悬索桥根式锚碇受力特性分析

2022-08-03殷永高

公路交通科技 2022年6期

余竹,朱昊,何敏,殷永高

(1.安徽省交控建设管理有限公司，安徽合肥 230088；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

0 引言

在众多的桥梁结构形式中，悬索桥凭借自身优势成为跨越大江大河主流方案。大跨径悬索桥离不开稳定的锚固系统。锚固系统可分为自锚式[1-3]和地锚式两种。地锚式可以进一步分为重力式和隧道式[4]。其中，隧道式适用于基岩坚实完整的地区，其他情况下大多采用重力式。我国江河流域分布着大面积软弱覆盖层，其承载力低，岩层埋置较深。在这类地质条件下修建重力式锚碇，存在较大的设计与施工难度[5-6]。另外，传统重力式锚碇主要通过自身重力和基底摩擦力来承担主缆力；锚碇前侧被动土压力在设计时被视作安全储备，基础与土体的相互作用未得到充分利用，在一定程度上不够经济[7]。

部分学者针对重力式锚碇现有问题提出了齿坎式锚碇[8-9]、桩与扩大基础复合锚碇[10-11]、群桩锚碇[12-13]和根式锚碇[14]等。齿坎式锚碇除依靠自身重力和基底摩擦力抵抗主缆缆力外，齿坎的水平面和正面也能够抵抗主缆力。桩与扩大基础复合锚碇受力较为复杂，依靠扩大基础自身重力和基底摩擦力以及桩土相互作用抵抗主缆力荷载。群桩锚碇和根式锚碇都是依靠承台、基桩集群和土体三者相互作用共同抵抗主缆力荷载。两者不同之处在于根式锚碇采用的是根式基础。它是在常规沉井基础侧壁预留顶推孔，待沉井下沉到指定位置处，使用顶进装置将根键顶入土体并使之与沉井基础固结而形成一种仿生基础形式。

殷永高等[15-16]通过数值模拟和现场试验发现：根式基础能实现土体与根键之间的刚度协调，充分发挥土体承载力，其承载力较普通基础得以大幅提高；并在此基础上提出了适用于厚覆盖层地区的根式锚碇基础，初步探索了根式锚碇基础的受力机理及适用性。杨灿文[17]从工程规模、结构受力、地质适应性以及施工等方面对比了普通沉井基础和根式锚碇基础，认为根式锚碇具有一定的优势。然而，根式锚碇基础承载特性与机理相关研究尚不够完善，且缺乏工程应用验证。

根式锚碇作为悬索桥新型锚碇基础形式，首次应用于秋浦河大桥北岸锚碇工程。本研究以此为工程背景，通过数值模拟并结合现场监测研究锚碇在不同工况下的受力和变位特性。

1 工程概况

秋浦河大桥位于安徽省池州市，是池州长江公路大桥工程的重要组成部分。该桥主桥为主跨270 m的双塔结合梁悬索桥。地质条件自上而下分别为种植土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉土、圆砾土以及弱胶结砾岩；根键顶进所经历的地层主要有粉土(中密状态)、圆砾土(中密-密实状态)。

北锚碇为根式锚碇基础，采用16根直径5.0 m的根式空心桩。设计桩长为26.0 m，桩基底部3.0 m和顶部6.0 m为实心段，其余为空心段，空心段壁厚0.9 m。单根桩设置6层根键，在平面上呈十字型分布，相邻根键层间距为2.0 m，以45°角交错布置。根键截面为十字形，外露长度1.25 m。承台高5.5 m，锚体包括锚块、鞍部及压重块，如图1所示。

图1 根式锚碇立面图(单位：cm)Fig.1 Elevation view of root anchorage (unit: cm)

2 数值模拟模型

采用FLAC3D仿真计算软件，用6面体网格划分建立根式锚碇基础模型。由于锚碇沿顺桥向为对称结构，采用半模型建模，如图2所示。周围土体范围为300 m×300 m×150 m。在模型的四周设置法向约束，在模型的底面设置固定约束作为边界条件。根式锚碇采用弹性本构模型；锚碇周围土体采用弹塑性本构模型；桩土接触面采用摩尔库伦剪切模型。土体及锚碇结构基本力学参数见表1，接触面模型的内摩擦角和黏聚力取周围土体的0.5倍，接触面参数见表2。

表1 土体及锚碇力学参数Tab.1 Mechanical parameters of soil and anchorage

表2 桩土接触面参数Tab.2 Parameters of pile-soil interface

图2 根式锚碇数值网格模型Fig.2 Numerical grid model of root anchorage

在土体初始地应力平衡的基础上，根式锚碇的计算工况包括施工阶段(基坑开挖、桩基施工、承台施工、锚碇整体施工完成)和运营阶段(悬索桥成桥运营)。其中，锚碇整体施工完成和悬索桥运营阶段的变位为主要控制指标：(1)锚碇整体施工结束，在承台鞍部施加等效自重荷载代替鞍部自重；(2)悬索桥运营阶段，主缆力采用设计荷载5.6×104kN，主缆力在散索鞍处与水平呈25°夹角。模型中采用竖向力及水平力的组合形式作为等效荷载施加在相应位置节点上。

