泰州大桥南锚碇沉井基础深度效应研究

潘 辉，邵国建，胡 丰

(河海大学力学与材料学院，南京 210098)

1 前言

悬索桥是目前跨越能力最大的桥型，悬索桥锚碇是全桥最为关键的结构部分［1～4］。重力式锚碇基础在计算中通常简化为浅基础，并不考虑深度效应的影响，较为不经济。泰州大桥南锚碇沉井埋置深度达42 m，深度效应基础承载性能的影响不可忽略，并且地质活动、自然灾害、人为因素等都有可能使基础周边覆土厚度发生变化，因此对研究锚碇基础的深度效应是十分必要的。

泰州长江公路大桥(下面简称泰州大桥)主跨1 080 m，南北重力式锚碇位于厚度约为200 m的深厚覆盖层上，其南锚碇拉力达4.3万t，采用重力式锚，锚碇基础采用矩形沉井，沉井长67.9 m、宽52 m(底节长 68.3 m、宽 52.4 m)，平面设三纵四横隔墙，20个井孔，井壁厚度为2 m，隔墙厚度为1.4 m。南锚碇沉井高41 m，竖向分8节，底节钢壳混凝土沉井高8 m，第7节高3 m，其余各节高度均为5 m，下沉入土深度42 m，如图1所示。

锚碇基础的深度效应问题目前较难用理论方法求解，故采用有限元法对此问题进行计算机仿真分析。仿真软件采用岩土有限元计算软件Midas GTS［5］，埋深条件分为无覆土、半覆土、全覆土3种情况，锚碇拉力分为施工期内无荷载及运营期内工况荷载。

2 计算过程与计算结果

2.1 几何模型

几何模型按实际尺寸建立，土体选取范围各为锚碇基础长、宽、高的两倍，几何模型全部采用八节点六面体单元锚碇。3种覆土条件下的几何模型如图2～图4所示。

2.2 本构模型

沉井主要由钢筋混凝土等高强度材料构成，故可采用线弹性模型，计算参数见表1，而土体的非线性变形特征较为明显，笔者采用Drucker-Prager弹塑性模型［6］，各土层计算参数由表2确定。

表1 锚碇计算参数Table 1 Parameters of the anchorge

图2 完全覆土Fig.2 Completely covering soil

图3 半覆土Fig.3 Half covering soil

图4 无覆土Fig.4 No covering soil

表2 土体计算参数Table 2 Parameters of the soil

2.3 计算荷载

已知锚碇主缆设计荷载430 MN，运营加载过程以0.5倍设计荷载逐级加载，作用力施加在锚碇后浇锚体上，处理为表面均布力，拉力方向与水平面夹角为35°。数值模拟分为施工过程和运营加载过程。施工过程包括沉井就位(未封底，此情况设为初始应力状态，位移清零)、沉井封底、浇筑沉井内仓至封盖(简称浇筑内仓)、浇筑锚体;加载过程在施工过程位移的基础上加载，从0.5倍的设计值开始，以0.5倍的设计值为增量逐级加载，直至位移发生突变。

2.3 计算结果

将计算结果整理可得，施工期内覆土厚度的变化对于锚碇基础竖向位移和水平位移的影响，如图5～7所示。由此可知，施工期内，在完全有覆土条件下，位移变化平缓，但随着覆土高度减小，位移的变化明显。因此，覆土厚度较小会导致锚碇基础产生较大的不均匀沉降，给施工造成一定困难。

图5 施工期沉井底部中心点竖向位移Fig.5 The vertical displacement of the anchorage foundation during construction period

图6 施工期沉井顶部中心点的水平位移Fig.6 The horizontal displacement of the open caisson lid’s central point during construction period

运营加载以0.5倍的设计值为增量逐级加载。选取如图8所示，a、b、c三点绘制相应荷载－位移曲线，a点是完全覆土时锚碇与地表交界边的中点;b点是半覆土时锚碇与地表交界边的中点;c点是无覆土时锚碇与地表交界边的中点。覆土厚度的变化对锚碇基础位移和转角的影响，如图9～图12所示。

