基于數值仿真的地連墻復合錨碇基礎力學研究

高 駿 劉紅勝 胡振偉 張紅玉

(1.保利長大工程有限公司 廣州 510000; 2.武昌首義學院城市建設學院 武漢 430064)

地下連續墻結構廣泛應用在橋梁工程中,其通常作為橋梁錨碇工程中的基坑支護結構和基礎承重結構,尤其對于某些懸索橋來說,其錨碇工程大量運用了地下連續墻復合錨碇基礎[1-4]。錨碇基礎類型通常有擴大基礎、地下連續墻、沉井基礎和樁基礎等多種形式,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程中被廣泛采用。地下連續墻錨碇基礎通常有3種結構形式[5-7]:圓形地下連續墻錨碇基礎、矩形地下連續墻錨碇基礎,以及分體井筒式地連墻復合錨碇基礎。其中,分體井筒式地連墻復合錨碇基礎結構是近幾年新興的錨碇基礎形式,其結構新穎,受力復雜,需要準確分析錨碇基礎周邊土體與錨碇結構共同作用下的受力性能。三維數值分析方法能夠準確合理地反映分體井筒式地連墻錨碇基礎及地基共同作用性質及實際受力狀態。本文以西江特大橋清遠側(北)錨碇基礎結構為研究對象,建立三維有限元模型,開展相關研究。

1 工程概況

西江特大橋項目是汕頭至湛江高速公路清遠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。清遠側錨碇位于西江北岸,簡稱為北錨碇。北錨碇井筒式地下連續墻復合錨碇基礎構造圖見圖1。

圖1 北錨碇井筒式地連墻復合錨碇基礎構造圖(尺寸單位:mm)

北錨碇基礎部分采用矩形井筒地下連續墻基礎,單個井筒平面尺寸為42 m×18.6 m,內外墻厚度均為1.2 m,通過內部、橫縱隔墻分成8個隔艙,隔艙凈距順橋向為7.5 m,橫橋向為9 m。順橋向2個井筒在頂部通過厚度為6.5 m,平面尺寸采用53.5 m×45.2 m矩形剛性承臺連接,為提供較大的豎向和水平承載力,井筒底部嵌入中風化花崗巖 3 m以上?；A頂標高16 m,基礎底標高為-21.2～-37.3 m。

北錨碇井筒式地連墻復合錨碇基礎的錨體及支墩采用分離式空心格構式結構,錨體高36.2 m,散索鞍支墩在除底部和頂部設置實心段外,其余采用空腹斷面,斷面尺寸為8 m×10 m,前錨室側墻、底板厚度為1 m,頂板、前墻厚度0.8 m,單個錨體橫向寬度16 m,后錨體后懸出基礎5 m,采用分層鋪設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對北錨碇基礎進行建模計算。為更好地模擬分體井筒式地連墻錨碇基礎與地基土的共同作用,采用實體單元建模。按照設計尺寸及地質資料建立的三維有限差分網格模型共包含80 416個節點,68 825個單元。為得到較為合理的模擬結果,對錨碇結構及井筒式地連墻基礎的網格進行加密剖分,錨碇共包含17 884 個節點,7 905個單元。北錨碇網格模型圖見圖2。

圖2 北錨碇井筒式地連墻復合錨碇基礎網格模型圖

三維仿真模型X軸沿錨碇中心線方向,順橋向長度取錨碇前、后共約280 m范圍,Z軸方向為橫橋向,長度取錨碇中心線左、右共150 m范圍,Y軸方向豎直朝上,取地面以下82 m深度,包括中風化巖層深度30 m。有限元模型的邊界約束條件為截斷面及模型底面結點為三向約束。

按照鉆孔資料,數值分析中地層共分為粉土、礫砂、中密粉砂、強風化花崗巖、中風化巖層等土層,土體采用摩爾-庫侖模型,錨碇結構、地連墻及頂板采用線彈性模型,地連墻與土體之間設置無厚度的接觸面單元,接觸面本構關系也采用摩爾-庫侖模型,接觸面抗剪強度參數取周邊土體的70%,接觸面的法向和切向剛度按式(1)～(3)計算。

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為樁周土體網格劃分的最小單元尺寸。

2.2 材料參數取值

根據地層的分析,選取最不利地層條件(14號孔)進行計算,其土層及參數取值見表1。

3 計算結果分析

3.1 地連墻復合錨碇基礎位移和沉降

北錨碇及地連墻在施工階段(錨體施工完成)、運營階段(纜力施加完成)的水平位移及沉降云圖見圖3。

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

由圖3c)、d)可見,施工階段錨碇豎向沉降在-37(前趾)～-63 mm(后趾)之間,運營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,運營階段地連墻豎向沉降在-44(前趾)～-48 mm(后趾)范圍。

