No.4 公路 2005年4月 第4期 HIGHWAY Apr.2005
文章编号:0451-0712(2005)04-0061-05 中图分类号:TU311.2 文献标识码:A
悬索桥锚碇基础的稳定性分析
苏静波,邵国建,刘 宁
(河海大学土木工程学院 南京市 210098)
摘 要:锚碇作为悬索桥的主要承力结构物,它的稳定性是十分重要的。针对润扬大桥北锚碇基础,基于三维有限元仿真分析模型的计算成果,对锚碇基础抗滑移、抗倾覆稳定进行了计算分析。研究分析了基础前、后墙土体压力对锚碇基础稳定性的影响,并且分析了基底接触面摩擦强度指标对抗滑移稳定性的敏感程度。通过研究分析,得出了悬索桥锚碇基础稳定性分析的一些有益的结论。
关键词:悬索桥;锚碇基础;稳定性;仿真分析;敏感性
锚碇作为悬索桥主要的承力结构物,一般分为
重力锚碇、隧道锚碇和土锚锚碇。重力锚碇有直接基础型,还有沉井、沉箱、地下连续墙等人工基础型。无论是直接基础型,还是人工基础型的重力锚碇,都是以地基的反力来抵抗锚块、基础与索股拉压力在竖直方向形成的分量,而索股在水平方向的巨大拉力则由锚块与地基或基础与地基的摩阻力抵抗。锚碇体的受力机制体现为作用在悬索桥的主缆上巨大的水平拉力通过索股与锚碇架分散传到锚块上,再由锚块、基础通过摩阻力传递到地基上。鉴于锚碇系统在悬索桥中的重要性,它的稳定问题也就显得十分重要。在20世纪60年代以前,锚块和基础的稳定性分析无论是直接基础,还是沉井、沉箱等基础,其锚
收稿日期:2004-11-05
碇自身的滑移、锚块的下沉、锚块在主缆竖向分力作用下发生倾倒,都是绝对不允许的。从1964年建成韦拉扎诺桥开始,悬索桥锚碇可以搁在软质地基上,允许下沉,严格限制滑动,尽量减少倾覆量。目前,抗滑移与抗倾覆稳定的设计计算主要建立在刚体模型的基础上,这种模型未考虑基础与周边土体的摩擦力以及前侧土的抗力等作用,仅将其作为安全储备,因此显得过于粗糙,也难以反映实际情况。本文基于三维有限元仿真分析成果,针对锚碇基础的稳定性进行计算分析。1 工程概况及计算模型1.1 工程概况
DesignofBackFillingBehindAbutmentandResearchon
TechnicalPerformanceofTypicalFiller
QIXiu-lin,LUOCai-hong,SHENAi-qin,YUEPeng-fei
(1.HighwayDepartmentofHuizhouCity,Huizhou516001,China;2.CollegeofHighway,Chang'anUniversity,Xi'an710064,China)
1
1
2
2
Abstract:OnthebasisofanalyzingthecausesofbumpattheendsofbridgesinHuizhouarea,the
designof“rigidity-flexbilitytransiton”forbackfillingbehindabutmentisputforward.Torealizethedesign,theformulastocalculatethelengthofbackfillingareaareexpoundedandthetechnicalperformanceoftypicalfillerinHuzhouareaisstudied.