由图可知，在完全覆土条件下，锚碇基础的竖向位移随荷载增加变化平缓，无覆土条下，锚碇基础竖向位移变化较大。过大的位移和转动会对锚碇稳定性产生影响，可见增大沉井埋深可大幅增强锚碇基础的承载性能。

3 计算结果分析

图7 施工期沉井底部中心点的水平位移Fig.7 The horizontal displacement of the open caisson bottom’s central point during construction period

图8 锚碇基础上点的位置Fig.8 The position of the points in the anchorage foundation

图9 锚碇基础上各点水平位移Fig.9 The horizontal displacement of the open caisson’s different points

图12 锚碇基础的转角Fig.12 The rotation angle of the anchorage foundation

施工阶段完全覆土、半覆土和无覆土条件沉井竖向位移分别为 －9.511 cm、－16.859 cm、－39.295 cm，水平位移分别是－0.796 cm、－5.292 cm、－15.643 cm。完全覆土情况下锚碇的竖向位移为无覆土情况下竖向位移的24.2%，半覆土情况下锚碇的竖向位移为无覆土情况下竖向位移的42.9%;完全覆土情况下锚碇的水平位移大概是无覆土情况下水平位移的5.1%，半覆土情况下锚碇的水平位移大概是无覆土情况下水平位移的33.8%。可见在施工阶段，有覆土相比无覆土情况下沉井位移明显小很多。

运营加载期内，1倍的设计值荷载作用下，无覆土情况下锚碇靠近地表的水平位移是有覆土情况下的5倍，完全覆土、半覆土和无覆土条件下沉井顶部水平位移按顺序分别为 11.548 cm、36.350 cm、143.259 cm，沉井底部水平位移分别是3.542 cm、11.426 cm、53.036 cm，锚碇基础转角分别是0.001 89 rad、0.005 94 rad、0.021 87 rad，完全覆土情况下沉井顶部的水平位移是无覆土情况的8.1%，半覆土情况下沉井顶部的水平位移为无覆土情况的25.4%;完全覆土情况下沉井底部的水平位移为无覆土情况的6.7%，半覆土情况下沉井底部的水平位移为无覆土情况的21.5%;完全覆土情况下锚碇基础的转角大概为无覆土情况的8.6%，半覆土情况下锚碇基础的转角大概为无覆土情况的27.2%。可见，随着覆土高度的减小，不论是水平位移还是转角都明显增大。

4 结语

文章针对泰州大桥南锚碇建立有限元数值计算模型，计算了施工期与运营加载期内，不同覆土厚度条件下锚碇基础的位移和转角。由计算结果可知，覆土深度对锚碇基础承载稳定性的影响较大。相同荷载条件下，覆土深度减少使得锚碇基础位移和转角变化极为显著。锚碇在锚索拉力作用下产生位移和转动，而周围覆土可较好地限制锚碇的变位。如果能将锚碇基础的深度效应考虑进悬索桥的设计规范中，势必会进一步减小锚碇设计尺寸、降低工程造价。

［1］邵国建，苏静波，胡 强.润扬大桥悬索桥北锚碇基础接触应力仿真分析［J］.中国工程科学，2006，8(9):28－33.

［2］陶建山.泰州大桥南锚碇巨型沉井排水下沉施工技术［J］.铁道工程学报，2009，124(1):63 －66.

［3］冯兆祥，王 建.泰州长江公路大桥南锚基础沉降计算研究［J］.桥梁建设，2010，1:49 －51.

［4］王卫忠.沉井下沉技术在泰州长江公路大桥北锚碇中的应用［J］.交通科技，2009，233(2):21 －23.

［5］向坚持，刘相滨，谭义红，等.Midas技术研究及其应用［J］.计算机工程与应用，2002:168－170.

［6］杨 强，杨晓君，陈 新.基于D－P准则的理想弹塑性本构关系积分研究［J］.工程力学，2005，22(4):15－19.