秀山大桥重力锚支墩基础及锚块荷载分担比研究

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(1.浙江省交通规划设计研究院，杭州 310000；2.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

重力锚是最早使用的锚，主要靠材料本身重量来抵抗竖向外力和锚底的摩擦力来抵抗水平力。据楼庄鸿[1]所收集的59座国外跨径超过400 m的大型悬索桥资料,绝大多数采用重力式锚碇。随着桥梁跨径和主缆的轴力不断加大，锚碇抗滑设计面临更多挑战。研究人员不断从锚碇勘察、结构设计、地基加固等方面发掘重力锚抗滑潜能。肖本职等[2]以鱼嘴长江大桥南北锚碇2种工况下的混凝土与基岩接触面原位直剪试验为背景，研究混凝土强度的提高、地下水对坚硬基岩接触面抗剪强度的影响;刘效尧[3]研究了重力锚碇桩基础的布置方式、直径、土体因素对锚碇的变位及土体应力的影响;赖允瑾等[4]利用模型试验和数值模拟讨论锚碇结构重心、齿坎高度、接触面以及地层参数等因素下锚碇齿坎对承载力影响作用;李文胜等[5]对赣州大桥西锚碇基础和地基进行二维有限元模拟分析， 得到了在运营荷载作用下锚碇齿坎接触面的应力分布与周围土体的变形规律;李家平等[6]通过对比模型试验，研究软土中锚碇自身和相邻土体的变位、土体中附加应力分布等随锚索力和时间的变化规律，验证了锚碇基础下部地基加固、锚碇基坑围护以及锚碇周围覆土对提高锚碇稳定性的作用;王艳丽等[7]用FLAC3D对比分析了不同地下防护墙入土深度下锚碇下沉期应力变形特征。上述研究中重力锚缆索支墩基础多与锚块嵌固成一整体。本文依托的工程——秀山大桥重力锚散索支墩基础与锚块各自分开，地基荷载分担比更为复杂，支墩基础率先破坏同样会导致锚碇作用失效。为此，拟建立锚碇、散索鞍及桩基整体计算模型，分析超载条件下锚-岩接触面、重力锚前端岩体、支墩基础荷载分担比发展规律、破坏形式及极限承载力。

图1 锚碇构造示意图Fig.1 Anchor structure

2 工程概况

秀山大桥位于浙江舟山群岛，为连接岱山和舟山岛的重要道路基础设施，主桥为双塔三跨连续钢箱梁悬索桥，主桥的两侧布置重力锚。秀山侧锚碇前支墩位于水中，其桩基础嵌入中风化岩层，后锚块基础位于陆域，通过系梁连接为整体，如图1所示。锚碇前趾支墩单侧支墩采用5根直径为2.5 m的钻孔灌注桩，承台尺寸为12 m×13 m，厚为5 m，墩高约43.5 m；后趾后锚块长为37 m，高为36.4 m，宽为52 m，底面倾角为5.7°，基坑深度为9～12 m。锚碇前后趾系梁长为51 m，截面尺寸为6 m×5 m，壁厚为0.55 m，属箱型断面。

主缆入射角为10.4°，锚跨与水平面夹角为32.5°。设计荷载下主揽拉力为132 MN。

秀山侧锚块地基出露地层岩性为上侏罗统馆头组褐黄色、青灰色强-中风化晶屑玻屑熔结凝灰岩，凝灰结构，岩质坚硬，性脆，灰黄、褐黄色霏细斑岩岩脉大片侵入。覆盖层<0.5 m，强风化层厚为0.6～7.7 m不等，岩体极破碎，岩体结构类型为碎裂结构。中风化层钻孔揭露厚度>28 m，岩体极破碎-破碎，局部较破碎，岩体结构类型为碎裂-镶嵌碎裂结构，岩体基本质量等级为Ⅴ—Ⅳ类。前支墩位于水面以下，覆盖层变厚，但最大厚度< 8 m。

3 重力锚超载模拟分析

3.1 计算模型及参数

通过有限差分程序FLAC3D建立锚碇与地基数值模型如图2所示。

图2 锚碇基础三维计算模型Fig.2 Three-dimensional calculation model of anchorage

在研究区域内，考虑了含黏土砾砂、含碎石粉质黏土、强风化、中风化、微风化地层。支墩、锚碇、桩基采用实体单元模拟，支墩桩基与承台、锚碇与岩体接触位置采用接触面单元模拟。模型共划分节点23 942个，单元114 507个。