Keywords:bumpatendofbridge;rigidity-flexbilitytransiton;backfillingbehindabutment
公 路 2005年 第4期 — 62—
润扬大桥南汊悬索大桥主跨达1490m,为目
前中国第一、世界第三。其北锚碇采用的是69m×50m的矩形基础,基坑开挖深度约48m,地下连续墙围护,采用逆筑法施工,满载时大缆拉力为6.8×10kN。该锚碇基础位于长江世业洲上,覆盖层厚度约48m,自上而下为亚粘土、淤泥质亚粘土、淤泥质
5
亚粘土与粉砂互层、中细砂～中粗砂,基岩为花岗岗。16m以下第四系微承压含水层与长江水联系密切,基岩裂隙水与长江水和第四系承压水有一定的水力联系。土层物理力学性质指标采用该工程的试验资料结果,见表1。
表1 土层物理力学指标
弹性模量
kPa
天然容重(kN/m3)18.918.118.218.119.118.218.0
3.05×1061.64×1075.86×1072.40×107
0.2410.2360.1920.167
23.625.026.425.0
CkPa8.535.018.01.025.07.02.[1**********]000
h(°
)33.029.033.036.031.039.041.042.848.953.5
Rf0.750.850.700.540.740.870.86
Duncan-Chang参数
k117.560.092.6165.587.4195.7233.3
n0.570.580.620.790.670.730.70
G0.200.130.160.220.180.200.23
F0.100.090.120.080.090.080.09
D3.874.985.756.504.045.863.97
材 料泊松比
亚粘土夹粉砂淤泥质亚粘土
淤泥质亚粘土与粉砂互层粉细砂亚粘土
上部粉细砂下部砾砂含砾中砂～砾砂强风化岩弱风化岩微风化岩混凝土
北锚基础在基坑挖及基础底板浇筑完工后,基坑内设置3道纵隔板、4道横隔板将基础分隔为20个隔仓,除2个隔仓填混凝土,2个隔仓灌水外,其
余16个隔仓均填砂,其目的除调节基础重心外,也节省了混凝土工程量,待锚碇基础浇筑完工后再浇筑上锚体。北锚碇基础见图1所示。
单位:mm
图1 北锚碇基础
1.2 计算模型
整体计算模型经离散后,单元总数为47940,结点总数为48670。、岩
(土)体结构、主要断层及接触面情况,同时模拟了地
连墙和内支撑等。三维整体计算网格见图2所示,3所示。
2005年 第4期 苏静波等:悬索桥锚碇基础的稳定性分析
向的剪切力;
—63—
(3)基础后墙岩、土体产生的土压力。值得指出,此部分土压力不能忽略,否则将导致计算结果偏不安全,是重大工程所不允许的,应计入后墙土压力对锚碇基础稳定性的影响。
由以上分析可知,抗滑稳定安全系数Fs的表达式如下:
Fs=滑动力
图2
三维整体计算网格
n
=
∑(fe+
ni
i=1
ne1i=1
e1
n
ci)Ai+
ni
i
∑(fe+
ni
i=1ne2i=1
ni
i
e2
n
ci)Ai+∑eniAi
i=1
ne4
ni
i
e3
∑fA+∑fA+∑eA
i=1
(1)
式中:Fs为抗滑稳定安全系数;f、c为岩土体参数;eni,fni分别为基础与周围土体交界面上土体的正应力和剪应力;Ai为每个单元交界面面积;ne1,ne2,ne3,ne4分别表示锚碇基础底面、侧面以及基础前、后墙土体单元数。
2.2 锚碇基坑抗倾覆稳定计算
图3 锚碇体网格
锚碇基础抗倾覆稳定性计算时,对于基坑地基为土体或风化岩的情况,应保证在最不利的荷载作用下,基础基底截面偏心距落在截面核心内;当地基
为强度较高的新鲜岩石的情况,应保证相对于基础前趾点抗倾覆力矩大于最不利的荷载作用下的倾覆力矩;在地基难以区分时,可用两种方法相互校核。
针对润扬大桥北锚碇基础的实际情况,本文以锚碇基础底面和前墙的交线为转动轴,抗倾覆力矩包括锚碇基础自重及基础前墙与土体交界面上的支承力产生的力矩,倾覆力矩是外力(索股拉力以及散索鞍墩顶部所承受的分布压力)产生的力矩和基础后墙与土体交界面上的被动土压力产生的力矩。抗倾覆稳定安全系数Fm的表达式如下:
n
e
2 锚碇基础稳定性的计算理论2.1 锚碇基础抗滑动稳定计算2.1.1 锚碇基础的滑动抵抗力
