨碇的受力狀態(tài),明顯提高錨碇的極限承載能力。

在重力式錨碇的變位特征、錨碇與周圍地基之間的相互作用等方面,游曉敏等[13]以某工程為原型進行室內模型試驗,研究了重力式錨碇結構與地基之間的剪切滑移的發(fā)展過程并進行了機理分析,揭示了錨碇剪切滑移機理。李颯等[14]研究表明,重力錨在不同地質條件下呈現出不同的破壞形式,在鈣質砂上,重力錨的滑動表現為漸進式破壞,而在鈣質巖上表現為突變式破壞,并且?guī)фI式重力錨具有比平底錨更好的抗滑性能。何亞東[15]依托伍家崗長江大橋南岸重力式錨碇工程,研究了淺埋式錨碇和深埋式錨碇的承載特性,結果表明淺埋式重力錨的抗滑移安全系數遠小于抗傾覆安全系數,錨碇更容易產生滑移破壞。劉淵等[16]研究了一種新型側壁夾持式重力錨,并采用ABAQUS軟件對比分析了與傳統(tǒng)重力錨的位移、基底應力及承載能力的差異,結果表明,該側壁夾持式重力錨的抗滑移、抗傾覆性能均優(yōu)于傳統(tǒng)重力錨。

綜上所述,針對當前重力式錨碇設計存在的不足,已有學者采用模型試驗和數值模擬手段對齒坎式錨碇的極限承載能力、齒坎抗滑工作機理開展了相關研究,但未對不同埋深條件下齒坎型錨碇與平底型錨碇承載能力及抗滑機制差異等方面進行系統(tǒng)對比分析?；诖?現依托牂牁江特大橋(納晴高速)納雍側重力式錨碇工程,通過室內物理模型試驗開展了齒坎型錨碇和平底型錨碇在不同埋深條件下承載性能的對比研究,并重點分析了齒坎型重力錨的承載特征及抗滑機制。

1 工程概況

牂牁江特大橋位于貴州省晴隆縣和普安縣交界處,是擬建納雍至晴隆高速公路的重要節(jié)點工程(圖1)。該橋上跨牂牁江,采用鋼桁梁懸索橋結構形式,主跨跨徑為1 080 m。橋梁納雍岸邊跨總長265 m,引橋長度160 m,引橋采用預應力T梁,引橋采用4×40 m布置形式;晴隆岸邊跨總長為435 m,引橋長度600 m,引橋采用鋼-混組合T梁結構及部分現澆箱梁,晴隆岸引橋采用鋼-混組合T梁8×60 m+現澆箱梁3×40 m的布置形式,現澆箱梁位于橋端處,鋼混組合T梁靠近橋塔。橋梁橋塔采用門式主塔,橋塔下部結構為鋼筋混凝土塔柱,塔柱基礎采用群樁基礎,該橋兩岸均采用重力式錨碇作為承載結構,現以納雍岸錨碇為研究對象。納雍岸錨碇結構形式采用臺階式設計,錨碇基礎前側設有5級臺階,錨碇總寬度68 m,總長66 m,基礎最大開挖深度為52 m,主纜設計拉力為266 579 kN,錨碇結構設計圖見圖2。錨碇地基基巖為石炭系馬平群(C3mp)灰?guī)r、白云質灰?guī)r,中風化,地層產狀以中-緩傾角、傾向NE為主。

圖1 牂牁江特大懸索橋效果圖Fig.1 Effect drawing of the super large bridge of Zangkejiang River

圖2 錨碇結構設計圖Fig.2 The design drawing of anchorage structure

2 模型試驗設計

2.1 相似比設計

(1)錨碇模型。錨碇模型尺寸基于原型錨碇的結構尺寸按照1∶100相似比進行設計,原型錨碇順橋向長度為61 m,垂直橋向寬度(半錨碇)為34 m,錨碇結構高度為34 m,按照1∶100換算得出室內模型試驗錨碇模型的尺寸為61 cm×34 cm×34 cm(長×寬×高)。

(2)地基模型。根據納雍側重力式錨碇地勘資料得知,錨碇基底巖性為中風化灰?guī)r,中厚層狀構造,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖芯采樣較完整,其物理力學性質指標為:天然重度為26.59 kN/m3、抗壓強度為41.6～82.7 MPa,平均值65.2 MPa;巖體黏聚力和內摩擦角分別為C=1.1 MPa、Φ=45°;基底摩擦系數μ=0.6。