岩土体参数采用值见表1。在海平面以下考虑浮力作用，取浮重度。除桩基础外，混凝土结构按弹性材料计算，弹性模量E为30 GPa，泊松比为0.25。接触面法向刚度取KN=20 GPa， 剪切刚度Ks取2 GPa。

3.2 计算步骤及拉拔荷载施加方法

计算步骤如下：

(1)首先进行边坡自重作用下计算，然后模拟重力锚建造，计算完成后自重位移清零。

(2)进行缆索拉拔模拟，每级增加荷载为0.5P，直至锚块失稳 (P为设计荷载)。

表1 岩体物理力学参数采用值Table 1 Suggested values of physical and mechanical parameters of rock mass

模型中未模拟缆索，将缆索拉拔荷载分解为2个方向的集中力施加在节点上：一是施加在散索点上，量值为50 MN，与水平面夹角为69°；二是后锚块承载板位置上缆索拉力荷载为132 MN，与水平面夹角为32.5°，见图3。

图3 荷载施加示意图Fig.3 Schematic diagram of load application

图4 支墩承台与桩基接触面荷载变化曲线Fig.4 Load variation curves of the contact surface between pile and platform

3.3 计算结果及分析

图4为桩基-承台接

触面单元切向荷载和法向荷载随缆索荷载的变化曲线。桩基-承台接触面切向和竖向荷载随缆索荷载近似线性增大，竖向分量为水平分量的7～12倍，散索桩基与承台摩擦系数为0.4，得到桩基-承台接触面切向安全系数为3.0左右，故桩与承台接触面不会发生剪切破坏。

提取土岩界面上背侧桩单元主应力，以最小主应力计算极限摩尔圆半径，并与当前应力状态摩尔圆半径作比，作为单元点安全系数，见图5，其中σ1和σ3分别为最大和最小主应力，方向近似于竖向和水平向。由图5可见，桩近垂向最大主应力为压应力，在缆索荷载为5P时，最大达到13 MPa。受土体黏结作用，近水平向最小主应力量值先为拉应力。在缆索荷载达到4P时，桩身点安全系数达到极限状态，桩身侧向变形增大，受土体约束，最小主应力变为压应力。由于最小主应力量值相对最大主应力较小，桩基破坏形式近似于单轴压缩破坏。缆索荷载为3.5P时，桩基础达到极限承载状态。

图5 桩基内力和点安全系数变化曲线Fig.5 Variation curves of internal force and point safety factor of pile

图6为不同缆索荷载下锚碇底部压应力分布曲线。1P时，前端点应力为0.56 MPa，后端点应力0.23 MPa。与结构设计说明给出前后端压力结果[8]基本一致，表明施加等效荷载的方法是可行的。

图6 锚底压应力分布曲线Fig.6 Curves of pressure distribution on anchor bottom

超载后，锚碇后端压力值率先减小，并在2.5P时出现拉应力，随后前半部分锚底压力逐渐减小，直至出现拉应力。说明缆索超载时锚底压力和接触面均存在逐渐减小的现象。由于锚块底部不允许出现拉应力[9]，锚块抗滑、倾稳定允许缆索荷载2.0P。

图7为锚块底部接触面法向、切向荷载及切向安全系数随缆索荷载变化曲线。可见，锚底接触面切向荷载先增大，达到2.5P后又减小，但锚-岩接触面剪切安全系数始终>1。可推断接触面在切向达到极限前已脱开，锚块底部接触面缩小导致承担切向水平荷载逐渐减小。

图7 锚底-岩体接触面荷载分布曲线Fig.7 Curves of load distribution on the contact surface between anchor bottom and rock

缆索水平荷载不断增大，而锚底切向荷载反而减小，必然导致锚碇系统承担水平荷载比发生变化，如图8所示。其中底板和侧边均存在一定倾角，水平荷载占比包括切向力和压力在水平方向上的分量之和。