锚碇基础抗滑动稳定性计算时,应保证锚碇基础底面的抗滑动安全系数。锚碇基础的滑动抵抗力通常由以下几部分组成。
(1)基础底面和地基的粘结力,其为基础底面和地基间的粘结强度与有效承载面积的乘积。粘结强度应根据混凝土块的剪切试验、其他试验和施工条件而定。
(2)基础底面和地基间的滑动摩擦力,其为有效垂直荷载(扣除主缆拉力的垂直分量和基底地下水浮托力)与摩阻系数的乘积。摩阻系数按规范取值或根据试验、施工条件和已建桥经验而定。
(3)基础前墙岩体或土体抗力,通常只在良好的嵌固和周边环境情况下才予以考虑。文中分析了此部分抗力对锚碇基础稳定性的影响。2.1.2 锚碇基础的滑动力
锚碇基础的滑动力通常由以下几部分组成:(1)基础底面和底面岩土体之间的指向滑动方向的剪切力;
n
Fm=倾覆力矩=
∑∑
f
i=1Gidi+Pidi+
∑eAd
ni
i
i=1e6
e5
i
(2)
i=1
∑eAd
ni
i
i=1
i
式中:Fm为抗倾覆稳定安全系数;Gi为基础及锚体单元的重力;eni为基础与周围土体交界面上土体的正应力;Ai为每个单元交界面面积;Pi为因大缆拉力引起的后锚块和散索鞍所受拉力或压力;di为各外力与转动轴的距离;ne为基础及锚体单元数;e5e6f
公 路 2005年 第4期 — 64—
为后锚块所受索股拉力和散索鞍顶部所受分布压力的单元总数。
3 锚碇基础稳定性的计算成果分析
采用国内外近年来通用的大型有限元软件Marc,经二次开发后,对该基坑体系建立了三维有限元“地层—结构模型”,并模拟基坑开挖与支撑建造大体上的施工顺序进行了仿真分析。土体和全风化岩体采用Duncan-Chang非线性弹性模型;强风化层岩体、弱风化层岩体、微风化层岩体和新鲜岩体采用理想弹塑性模型,岩体屈服准则采用Drucker-Prager准则,塑性流动采用相关联的流动法则。连续墙和内支撑,采用线弹性材料模型。
为了模拟基坑基础浇筑施工过程,反映基坑底部应力的变化情况,对基础施工浇筑仿真计算时按实际浇筑过程分11个工况进行;在北锚碇下部基础和顶板浇筑完工后,上锚体开始浇筑,同时考虑上锚体浇筑施工过程进行仿真计算。得到在各种计算工况下,基础和锚碇体的变形、应力、基底反力及稳定安全指标等计算成果。限于篇幅,本文仅对成桥满载情况下,锚碇体的抗滑移和抗倾覆稳定性进行了分析评价。3.1 滑动方向前、后墙土体对稳定性的影响
在成桥满载情况下,基于锚碇体的受力分析和计算得到的应力成果等,对锚碇体的抗滑移和抗倾覆稳定性进行了计算。在计算锚碇基础抗滑稳定安全系数Fs,滑动面取为锚碇基础底板与基岩交界面,抗滑力包括基础与底面岩土体交界面上的摩阻力、基础与侧面土体交界面上的摩阻力、基础前墙与土体交界面上的支承力,滑动力包括基础与底面岩土体交界面上的剪切力、基础与侧面土体交界面上的剪切力、基础后墙与土体交界面上的被动土压力;在计算锚碇基础抗倾覆稳定安全系数Fm时,转动轴取为基础底面和前墙的交线,抗倾覆力矩包括锚碇基础自重及基础前墙与土体交界面上的支承力产生的力矩,倾覆力矩是外力(索股拉力,散索鞍墩顶部所承受的分布压力)产生的力矩和基础后墙与土体交界面上的被动土压力产生的力矩。
抗滑移安全系数和抗倾覆稳定安全系数分别按三种情况进行计算:第一是考虑基础前、后墙与土体交接面上的土压力;第二是不考虑基础前墙与土体交接面上的土压力;第三是不考虑基础后墙与土体
基础基底与全风化岩接触面的摩擦强度指标采用混凝土块与全风化岩石的直剪试验的结果,见表2。
表2 混凝土与全风化岩接触面摩擦强度指标
含水率/%内聚力c/kPa内摩擦角/(°)
12.39.825.4
22.35.824.3
当基底接触面摩擦强度按表2中均值计算时,由式(1)和式(2)考虑基础前、后墙与土体交界面上的土压力时,计算出抗滑移稳定安全系数为3.41,抗倾覆稳定安全系数为3.51;不考虑基础前墙与土体交界面上的土压力,而考虑基础后墙与土体交界面上的土压力时,抗滑移稳定安全系数为3.39,抗倾覆稳定安全系数为3.50;不考虑基础后墙与土体交界面上的土压力时,抗滑移稳定安全系数为3.44,抗倾覆稳定安全系数为3.52。