室內相似材料配比試驗很難做到完全滿足所有材料參數的相似比要求,為簡化室內相似材料配比試驗,配置目標參數設置為區(qū)間控制。具體目標配比參數見表1。

表1 相似材料配比參數Table 1 Proportioning parameters of similar materials

(3)地基相似材料配比試驗。確定地基相似配比材料為砂、石膏、重晶石粉以及水。設計正交試驗并進行相應配比試驗,正交試驗方案見表2。

表2 正交試驗設計各因素水平Table 2 Levels of various factors in orthogonal experimental design

根據試驗配比方案制作相應的試件,試件為標準環(huán)刀試樣。將配置好的環(huán)刀試件進行為期三天的養(yǎng)護,養(yǎng)護結束后進行直剪試驗。根據直剪試驗結果確定最終的試驗配比參數為重晶石粉∶砂∶石膏∶水=20∶70∶5∶5。

(4)錨碇模型相似材料配比。本試驗重在探究齒坎式重力錨承載特性及抗滑機制,并且實際工程中很少會出現錨碇受纜力作用發(fā)生破壞的現象,因此試驗設計假定錨碇結構為剛體材料,不考慮錨碇模型本體材料的相似性。錨碇模型采用C30混凝土澆筑而成,混凝土配合比為泥∶碎石∶中砂∶水=16.1∶45∶31∶7.9。同時對錨碇的重心位置進行了相應調整。

(5)錨碇-地基接觸面模擬。錨碇-地基接觸面粗糙度對于錨碇抗滑承載力的發(fā)揮較為關鍵,現場一般通過原位砼-巖剪切試驗測定接觸面摩擦系數[17-18]。試驗中為模擬錨碇-地基之間的接觸面粗糙度,在錨碇-地基接觸面位置粘貼砂紙,接觸面摩擦系數通過剪切試驗測定,并與現場基巖-混凝土接觸面直剪試驗所測得的摩擦系數進行對比,以滿足相似性要求。

2.2 試驗方案

本試驗以納雍側重力式錨碇為原型構建模型試驗概化模型,由于錨碇左右幅為對稱結構,為便于研究,試驗模型設計僅考慮半錨碇結構。擬通過室內模型試驗探究抗滑構造對錨碇的承載性能和抗傾覆穩(wěn)定性方面的提升效果,以及齒坎結構形式在主纜拉力作用下的力學響應以及錨碇與地基之間的相互作用機理。

基于上述試驗目的,設置以下四種工況,各工況模型概化示意見圖3。

圖3 各工況模型概化示意Fig.3 Schematic diagram of each working condition model generalization

(1)平底模型1/4埋深。平底模型的結構設計是按照錨碇原型外輪廓尺寸進行改進,將原型的齒坎基底改為平底模型,1/4埋深錨碇模型埋深為8 cm。

(2)平底模型半埋深。平底模型的結構設計是按照錨碇原型外輪廓尺寸進行改進,將原型的齒坎基底改為平底模型,半埋深錨碇模型埋深為16 cm。

(3)齒坎模型1/4埋深。齒坎模型結構是在平底模型基礎上進行改進動得到的改進模型,齒坎工況基底設置有一個齒坎,齒坎的具體尺寸為:齒寬20 cm,尺高8 cm。該工況埋深同樣為半埋深工況,錨碇模型埋深為8 cm。

(4)齒坎半埋深。齒坎模型結構是在平底模型基礎上進行改進得到的模型,齒坎工況基底設置有一個齒坎,齒坎的具體尺寸為:齒寬20 cm,尺高8 cm。該工況埋深同樣為半埋深工況,錨碇模型埋深為16 cm。

2.3 試驗步驟

重力式錨碇室內模型試驗步驟如下,主要試驗過程如圖4所示。

圖4 模型試驗過程Fig.4 Model test process

(1)錨碇模型澆筑。根據概化模型工況制作相應模具,組裝模具并涂抹脫模劑,在模具內提前預留主纜孔道(插入PVC管)。澆筑混凝土并養(yǎng)護成型,成型后脫模繼續(xù)養(yǎng)護,養(yǎng)護完成后在錨碇-地基接觸面位置粘貼砂質。