圖3 北錨碇地連墻復合錨碇基礎位移與沉降云圖(單位:m)

3.2 地連墻復合錨碇基礎應力分布

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

圖4 北錨碇地連墻復合錨碇基礎應力分布云圖(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圖5。由圖5a)可見,土壓力隨著深度的增加逐漸增加,由于后錨區質量在施工階段較大,土壓力表現為后趾墻體所受土壓力大于前趾;由圖5b)可見,運營階段前趾區前墻土壓力大于后趾區前墻的土壓力,這說明在水平纜力作用下,前趾地連墻對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,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(位移發揮)及地層條件有關,施工階段發生在3-1砂質黏性土與4-1全風化花崗巖交界區(后61趾前墻處土壓力最大值為298 kPa),運營階段發生在3-1砂質黏性土與4-1全風化花崗巖交界區(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地連墻內墻土芯土壓力分布

前、后墻內土芯在施工和運營階段對墻體的水平土壓力分布云圖見圖6。

由圖6a)、b)可見,施工階段前、后墻內土芯對墻體作用土壓力分布規律基本相等,最大值為后趾處的298 kPa略大于前錨區處的275 kPa。由圖6c)、d)可見,運營階段受水平纜力作用,前、后墻體發生一定的水平位移,后墻土芯對墻體產生的最大水平土壓力288 kPa,略大于前墻土芯的280 kPa。土芯對墻體產生的土壓力值最大區域位于3-1砂質黏性土與4-1全風化花崗巖交界區。

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圖7。由圖7a)可見,施工階段后趾區墻底部剪應力為12～1 034 kPa、前趾區為12～600 kPa;由圖7b)可見,運營階段后趾區墻底部剪應力為39～1 302 kPa、前趾區為39～625 kPa。前、后趾墻底水平剪力分布規律基本一致,剪應力分布不均勻,角點區域最大,中心處最小,由于墻底未落在中風化巖層,角點處的應力集中較為嚴重。

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摩阻力分布

3.5.1地連墻外墻側摩阻力分布

地連墻外墻所受的側摩阻力分布云圖見圖8。由圖8可見,側摩阻力沿深度增加,且分布不均勻。

圖8 北錨碇地連墻外墻側摩阻力分布云圖(單位:Pa)

由圖8a)、b)可見,施工階段側摩阻力呈后趾墻體大于前趾,運營階段前趾區前墻側摩阻力大于后趾區前墻的側摩阻力。在模量相差較大土層的交界面及角點位置,側摩阻力的應力集中現象明顯,施工和運營階段的最大值均位于3-1砂質黏性土與4-1全風化花崗巖層交界區。側摩阻力發揮與墻、土相對位移及土的抗剪強度指標有關,由圖8a)可見,施工階段基底以下標高9.5～-20 m范圍內(主要為粉質黏土和砂質黏性土)側摩阻力僅為0～20 kPa、標高-20～-28 m范圍內(主要為全風化巖層)側摩阻力增加為20～92 kPa,嵌入中風化巖以下一定深度后,側摩阻力又大幅降低。同時外圈外墻發揮程度較內部外墻發揮充分。

3.5.2地連墻墻內土芯對地連墻側摩阻力分布影響

前、后墻內土芯在施工和運營階段對墻體的側摩阻力分布影響云圖見圖9。

圖9 地連墻墻內土芯對地連墻側摩阻力分布影響云圖(單位:Pa)

由圖9a)、b)可見,施工期前、后墻內土芯對墻體的側摩阻力分布影響規律基本相等,呈土芯周圈大、中間小,豎向下部大、上部小的分布規律,側摩阻力前、后趾最大值分別為71.6,77.8 kPa。由圖9c)、d)可見,運營期分布規律與施工期類似,最大值分布為72,73 kPa,同一高度不同水平位置的側摩阻力分布有很大差別。土芯對墻體產生的側摩阻力值最大區域位于3-1砂質黏性土與4-1全風化花崗巖交界區。

4 結語

1) 本研究結合清云高速公路西江特大橋工程,利用有限元軟件FLAC3D對西江特大橋北錨碇基礎進行三維仿真建模,針對最不利地形條件下的分體井筒式地連墻復合錨碇基礎進行沉降、位移、應力變形、土壓力和摩阻力等方面的分析計算。計算結果滿足規范要求。

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,但是在運營階段錨碇及地連墻的位移范圍較小。

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

4) 在交界面一定深度范圍內,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(位移發揮)及地層條件有關,施工階段發生在3-1砂質黏性土與4-1全風化花崗巖交界區(后61趾前墻處土壓力最大值為298 kPa),運營階段發生在3-1砂質黏性土與4-1全風化花崗巖交界區(前趾前墻處土壓力最大值為290 kPa)。