由计算结果可知,不考虑基础前墙的土体压力作用时,抗滑移稳定安全系数降低0.59%,抗倾覆稳定安全系数降低0.28%;不考虑基础后墙的土体压力时,抗滑移稳定安全系数增加0.88%,抗倾覆稳定安全系数增加0.28%。由此可知,是否考虑基础前、后墙土体交界面上的土压力对抗滑移和抗倾覆稳定性安全系数有影响,而且考虑后墙土体压力对稳定性的影响略大于前墙土体压力对稳定性的影响。对锚碇基础整体稳定性而言,不考虑基础前墙的土体压力作用是偏于安全的,而不考虑基础后墙的土体压力作用是偏于危险的。
3.2 基底岩土体摩擦强度指标对锚碇抗滑稳定的
敏感性分析
为了分析基底接触面的摩擦强度指标对稳定性的敏感性,对考虑基础前、后墙与土体交接面上的土压力时进行了相关计算。图4给出了抗滑移稳定安全系数与接触面内聚力c的关系曲线,图5给出了抗滑移稳定安全系数与接触面内摩擦角h的关系曲线。
图4 抗滑移稳定安全系数与接触面内聚力c的关系
2005年 第4期 苏静波等:悬索桥锚碇基础的稳定性分析
影响会导致计算结果偏不安全。
—65—
(2)由抗滑移安全系数与接触面强度的敏感性分析可知,它们基本呈线性变化,相对而言,接触面的内摩擦角对抗滑移稳定性更敏感。因此,在实际工程中应尽量把基底放在摩擦强度较高的岩土层或尽量提高接触面的摩擦强度,从而提高锚碇基础的抗
图5 抗滑移稳定安全系数与接触面内摩擦角h的关系
滑移的稳定性。
(3)通过数值计算分析得到润扬大桥北锚碇基础的抗滑移稳定性安全系数为3.41,抗倾覆稳定安全系数为3.51。而润扬大桥北锚碇基础整体性的抗滑、抗倾覆安全系数设计允许值均为2.0,因此润扬大桥北锚碇基础是满足稳定性设计要求的。参考文献:
[1] 彭德运.大跨悬索桥锚碇基础的设计与施工[J].铁道
标准设计,2003,(1).
[2] 张杰,钱冬生.大跨悬索桥塔和锚碇的合理设计[J].桥
梁建设,2000,(4).
[3] 钱冬生,陈仁福.大跨悬索桥的设计与施工[M].成都:
西南交通大学出版社,1999.
[4] 铁道部大桥工程局,桥梁科学研究所.悬索桥[M].北
京:科学技术文献出版社,1996.
[5] 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].北京:水利出版
社,1980.
由图4和图5可以看出,抗滑移稳定安全系数随接触面的强度指标增大而增大,并且抗滑移稳定安全系数与接触面的强度指标基本上呈线性变化。相对而言,接触面的内摩擦角对抗滑移稳定性的影响要比接触面的内聚力对抗滑移稳定安全系数的影响要敏感。
4 结论
(1)通过工程实例分析表明,基础前、后墙与土体交界面上的土压力对抗滑移和抗倾覆稳定性安全系数有影响,并且后墙的土体压力对稳定性的影响略大于前墙土体压力对稳定性的影响。在大缆拉力较小的情况下,忽略基础前墙与土体交界面上的土压力对抗滑移和抗倾覆稳定性的影响是可以接受的,此部分可以作为锚碇基础稳定性的安全储备;然而,忽略基础后墙与土体交界面上的土压力对抗滑移和抗倾覆稳定性的
StabilityAnalysisofAnchorFoundationsofSuspensionBridge
SUJing-bo,SHAOGuo-Jian,LIUNing
(CollegeofCivilEngineering,HohaiUniversity,Nanjng210098,China)
Asamainbearingstructureofsuspensionbridges,thestabilityofanchorfoundationsis
veryimportant.Forthenorth-anchorfoundationofRunyangBridge,thestabilitiesagainstslidingand
overturningareanalyzedfromthecomputationoutputofthree-dimensionfiniteelementsimulationmodels.Theeffectofsoilresistanceofthefrontandthebackofpitsonthestabilityisanalyzed.Thesensitivityofstabilityagainstslidingofsoilrubbingstrengthinthebaseofpitsisviewed.Byresearch,somebeneficialresultsareobtainedforthestabilityofanchorfoundationofsuspensionbridges.