(2)地基模型填筑。按照前述得到的地基相似材料配比參數拌合地基材料,采用分層填筑及夯實的方式控制地基材料密度,并在地基填筑過程中在相應位置埋設應變磚。

(3)放置錨碇模型。在地基填筑到指定深度時,根據錨碇設計位置做出相應標記,通過吊裝設備將錨碇模型吊放到指定位置。

(4)剩余地基材料填筑。根據預設地基深度繼續(xù)填筑剩余地基材料,并在填筑地基材料過程中布設應變轉。

(5)外部傳感器安裝。地基填筑完成后安裝外部傳感器,包括位移計、拉力傳感器、數顯百分表等。

(6)地基養(yǎng)護與加載試驗。錨碇-地基模型制作完成之后放置24 h,進行加載試驗,試驗開始前對伺服液壓加載控制設備進行預熱,設備預熱完成后即可開始試驗。

2.4 加載方案

本次試驗采用的模型是半錨碇模型,實際錨碇為對稱錨碇結構形式,錨碇僅為實際錨碇的一半。納雍側重力式錨碇單股纜索的設計荷載為266 579 kN,因此半錨碇承受荷載值為266 579 kN,模型與原型工程相似比為1∶100,依據相似理論,集中力的相似系數為1/n3,半錨碇模型(下文簡稱“錨碇模型”)對應的室內試驗設計荷載P=266 N。試驗采用分級加載方式,每級荷載增量為P,直至錨碇加載至失穩(wěn),出現傾覆破壞或滑移破壞為止,試驗中加載量控制如表3所示。

表3 室內模型試驗加載工況設置Table 3 Setting of loading conditions for indoor model tests

2.5 量測系統(tǒng)

錨碇模型試驗監(jiān)測內容主要包括錨碇變位、錨碇-地基接觸應力及地基應變。其中錨碇變位主要測量錨碇水平位移,使用測量儀器為百分表和頂針式位移計。錨碇-地基接觸應力通過土壓力盒測定;地基應變測量通過在地基中預先埋設的應變磚進行測量。各類傳感器的具體布設位置見圖5。

圖5 傳感器布設示意圖Fig.5 Schematic diagram of sensor layout

3 試驗結果分析

3.1 錨碇位移-荷載曲線特征

為了分析錨碇的極限承載性能并確定其極限承載力,將四組試驗錨碇的水平位移-荷載曲線整理于圖6中,并將各工況每級荷載作用下錨碇的水平位移值統(tǒng)計于表4中。

表4 四組試驗各荷載等級下的錨碇水平位移匯總Table 4 Summary of anchorage horizontal displacement under different load levels of four sets of tests

圖6 錨碇荷載-水平位移曲線Fig.6 The relationship curve of load and horizontal displacement of anchorage

通過圖6可以看出半埋深工況的錨碇位移響應遲于1/4埋深工況,并且其位移曲線拐點位置的荷載要遠遠大于1/4埋深工況。通過對比1/4埋深條件下和半埋深工況下齒坎工況與平底工況的荷載水平位移曲線,可以看出齒坎模型的水平位移響應表現具有一定的遲滯性,在同等荷載作用下齒坎工況的水平位移要小于平底工況。但當荷載持續(xù)增大超過錨碇極限承載荷載時,錨碇的水平位移迅速突變增大,說明錨碇已發(fā)生失穩(wěn)破壞。

由表4可知,4P荷載下平底1/4埋深工況以及齒坎1/4埋深工況錨碇水平位移分別迅速增大至15 mm以及4.9 mm,7P荷載下平底半埋深工況錨碇水平位移迅速增至25 mm,8P荷載下齒坎半埋深工況錨碇水平位移迅速增至15.4 mm,因此可得到四組試驗錨碇模型的極限承載力分別為3P(平底1/4工況)、4P(齒坎1/4埋深工況)、7P(平底半埋深工況)和8P(齒坎半埋深工況)。由以上分析可知,錨碇埋深增大一倍之后,兩種型式錨碇的極限承載力均有較大提升,極限承載能力均提升了4P。對比同等埋深情況下平底與齒坎工況的水平位移可以得出齒坎工況的水平位移要小于平底工況。上述結果表明,增大錨碇的埋深可以顯著增大錨碇的極限承載力;同等埋深條件下齒坎工況的水平位移要小于平底工況,說明齒坎構造能夠顯著提升錨碇的抗滑性能,并且齒坎構造可以減小錨碇的工程材料用量及基坑開挖方量,大大降低工程成本。

