基于GTSNX的交变荷载下岩土体与桩台力学行为模拟研究

张 涛

（贵州地质工程勘察设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550008）

0 引言

在山区地形修筑桥梁类跨越构筑物，装配式施工在各种大跨度悬索吊桥，斜拉桥及拱桥建设中十分普遍，如缆索吊装等。锚固系统是装配式施工中重要的组成部分[1]。

夹石特大桥位于贵州铜仁境内，施工初期拟采用桩基与承台（以下简称桩台）组合式锚碇形式，将桥梁的永久性结构桩台用来代替一般的临时性锚碇结构。该方式能极大地节省临时锚碇的施工和维护成本、缩短工期等。与一般的重力式锚碇、岩锚锚碇等相比，优越性突出。桥梁结构施工完成后，桩台在桥梁运营期还能正常发挥作用。

本文对桩台在交变荷载下的力学行为进行研究探讨，能进一步认识桩台在岩土体的行为变化，对往后的生产活动具有一定指导意义[2]。

1 工程概况

1.1 桥型方案

夹石特大桥为整幅桥，起点桩号K0+549，终点桩号K0+978，全长429m。上部结构采用5m×25m预应力T梁+230m钢筋混凝土箱型拱+2m×25m预应力T梁；下部钢筋混凝土拱座；过渡墩，桩基础；U型桥台，桩基础。桥面净宽：2×净7.25m，荷载等级：公路Ⅰ级。

1.2 桥区地质情况

场区属长江流域乌江水系，桥位中部为乌江，河宽145～288m，水位高程受下游沙坨电站蓄水、泄水控制。场区地层岩性覆盖层为残坡积层（Qel+dl）碎石土、人工填土（Qme）回填碎石土；下伏基岩为寒武系上统后坝组（∈3h）白云岩夹泥质白云岩，分布泥化夹层。

桥区地下水类型为基岩裂隙水、岩溶水及第四系土层孔隙、裂隙水，地下水主要靠大气降水及地表径流沿岩层层面及裂隙渗透补给。

2 计算模型建立

2.1 本构模型的选择

岩土体的本构模型是一种表达外荷载作用下材料特性的应力应变关系的经验性描述[3]。由于岩土体的组成中液体、气体、固体的随机性和复杂性，也使岩土体的性质十分复杂。鉴于许多桩台施工运营中，岩土体处于塑性工作状态，结合本文工程实际的地质情况选取理想弹塑性模型-摩尔库伦模型，服从Mohr-Coulomb 剪切破坏准则[4]。

2.2 三维数值模型构建

所选材料岩土体的物理力学参数以现场勘察和室内室外试验指标为依据进行相关参数选取，如表1。模型整体网格划分合理并保证所选取岩土体本构模型、物理力学等参数与实际数据吻合，为相关的有限元模拟计算提供相关依据。

表1 岩土体参数表

根据桩台所处周围环境地质情况，对桩基施工实际情况进行模拟中，根据需求对分析计算模型做了适当的简化。由实际情况对施工中的主要影响因素处以适当假设：①便于建立计算模型，周围土层情况认为是均质分布，选择Mohr-Coulomb作为本构模型；②桩基和承台均为弹性本构；③开挖施工以及勘探对土体产生的扰动过程暂时不考虑自重存在[5]-[9]。

确定三维模型尺寸，以桩台施工为基础，考虑工程尺寸、大致水文地质环境，水平影响范围、垂直影响范围，取3~5倍结构尺寸，最终模型尺寸为60m×60m×40m。模型生成网格24493个，包含21280个节点。

3 施工运营过程模拟分析

3.1 桩台施工自重作用

在桩台施工过程中考虑其圬工材料的自重效应，桩台会产生位移和相应内力变化。

桩基和承台在施工完成的整个过程中，荷载作用仅为自重作用，总体的自重大约是17212kN，对周围岩土体产生一定作用。

3.2 施加锚索荷载作用

桩台在用作临时锚固系统时，锚索将拱桥节段的重力和施工荷载传递给桩台，桩台承受的总合力为斜向上，分解成水平方向和竖直方向两个力。作用力如表2所示。将对应点的锚索拉力施加在桩台结构上，模型计算得桩台总位移行为变化图（见图1），桩基在荷载作用下的位移、内力变化图，如图2~5。

表2 墩锚碇索力

图1 锚索拉力下桩台总位移

图2 锚索拉力下桩1、2、3号位移

图3 锚索拉力下桩4、5、6号位移

图4 锚索拉力下桩1、2、3号内力

图5 锚索拉力下桩4、5、6号内力

从图2可以清楚地看到，承台在锚索的锚固处附近有显著的位移，桩基1、2、3号靠近锚索锚固面，比桩基4、5、6号桩位移明显。桩基1、2、3号位移和内力都较大，对锚索拉力反应更大。证明转台有沿锚索拉力方向整体的转动趋势，近锚固面的桩拉力较大，远侧桩基拉力较小。岩土体的抗力充分发挥出来。

3.3 桥梁上部荷载作用

桩台在桥梁施工完成后将会撤掉锚索拉力，成为永久结构用作桥梁墩台的基础，承受桥梁的上部荷载作用。荷载作用下桩台总位移变化图见图6，各个桩基的位移、内力变化图见图7~10。

图6 桥梁上部荷载下桩台总位移

图7 桥梁上部荷载下桩1、2、3号位移

图8 桥梁上部荷载下桩4、5、6号位移

图9 桥梁上部荷载下桩1、2、3号内力

桥梁运营阶段的上部荷载作用下，桩台整体上比其刚施工完成后在自重作用下的变化不大，承载能力得到保证。但是在图6中反映出桩台的锚索拉力作用下的残留变形，在卸下锚索力后部分变形不可恢复。

图7~图10中，比较可以看出，近锚索锚固面的桩（桩号1、2、3）位移和内力相对比远侧（桩号4、5、6）小，桥梁上部荷载相当于是对前阶段锚索作用下的“弥补”效果。桩台在桥梁施工运营整个阶段十分可靠。

图10 桥梁上部荷载下桩4、5、6号内力

4 结束语

桥梁建设运营过程中，桩台在桥梁建设施工期间，在浇筑成型时承受自重荷载，其后在桥梁上部结构施工中，桩台用作锚固结构，承受来自缆索的斜拉索力，桥梁运营期间又承受上部结构与车辆荷载。不同荷载作用下，岩土体与桩台结构会产生不同的内力变化和位移变形，工况较为复杂。为了研究不同荷载下的岩土体与桩台的力学行为，根据工程实际情况辅以MIDAS-GTSNX进行模拟分析。结论如下：

（1）竖向往复荷载作用时岩土力学性质较好的情况下，作用次数较少时，对岩土体的力学性质影响甚微，岩土体性质较差时影响有所增加。

（2）将桥梁墩台基础永久结构用作锚碇临时结构时，位移变形可控，结构可靠性良好，经济性高。往复荷载作用阶段结构表现出一定的“弥补”效果。