Keywords:suspensionbridge;anchorfoundation;stability;simulationanalysis;sensitivity
Abstract:
No.4 公路 2005年4月 第4期 HIGHWAY Apr.2005
文章编号:0451-0712(2005)04-0061-05 中图分类号:TU311.2 文献标识码:A
悬索桥锚碇基础的稳定性分析
苏静波,邵国建,刘 宁
(河海大学土木工程学院 南京市 210098)
摘 要:锚碇作为悬索桥的主要承力结构物,它的稳定性是十分重要的。针对润扬大桥北锚碇基础,基于三维有限元仿真分析模型的计算成果,对锚碇基础抗滑移、抗倾覆稳定进行了计算分析。研究分析了基础前、后墙土体压力对锚碇基础稳定性的影响,并且分析了基底接触面摩擦强度指标对抗滑移稳定性的敏感程度。通过研究分析,得出了悬索桥锚碇基础稳定性分析的一些有益的结论。
关键词:悬索桥;锚碇基础;稳定性;仿真分析;敏感性
锚碇作为悬索桥主要的承力结构物,一般分为
重力锚碇、隧道锚碇和土锚锚碇。重力锚碇有直接基础型,还有沉井、沉箱、地下连续墙等人工基础型。无论是直接基础型,还是人工基础型的重力锚碇,都是以地基的反力来抵抗锚块、基础与索股拉压力在竖直方向形成的分量,而索股在水平方向的巨大拉力则由锚块与地基或基础与地基的摩阻力抵抗。锚碇体的受力机制体现为作用在悬索桥的主缆上巨大的水平拉力通过索股与锚碇架分散传到锚块上,再由锚块、基础通过摩阻力传递到地基上。鉴于锚碇系统在悬索桥中的重要性,它的稳定问题也就显得十分重要。在20世纪60年代以前,锚块和基础的稳定性分析无论是直接基础,还是沉井、沉箱等基础,其锚
收稿日期:2004-11-05
碇自身的滑移、锚块的下沉、锚块在主缆竖向分力作用下发生倾倒,都是绝对不允许的。从1964年建成韦拉扎诺桥开始,悬索桥锚碇可以搁在软质地基上,允许下沉,严格限制滑动,尽量减少倾覆量。目前,抗滑移与抗倾覆稳定的设计计算主要建立在刚体模型的基础上,这种模型未考虑基础与周边土体的摩擦力以及前侧土的抗力等作用,仅将其作为安全储备,因此显得过于粗糙,也难以反映实际情况。本文基于三维有限元仿真分析成果,针对锚碇基础的稳定性进行计算分析。1 工程概况及计算模型1.1 工程概况
DesignofBackFillingBehindAbutmentandResearchon
TechnicalPerformanceofTypicalFiller
QIXiu-lin,LUOCai-hong,SHENAi-qin,YUEPeng-fei
(1.HighwayDepartmentofHuizhouCity,Huizhou516001,China;2.CollegeofHighway,Chang'anUniversity,Xi'an710064,China)
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Abstract:OnthebasisofanalyzingthecausesofbumpattheendsofbridgesinHuizhouarea,the
designof“rigidity-flexbilitytransiton”forbackfillingbehindabutmentisputforward.Torealizethedesign,theformulastocalculatethelengthofbackfillingareaareexpoundedandthetechnicalperformanceoftypicalfillerinHuzhouareaisstudied.