3.2 錨碇-地基接觸應力

通過對比分析半埋深條件下平底型及齒坎型重力式錨碇前側位置與地基巖土體之間的接觸壓力(T1為錨碇前趾底部與地基之間的豎向接觸壓力測點、T2為錨碇齒坎前側與地基之間的側向接觸壓力),錨碇-地基接觸應力曲線見圖7。分析圖7可以得出:平底型以及齒坎型重力式錨碇與前緣地基和齒坎前緣之間的側向接觸壓力均隨著主纜拉力增大而增大;平底型重力式錨碇與前趾之間的豎向接觸壓力存在明顯的滯后性,當荷載增大到一定程度時才開始出現豎向接觸壓力。齒坎型重力式錨碇齒坎底部豎向接觸壓力隨主纜拉力增大而不斷增大,相互作用關系明顯。說明在同等條件下齒坎型重力式錨碇與地基相互作用要強于平底型重力式錨碇,齒坎構造更易調動前側巖土體參與承載。

圖7 接觸應力-荷載關系曲線Fig.7 The relationship curve of contact stress and load

通過上述分析得出齒坎型重力式錨碇受到主纜拉力作用時錨碇前緣產生的下壓力更明顯,說明齒坎型重力式錨碇受到主纜拉力時前傾的趨勢更大,平底型錨碇前傾趨勢則表現不明顯。但由于齒坎的存在,齒坎夾持地基巖土體能夠對錨碇的變位產生一定的抑制作用,并且錨碇前傾趨勢會改變齒坎部位地基巖土體的受力特性,使得該部位地基巖土體處于三向壓縮狀態(tài),從而大大提高地基巖土體抗力。實際工程中可以通過設置多級齒坎構造,以充分調動地基巖土體參與錨碇承載。

3.3 地基應變特征

圖8和圖9分別為地基應變監(jiān)測點S5和S6及S7和S8的應變監(jiān)測曲線。通過對比半埋深齒坎型重力式錨碇與半埋深平底型重力式錨碇的前側地基應變曲線(選取具有代表性的數據監(jiān)測點進行對比分析),可以得出:對于相同測點位置,齒坎型重力式錨碇前側地基應變要小于平底型重力式錨碇,說明齒坎型重力式錨碇的水平變位小于平底型錨碇,齒坎構造能很大程度上限制錨碇的水平變位。

圖8 S5、S6地基應變-時間曲線Fig.8 The variation curve of foundation strain in S5 and S6 with time

圖9 S7、S8地基應變-時間曲線Fig.9 The variation curve of foundation strain in S7 and S8 with time

通過對比S5、S6位置(錨碇前趾下部)的地基應變-時間曲線可以得出齒坎型重力式錨碇前趾下部(齒坎下部)的地基應變先增大后減小,平底型重力式錨碇前趾下部的地基應變一直處于緩慢增大的變化趨勢。通過曲線可以看出齒坎型重力式錨碇地基應變存在反向增大的過程,原因是由于齒坎型重力式錨碇傾覆旋轉基點位于齒坎頂緣,齒坎下部的地基先受到錨碇水平向以及豎向擠壓,齒坎部位地基巖土體變形較大,當主纜拉力超過錨碇極限承載力錨碇發(fā)生傾覆變形,齒坎前緣與錨碇前緣脫離,齒坎處地基水平向荷載迅速減小并且齒坎頂部豎向荷載持續(xù)增大,從而導致該部位巖土體發(fā)生水平向變形。

通過曲線整體變化趨勢可以總結得出齒坎部位地基應變較大,因此齒坎給予錨碇的地基抗力也相對較高,說明齒坎構造對錨碇變位限制作用明顯。

3.4 齒坎型重力錨承載特征及抗滑機制

通過對齒坎型錨碇變位特征(圖6)及錨碇周圍地基變形破壞特征進行分析(圖10),可將其受力變位過程劃分為以下四個階段。

圖10 地基變形破壞過程Fig.10 Foundation deformation and failure process

(1)穩(wěn)定階段:該階段錨碇并沒有產生變位,錨碇處于穩(wěn)定狀態(tài),此時錨碇基底摩阻力完全可以抵消主纜產生的水平作用力;該階段在主纜拉力作用下錨碇周圍地基沒有產生明顯變化,此時周圍地基仍處于無變化時期。

(2)滑移階段:隨著主纜拉力不斷增大,當主纜拉力超過錨碇基底的極限摩阻力時,錨碇將向主纜拉力方向滑移,錨碇與前側地基以及齒坎前緣產生相互作用。此時地基巖土體由于錨碇變位產生壓縮變形,從而產生地基抗力,地基抗力將會隨著主纜拉力的增大而增大。由于此階段錨碇向加載方向產生一定的滑移,錨碇尾部與尾部地基脫離,錨碇尾部與地基之間產生張拉裂隙,此時地基進入裂隙初現階段。

