井筒式地下连续墙地锚结构力学性能研究

2018-06-14秦曙光罗富元欧阳平

西部交通科技 2018年2期

秦曙光，罗富元，欧阳平

(1.广西荔玉高速公路有限公司，广西南宁 530000；2.广西交通规划勘察设计研究院有限公司，广西南宁 530029)

0 引言

地下连续墙以其自身整体刚度大、强度高、防渗挡土等优点在国内外很多工程中得到了广泛应用。其中，井筒式地下连续墙基础是一种新型的桥梁基础形式，它采用地连墙工法建造墙体，利用构造接头把墙段连接成一个矩形、多边形或圆形的平面，且其内部可分为一个或多个空格的整体结构，不用开挖内部土体，直接在其顶部设置封口顶板与上部结构相连，地连墙与顶板共同组成井筒状构造的新型基础结构形式。井筒式地下连续墙基础应用于大跨径桥梁和重载结构基础具有明显的优势。研究表明：井筒式地下连续墙具有整体刚度大、承载性能好、水平承载力高、抗震性能好等优点；在设计中通过利用地连墙刚度的方向性，合理布置其方位可以满足工程实际要求。本文依托某大桥初步设计阶段的地锚结构设计，基于ANSYS有限元软件，建立地锚结构嵌岩和非嵌岩两种工况下的数值有限元模型，研究采用井筒式地下连续墙作为地锚结构时结构的受力性能，为今后类似的工程实践提供参考。

1 工程概况

某大桥在初步设计阶段中，采用水平承载能力较高、对环境土体影响较小的井筒式地下连续墙作为两岸地锚结构形式。南北两岸地锚结构的平面尺寸相同，结构可分为顶板、前墙、后墙、隔墙四部分(图1)。平面尺寸为40 m(横桥向)×15 m(顺桥向)，顶板厚度为6 m；前墙、后墙及隔墙厚度均为1.2 m；在顶板处设置22 m(横桥向)×2 m(顺桥向)×3 m(竖向)的锚槽。近跨中侧墙体为前墙，远跨中侧墙体为后墙。南北两岸的地锚结构高度(含顶板)分别为：11.0 m(南岸)和27.0 m(北岸)。该桥梁工程的北岸地质条件较为复杂，上覆土层较厚，故选取北岸地锚结构作为本文的研究对象。

(a)地下连续墙顶板

(b)地下连续墙墙身

2 工程地质条件

桥址区地层以冲洪积覆盖层为主，下伏地层以泥盆系中统地层为主，岩性组成为灰岩及泥灰岩，区域产状5°/SE∠24°。北岸地锚结构区地层分布自上而下为：粉质黏土①、粉质黏土②、中风化泥灰岩。

各土层特性如下：(1)粉质黏土①，褐黄、浅黄、褐色，可塑～硬塑状，土质均匀，韧性及干强度高，局部相变为黏土，局部地段表层为耕植土，属中等压缩性土；(2)粉质黏土②，灰褐色，可塑状，土质较均匀，韧性及干强度中等，局部地段夹卵石层，属中等压缩性土；(3)中风化泥灰岩，局部夹灰岩，局部发育溶洞，岩体较完整。各土层物理力学指标见表1。

表1 各土层物理力学指标表

3 有限元模型建立

3.1 分析工况

本文将建立地锚结构嵌岩和非嵌岩两种工况下的数值有限元模型，通过分析对比，研究采用井筒式地下连续墙作为地锚结构时结构的受力性能。表2为两种工况下井筒式地锚结构高度范围内的土层厚度，地锚结构顶面与地面齐平。

表2 两种工况下地锚结构高度范围内的土层厚度对比表

3.2 有限元模型

采用通用有限元软件ANSYS建立实体有限元分析模型，混凝土结构和土体均采用SOLID185实体单元进行模拟，按弹性材料考虑。混凝土和土体之间采用面-面接触单元连接，土体接触面选用CONTA173单元，结构目标面选用TARGE170单元模拟，土层与结构的接触面摩擦系数取0.2，岩层与结构的基础面摩擦系数取0.45。结构为对称结构，为节省计算时间，选取1/2结构-场地进行建模求解，有限元实体模型如图2所示。

(a)1/2场地数值模型

(b)1/2临时地锚模型

场地尺寸：175 m(顺桥向)×42 m(1/2横桥向)×87 m(竖向)，场地尺寸确定原则为：增大拟定场地尺寸进行计算，对结构和近场土体的计算结果无影响。

边界条件：约束场地顺桥向两个面、横桥向远离结构的侧面、场地底面上所有节点的UX(横桥向)，UY(顺桥向)，UZ(竖向)三个自由度；约束结构-场地对称面上所有节点的UX自由度。