Keywords:bumpatendofbridge;rigidity-flexbilitytransiton;backfillingbehindabutment
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润扬大桥南汊悬索大桥主跨达1490m,为目
前中国第一、世界第三。其北锚碇采用的是69m×50m的矩形基础,基坑开挖深度约48m,地下连续墙围护,采用逆筑法施工,满载时大缆拉力为6.8×10kN。该锚碇基础位于长江世业洲上,覆盖层厚度约48m,自上而下为亚粘土、淤泥质亚粘土、淤泥质
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亚粘土与粉砂互层、中细砂～中粗砂,基岩为花岗岗。16m以下第四系微承压含水层与长江水联系密切,基岩裂隙水与长江水和第四系承压水有一定的水力联系。土层物理力学性质指标采用该工程的试验资料结果,见表1。
表1 土层物理力学指标
弹性模量
kPa
天然容重(kN/m3)18.918.118.218.119.118.218.0
3.05×1061.64×1075.86×1072.40×107
0.2410.2360.1920.167
23.625.026.425.0
CkPa8.535.018.01.025.07.02.[1**********]000
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)33.029.033.036.031.039.041.042.848.953.5
Rf0.750.850.700.540.740.870.86
Duncan-Chang参数
k117.560.092.6165.587.4195.7233.3
n0.570.580.620.790.670.730.70
G0.200.130.160.220.180.200.23
F0.100.090.120.080.090.080.09
D3.874.985.756.504.045.863.97
材 料泊松比
亚粘土夹粉砂淤泥质亚粘土
淤泥质亚粘土与粉砂互层粉细砂亚粘土
上部粉细砂下部砾砂含砾中砂～砾砂强风化岩弱风化岩微风化岩混凝土
北锚基础在基坑挖及基础底板浇筑完工后,基坑内设置3道纵隔板、4道横隔板将基础分隔为20个隔仓,除2个隔仓填混凝土,2个隔仓灌水外,其
余16个隔仓均填砂,其目的除调节基础重心外,也节省了混凝土工程量,待锚碇基础浇筑完工后再浇筑上锚体。北锚碇基础见图1所示。
单位:mm
图1 北锚碇基础
1.2 计算模型
整体计算模型经离散后,单元总数为47940,结点总数为48670。、岩
(土)体结构、主要断层及接触面情况,同时模拟了地
连墙和内支撑等。三维整体计算网格见图2所示,3所示。
2005年 第4期 苏静波等:悬索桥锚碇基础的稳定性分析
向的剪切力;
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(3)基础后墙岩、土体产生的土压力。值得指出,此部分土压力不能忽略,否则将导致计算结果偏不安全,是重大工程所不允许的,应计入后墙土压力对锚碇基础稳定性的影响。
由以上分析可知,抗滑稳定安全系数Fs的表达式如下:
Fs=滑动力
图2
三维整体计算网格
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=
∑(fe+
ni
i=1
ne1i=1
e1
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ci)Ai+
ni
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∑(fe+
ni
i=1ne2i=1
ni
i
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n
ci)Ai+∑eniAi
i=1
ne4
ni
i
e3
∑fA+∑fA+∑eA
i=1