(3)傾覆發(fā)展階段:隨著主纜拉力不斷增大,錨碇會產生傾覆破壞趨勢,錨碇對前趾下部地基以及齒坎頂緣巖土體產生一定的下壓力,下壓力將隨著主纜拉力增大不斷增大。此階段錨碇變位持續(xù)發(fā)展,致使錨碇尾部裂隙隨著錨碇變位發(fā)展持續(xù)增大,主要表現為尾部裂隙向外延伸發(fā)展,裂隙寬的不斷增大,此時周圍地基進入裂隙發(fā)展階段。

(4)傾覆破壞階段:當主纜拉力超過錨碇極限承載力時,錨碇將發(fā)生傾覆失穩(wěn)破壞,齒坎頂緣下壓力將會隨著主纜拉力先增大后減小。此時由于錨碇宏觀變位較大,錨碇已經發(fā)生明顯傾覆破壞,錨碇傾覆過程中會對兩側及后側地基造成明顯擾動破壞,錨碇前側地基因為錨碇前緣的擠壓發(fā)生擠壓隆起破壞,此時錨碇周圍地基處于地基破壞階段,該階段錨碇承載性能迅速降低,隨即失去承載力。

通過上述力學分析得出不同階段下齒坎型重力式錨碇的受力情況如圖11所示?？梢钥闯鳊X坎處地基巖土體處于雙向壓縮狀態(tài),該受力狀態(tài)更加符合巖土體的材料特性,能充分發(fā)揮巖土體的抗力,為錨碇提供抗力從而達到限制錨碇變位及提升錨碇的承載能力。

G為錨碇自重;T為纜索拉力;N為地基豎向支持力;f為錨碇受到的摩擦力;LT為纜索拉力相對錨碇轉動點的力臂;LG為錨碇自重相對錨碇轉動點的力臂圖11 齒坎型錨碇受力狀態(tài)分析Fig.11 Analysis of the stress state of the toothed bucket anchorage

通過對不同工況各荷載等級下錨碇的受力進行分析,可得到各荷載等級下錨碇基底摩阻力以及前側地基抗力所分擔纜力荷載的百分比(見表5)。通過對比相同埋深條件下平底型和齒坎型錨碇的基底摩阻力及前側地基抗力荷載分擔比,可以發(fā)現在相同荷載等級下齒坎型錨碇前側地基抗力的分擔比要略高于平底型錨碇。此外,對比不同工況極限荷載下的基底摩阻力與前側地基抗力分擔比,可以看出錨碇前側地基抗力分擔比隨著埋深的增大而增大;齒坎型錨碇極限荷載下的前側地基抗力分擔比明顯大于平底型錨碇。綜合上述分析可知,齒坎型錨碇可以更加充分調動錨碇前側地基巖土體參與承載,從而有助于提升錨碇極限承載力。

表5 各個工況基底摩阻力與前側地基抗力荷載分擔比Table 5 Load sharing ratio of base friction resistance and front foundation resistance under various working conditions

4 結論

開展了齒坎型錨碇和平底型錨碇在不同埋深條件下的室內物理模型試驗對比研究,得到如下主要結論。

(1)相同試驗條件下,四組試驗錨碇的極限承載力分別為3P(平底錨碇1/4埋深工況)、4P(齒坎錨碇1/4埋深工況)、7P(平底錨碇半埋深工況)和8P(齒坎錨碇半埋深工況)。

(2)對于相同型式錨碇,增大錨碇埋深均可以顯著提高錨碇的承載能力,同等埋深條件下齒坎型錨碇的承載性能要優(yōu)于平底型錨碇,表明齒坎型錨碇更易于調動地基聯(lián)合承載。

(3)通過地基接觸應力-荷載關系曲線分析了齒坎構造與錨碇之間的受力機制,得出了齒坎構造可以充分調動前側地基巖土體參與錨碇承載過程,實際工程中應該加以推廣齒坎型重力式錨碇的應用。

(4)分析了錨碇受力失穩(wěn)過程中地基的宏觀變形破壞特征,并將地基的變形破壞過程分為無裂隙、裂隙初現、裂隙發(fā)展以及地基破壞四個階段。

(5)分析了齒坎型錨碇的階段性承載特征,并對比了齒坎型和平底型重力錨基底摩阻力和前側地基抗力分擔比,證明齒坎型錨碇更能充分發(fā)揮齒坎夾持巖土體的承載能力。