荷载情况：在锚槽的锚固点处(1/2结构共7处)施加相同的水平力(指向跨中)和竖向力(向上)，水平力大小为5 732.1 kN；竖向力大小为1 559.6 kN。

4 数值模拟分析

通过有限元模型的分析，对在竖向和水平向荷载组合作用下的地锚结构进行分析得到不同工况下井筒式地下连续墙结构、场地土体及基岩的受力特性。

4.1 结构分析结果

通过提取结构的第1主应力，考察结构的拉应力情况；通过提取结构的第3主应力，考察结构的压应力情况，并对嵌岩和非嵌岩两种工况的结果进行对比。

表3为嵌岩工况和非嵌岩工况的顶板分析结果；图3为嵌岩工况地连墙应力云图；图4为非嵌岩工况地连墙应力云图。两个工况的顶板最大拉应力均出现在锚面与锚槽底面接触(锚固点下方)，这是由于集中力的局部锚固效应引起的，通过进行局部合理的构造措施可以满足受力要求。两个工况的顶板最大压应力均出现在锚面的局部锚固处，整体而言顶板压应力较小，满足受力要求。从表3可以看出，两种工况下顶板的最大拉、压应力基本一致，但是由于嵌岩工况中，墙身底部的嵌固约束，使得嵌岩工况的顶板位移远小于非嵌岩工况的顶板位移。

表3 两种工况下顶板分析结果(不考虑应力集中效应)表

由图3(a)～(b)可以看出，对于嵌岩工况，墙身最大拉应力发生在底部的隔墙和前墙交接处，且在后墙下部分布有较大的拉应力(1.24～1.81 MPa之间)，这是由于在水平力作用下，结构整体倾斜变形受到基岩的嵌固约束，使得后墙下部受拉。图4(a)～(b)显示，对于非嵌岩工况，墙身最大拉应力与嵌岩工况一致，也发生在底部的隔墙和前墙交接处，但由于非嵌岩工况没有基岩的嵌固约束，其后墙无明显拉应力较大区域。整体而言，两个工况下的墙身拉应力水平较小，满足结构受力要求，需要注意对底部墙体交接处的构造设计。

由图3(c)～(d)可以看出，对于嵌岩工况，墙身最大压应力出现在墙身底部的外隔墙和前墙交接处。由于基岩的嵌固约束，前墙和后墙均出现墙身压应力较大的分布区域；而图4(a)～(b)则显示，对于非嵌岩工况，只在前墙分布有较大的压应力区。整体而言，两个工况下的墙身压应力满足结构受力要求。

4.2 土层侧向受力分析结果

通过提取土层的顺桥向应力，考察各土层的侧向土压力情况。图5为嵌岩工况各层土顺桥向应力分布图；图6为非嵌岩工况各层土顺桥向应力分布图。从图5可以看出，最大侧向压力发生在前墙与岩层顶部接触处，该区域最大侧向压力在-1.22～-1.43 MPa之间，有明显的应力突变现象，这是由于该处的侧向约束发生突变，在水平荷载作用下，基岩对抵抗结构的倾斜变形起主要作用。此外，地连墙内部土芯中基岩部分也产生约-0.5 MPa的侧向应力，表明土芯对抵抗水平力也起到了一定的作用。图6则显示，地锚结构不嵌入岩层中时，土层侧向无明显应力突变区域。

(a)墙身第1主应力(前墙面视角)

(b)墙身第1主应力(后墙面视角)

(c)墙身第3主应力(前墙面视角)

(d)墙身第3主应力(后墙面视角)

(a)墙身第1主应力(前墙面视角)

(b)墙身第1主应力(后墙面视角)

(c)墙身第3主应力(前墙面视角)

(d)墙身第3主应力(后墙面视角)

图5 嵌岩工况各层土侧向应力云图(单位：MPa)

图6 非嵌岩工况各层土侧向应力云图(单位：MPa)

4.3 基底竖向受力分析结果

通过提取岩层的竖向应力，考察基岩的竖向应力情况。图7为嵌岩工况基岩竖向应力分布图，图8为非嵌岩工况基岩竖向应力分布图。图7～8表明，两种工况下岩层最大压应力均发生在与前墙底面接触的区域。其中，非嵌岩工况的最大基底较大，为嵌岩工况的1.67倍。这是由于在嵌岩工况中，基岩的侧向约束对抵抗顶板传下来的水平荷载起到了较大的贡献，而非嵌岩工况中，由于土体的侧向约束较弱，对抵抗水平荷载效应贡献较小。