(1)
式中:Fs为抗滑稳定安全系数;f、c为岩土体参数;eni,fni分别为基础与周围土体交界面上土体的正应力和剪应力;Ai为每个单元交界面面积;ne1,ne2,ne3,ne4分别表示锚碇基础底面、侧面以及基础前、后墙土体单元数。
2.2 锚碇基坑抗倾覆稳定计算
图3 锚碇体网格
锚碇基础抗倾覆稳定性计算时,对于基坑地基为土体或风化岩的情况,应保证在最不利的荷载作用下,基础基底截面偏心距落在截面核心内;当地基
为强度较高的新鲜岩石的情况,应保证相对于基础前趾点抗倾覆力矩大于最不利的荷载作用下的倾覆力矩;在地基难以区分时,可用两种方法相互校核。
针对润扬大桥北锚碇基础的实际情况,本文以锚碇基础底面和前墙的交线为转动轴,抗倾覆力矩包括锚碇基础自重及基础前墙与土体交界面上的支承力产生的力矩,倾覆力矩是外力(索股拉力以及散索鞍墩顶部所承受的分布压力)产生的力矩和基础后墙与土体交界面上的被动土压力产生的力矩。抗倾覆稳定安全系数Fm的表达式如下:
n
e
2 锚碇基础稳定性的计算理论2.1 锚碇基础抗滑动稳定计算2.1.1 锚碇基础的滑动抵抗力
锚碇基础抗滑动稳定性计算时,应保证锚碇基础底面的抗滑动安全系数。锚碇基础的滑动抵抗力通常由以下几部分组成。
(1)基础底面和地基的粘结力,其为基础底面和地基间的粘结强度与有效承载面积的乘积。粘结强度应根据混凝土块的剪切试验、其他试验和施工条件而定。
(2)基础底面和地基间的滑动摩擦力,其为有效垂直荷载(扣除主缆拉力的垂直分量和基底地下水浮托力)与摩阻系数的乘积。摩阻系数按规范取值或根据试验、施工条件和已建桥经验而定。
(3)基础前墙岩体或土体抗力,通常只在良好的嵌固和周边环境情况下才予以考虑。文中分析了此部分抗力对锚碇基础稳定性的影响。2.1.2 锚碇基础的滑动力
锚碇基础的滑动力通常由以下几部分组成:(1)基础底面和底面岩土体之间的指向滑动方向的剪切力;
n
Fm=倾覆力矩=
∑∑
f
i=1Gidi+Pidi+
∑eAd
ni
i
i=1e6
e5
i
(2)
i=1
∑eAd
ni
i
i=1
i
式中:Fm为抗倾覆稳定安全系数;Gi为基础及锚体单元的重力;eni为基础与周围土体交界面上土体的正应力;Ai为每个单元交界面面积;Pi为因大缆拉力引起的后锚块和散索鞍所受拉力或压力;di为各外力与转动轴的距离;ne为基础及锚体单元数;e5e6f
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为后锚块所受索股拉力和散索鞍顶部所受分布压力的单元总数。
3 锚碇基础稳定性的计算成果分析
采用国内外近年来通用的大型有限元软件Marc,经二次开发后,对该基坑体系建立了三维有限元“地层—结构模型”,并模拟基坑开挖与支撑建造大体上的施工顺序进行了仿真分析。土体和全风化岩体采用Duncan-Chang非线性弹性模型;强风化层岩体、弱风化层岩体、微风化层岩体和新鲜岩体采用理想弹塑性模型,岩体屈服准则采用Drucker-Prager准则,塑性流动采用相关联的流动法则。连续墙和内支撑,采用线弹性材料模型。
为了模拟基坑基础浇筑施工过程,反映基坑底部应力的变化情况,对基础施工浇筑仿真计算时按实际浇筑过程分11个工况进行;在北锚碇下部基础和顶板浇筑完工后,上锚体开始浇筑,同时考虑上锚体浇筑施工过程进行仿真计算。得到在各种计算工况下,基础和锚碇体的变形、应力、基底反力及稳定安全指标等计算成果。限于篇幅,本文仅对成桥满载情况下,锚碇体的抗滑移和抗倾覆稳定性进行了分析评价。3.1 滑动方向前、后墙土体对稳定性的影响
在成桥满载情况下,基于锚碇体的受力分析和计算得到的应力成果等,对锚碇体的抗滑移和抗倾覆稳定性进行了计算。在计算锚碇基础抗滑稳定安全系数Fs,滑动面取为锚碇基础底板与基岩交界面,抗滑力包括基础与底面岩土体交界面上的摩阻力、基础与侧面土体交界面上的摩阻力、基础前墙与土体交界面上的支承力,滑动力包括基础与底面岩土体交界面上的剪切力、基础与侧面土体交界面上的剪切力、基础后墙与土体交界面上的被动土压力;在计算锚碇基础抗倾覆稳定安全系数Fm时,转动轴取为基础底面和前墙的交线,抗倾覆力矩包括锚碇基础自重及基础前墙与土体交界面上的支承力产生的力矩,倾覆力矩是外力(索股拉力,散索鞍墩顶部所承受的分布压力)产生的力矩和基础后墙与土体交界面上的被动土压力产生的力矩。