3 数值计算与现场监测结果对比分析

3.1 锚碇变位特征分析

为了解根式锚碇在两种工况(锚碇整体施工结束(工况1)和悬索桥运营阶段(工况2))的变位特征，对锚碇承台现场监测点的水平变位和竖向变位的现场监测结果和数值模拟结果进行对比分析。承台监测点如图3所示，承台监测点变位如表3所示(以承台施工完成为初始点，表中数据为相对前一施工阶段的变位值)。

图3 根桩编号及承台位移监测点示意图Fig.3 Schematic diagram of pile numbers and cap displacement measuring points

表3 工况2承台监测点变位表Tab.3 Displacement of measuring point of cap in case 2

可以看出，在锚体施工结束阶段，锚碇在锚体偏载作用下，后侧沉降、前侧抬升，整体呈现后仰姿态；在运营阶段，锚碇在主缆力作用下，前侧沉降、后侧抬升，整体呈现前倾姿态，并且主缆力的水平分力使得锚碇整体水平变位增大。

对于悬索桥锚碇变位限值，日本本四联络桥公团以主跨跨径1 000～1 500 m的悬索桥为对象，规定长大跨径悬索桥的水平位移的容许值为0.000 17倍主跨跨径。同时参照以往工程案例，江阴长江大桥主跨1 385 m，锚碇变位控制标准为：水平位移限值为10 cm，沉降限值为20 cm；马鞍山长江公路大桥主跨1 080 m，锚碇变位控制标准为：水平位移限值为10 cm，沉降限值为15 cm[18]。由以上工程经验，确定秋浦河大桥根式锚碇的变位控制标准为：水平位移限值为4.59 cm，沉降限值为5 cm。依照该标准，锚碇在主缆力作用下的水平变位和竖向变位均满足要求。

3.2 锚碇受力特性分析

为了分析根式锚碇在自重和主缆力作用下的受力特性，计算了根式锚碇基础集群中各单桩桩身的轴力、弯矩、剪力，并得到了承台所承受的竖向力和水平力。各桩编号如图3所示，编号1～4为外侧桩，编号5～8为内侧桩。

在工况1，根式锚碇在锚体自重偏载作用下，承台的竖向转角为0.013°，锚碇整体转动较小，忽略偏载所致的弯矩和水平力。竖向荷载由承台和根式基础集群共同承担，在此工况下，仅分析承台承担的竖向荷载和桩身的轴力；在工况2，根式锚碇在主缆力和自重偏载作用下，承台和根式基础集群受竖向力、水平力和弯矩共同作用，在此阶段分析承台承担的竖向荷载和水平荷载，根式基础集群中各单桩桩身轴力、弯矩、剪力和水平抗力。

其中工况1的桩身轴力如图4所示，工况2的桩身轴力、弯矩、剪力如图5所示。两种工况下的竖向荷载分配如表4所示，水平荷载分配如表5所示。其中，桩顶至A-A截面土层为淤泥质粉质黏土，A-A截面至B-B截面土层为粉土，B-B截面至C-C截面土层为圆砾土，C-C截面至桩底土层为弱胶结砾岩。

表4 竖向荷载分配Tab.4 Distribution of vertical loads

表5 水平荷载分配Tab.5 Distribution of horizontal loads

图4 工况1桩身轴力Fig.4 Pile axial force in case 1

图5 工况2桩身轴力、弯矩和剪力Fig.5 Pile axial force, bending moment and shear force in case 2

从图4可以看出，在自重荷载作用下，后侧桩桩顶轴力大于前侧桩桩顶轴力，外侧桩桩顶轴力略大于内侧桩桩顶轴力，符合预期。而图5(a)表明，在主缆力荷载作用下，前侧桩桩顶轴力增加，后侧桩轴力减小，使得前侧桩桩顶轴力大于后侧桩桩顶轴力，特别是前侧第1排4#和8#桩轴力增加尤为显著；同时外侧桩桩顶轴力大于内侧桩桩顶轴力。其次，在软弱覆盖层中，桩身轴力随土体深度增大而逐渐增加(C-C截面以上)，在弱胶结砾岩土层中，桩身轴力随土体深度增加而逐渐减小，这是由于在软弱覆盖层中，桩侧摩阻力不足以抵抗桩身自重，而在弱胶结砾岩中，桩侧摩阻力较大使得桩身轴力逐渐减小。此外，从图4和图5(a)均可看出，桩身轴力在6层根键位置处均出现了突变，而且以最底层根键处为分界，其以下的桩身轴力逐渐减小，由此可见根键承担了较大的竖向荷载。

图5(b)表明，桩身弯矩随深度增加逐渐由正减小为负。其中前侧桩桩身弯矩大于后侧桩桩身弯矩，外侧桩桩身弯矩大于内侧桩桩身弯矩，桩顶正弯矩最大，桩嵌岩段负弯矩最大。

图5(c)表明，在桩顶至B-B截面桩身剪力无明显变化，这是由于淤泥质粉质黏土和粉土强度较低，所提供的水平抗力较小；在B-B至C-C截面，桩身剪力随深度逐渐减小，且在根键处减小幅度较大，即根键处的水平抗力大于无根键处的水平抗力；在C-C截面至桩底，桩身剪力大幅度减小。同时外侧桩的桩顶剪力大于内侧桩的桩顶剪力，前侧桩的桩顶剪力大于后侧桩的桩顶剪力。

由表4和表5可知，竖向荷载主要由承台端阻力和根式基础集群分担，水平荷载主要由根式基础集群分担。