图8 锚碇系统荷载分担比变化曲线Fig.8 Variation curves of load sharing ratio of anchorage system

由图8可看出：

(1)在(1～2)P时，基岩锚块底板接触面、锚块前端岩体(9 m厚)、支墩基础、锚块侧边水平荷载平均占比64%，23%，6%，7%。

(2)至2.5P，锚块底板接触面承担荷载百分比快速下降，锚块前端面岩体水平抗力逐渐增大；至4.5P，锚底接触面不再承担水平荷载，前端岩体承担水平荷载达到极限，占比79%。

(3)散索鞍桩基、侧边承担荷载变化不大，最大达到9%，12%。

以上结果表明锚块底板接触面和前端土体承担大部分水平荷载，约占87%，在锚块底板承担荷载达到极限后，前者承担荷载向后者转移。

图9为不同荷载下地基塑性区和锚岩接触面拉伸破坏分布图。

图9 地基塑性区和锚岩接触面拉伸破坏分布Fig．9 Distributionofplasticzoneinfoundationandinterfacetensionfractureinanchor⁃rockcontactsurface

由图9可见：

(1)2.5P时，锚底后半段岩体出现拉伸破坏区。由于锚岩接触面抗拉强度值设为0，接触面法向上不能传递拉应力，接触面在脱开后也不能传递切向力。分析认为在2.5P时，锚岩接触面后半段出现拉伸脱开，锚岩接触面前、后段传递给底部岩体的切向剪力极不均匀，进而引起岩体内产生拉伸应力。

(2)4.5P时，锚底接触面完全脱开，其承担水平荷载和新增缆索水平向拉力传递给锚碇前端岩体，导致锚碇前端岩体发生拉剪复合型破坏，形成贯通至地表的剪切破坏面，延伸深度大于基坑深度。

综上所述，2.5P和4.5P是锚底地基和接触面从开始塑性破坏到完全破坏的2个典型荷载阶段，结合图8可知，2个典型荷载也是锚底和锚前水平荷载分担比曲线变化的特征点。

4 结 论

(1)缆索荷载为3.5P(P为缆索设计荷载)时，秀山大桥支墩桩基达到极限承载状态 ，其破坏形式近似于单轴压缩破坏。

(2)超载条件下锚碇底部的锚-岩接触面和岩体破坏形式以拉伸破坏为主，前者是缆索荷载法向分量引起的，后者是缆索荷载水平分量通过锚-岩接触面传递的不均匀剪力作用的结果。

(3)在缆索荷载为(1～2)P时，基岩锚块底板、锚块前端岩体、支墩基础、锚块侧边水平荷载占比约为64%，23%，6%，7%，随着荷载继续增大，锚块底板与岩体逐渐脱开，其承担水平荷载向锚前端岩体转移，支墩基础、锚块侧边水平荷载占比变化不大。

[1] 楼庄鸿．国外大跨径悬索桥述评[J].中国公路学报，1991,4(4):67-76.

[2] 肖本职,吴相超,刘 娅.重庆鱼嘴长江大桥锚碇抗剪强度试验研究[J].长江科学院院报,2011,28(5):55-58，62.

[3] 刘效尧．悬索桥锚碇桩式基础位移及受力分析[J].桥梁建设，2010， (4):47-51.

[4] 赖允瑾，吴昌将，张子新．软岩地基悬索桥重力式锚碇齿坎效应的试验研究与数值分析[J].岩石力学与工程学报，2010, 29(3):593-602.

[5] 李文胜，赖允瑾，吴昌将．悬索桥锚碇结构2D有限元数值模拟与分析[J]. 地下空间与工程学报，2009,5(增2): 1768-1775.

[6] 李家平，李永盛，王如路.悬索桥重力式锚碇结构变位规律研究[J]. 岩土力学， 2007， 28(1):145-150.

[7] 王艳丽,何 波,饶锡保,等.武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇下沉期防护方案数值分析[J].长江科学院院报,2012,29(11):62-67.

[8] 浙江省交通规划设计研究院.岱山县官山至秀山公路秀山大桥工程初步设计报告[R].杭州：浙江省交通规划设计研究院, 2015.

[9] JTG/T D65-05—2015，公路悬索桥设计规范[S]. 北京: 人民交通出版社, 2015.