抗滑移安全系数和抗倾覆稳定安全系数分别按三种情况进行计算:第一是考虑基础前、后墙与土体交接面上的土压力;第二是不考虑基础前墙与土体交接面上的土压力;第三是不考虑基础后墙与土体
基础基底与全风化岩接触面的摩擦强度指标采用混凝土块与全风化岩石的直剪试验的结果,见表2。
表2 混凝土与全风化岩接触面摩擦强度指标
含水率/%内聚力c/kPa内摩擦角/(°)
12.39.825.4
22.35.824.3
当基底接触面摩擦强度按表2中均值计算时,由式(1)和式(2)考虑基础前、后墙与土体交界面上的土压力时,计算出抗滑移稳定安全系数为3.41,抗倾覆稳定安全系数为3.51;不考虑基础前墙与土体交界面上的土压力,而考虑基础后墙与土体交界面上的土压力时,抗滑移稳定安全系数为3.39,抗倾覆稳定安全系数为3.50;不考虑基础后墙与土体交界面上的土压力时,抗滑移稳定安全系数为3.44,抗倾覆稳定安全系数为3.52。
由计算结果可知,不考虑基础前墙的土体压力作用时,抗滑移稳定安全系数降低0.59%,抗倾覆稳定安全系数降低0.28%;不考虑基础后墙的土体压力时,抗滑移稳定安全系数增加0.88%,抗倾覆稳定安全系数增加0.28%。由此可知,是否考虑基础前、后墙土体交界面上的土压力对抗滑移和抗倾覆稳定性安全系数有影响,而且考虑后墙土体压力对稳定性的影响略大于前墙土体压力对稳定性的影响。对锚碇基础整体稳定性而言,不考虑基础前墙的土体压力作用是偏于安全的,而不考虑基础后墙的土体压力作用是偏于危险的。
3.2 基底岩土体摩擦强度指标对锚碇抗滑稳定的
敏感性分析
为了分析基底接触面的摩擦强度指标对稳定性的敏感性,对考虑基础前、后墙与土体交接面上的土压力时进行了相关计算。图4给出了抗滑移稳定安全系数与接触面内聚力c的关系曲线,图5给出了抗滑移稳定安全系数与接触面内摩擦角h的关系曲线。
图4 抗滑移稳定安全系数与接触面内聚力c的关系
2005年 第4期 苏静波等:悬索桥锚碇基础的稳定性分析
影响会导致计算结果偏不安全。
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(2)由抗滑移安全系数与接触面强度的敏感性分析可知,它们基本呈线性变化,相对而言,接触面的内摩擦角对抗滑移稳定性更敏感。因此,在实际工程中应尽量把基底放在摩擦强度较高的岩土层或尽量提高接触面的摩擦强度,从而提高锚碇基础的抗
图5 抗滑移稳定安全系数与接触面内摩擦角h的关系
滑移的稳定性。
(3)通过数值计算分析得到润扬大桥北锚碇基础的抗滑移稳定性安全系数为3.41,抗倾覆稳定安全系数为3.51。而润扬大桥北锚碇基础整体性的抗滑、抗倾覆安全系数设计允许值均为2.0,因此润扬大桥北锚碇基础是满足稳定性设计要求的。参考文献:
[1] 彭德运.大跨悬索桥锚碇基础的设计与施工[J].铁道
标准设计,2003,(1).
[2] 张杰,钱冬生.大跨悬索桥塔和锚碇的合理设计[J].桥
梁建设,2000,(4).
[3] 钱冬生,陈仁福.大跨悬索桥的设计与施工[M].成都:
西南交通大学出版社,1999.
[4] 铁道部大桥工程局,桥梁科学研究所.悬索桥[M].北
京:科学技术文献出版社,1996.
[5] 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].北京:水利出版
社,1980.
由图4和图5可以看出,抗滑移稳定安全系数随接触面的强度指标增大而增大,并且抗滑移稳定安全系数与接触面的强度指标基本上呈线性变化。相对而言,接触面的内摩擦角对抗滑移稳定性的影响要比接触面的内聚力对抗滑移稳定安全系数的影响要敏感。
4 结论
(1)通过工程实例分析表明,基础前、后墙与土体交界面上的土压力对抗滑移和抗倾覆稳定性安全系数有影响,并且后墙的土体压力对稳定性的影响略大于前墙土体压力对稳定性的影响。在大缆拉力较小的情况下,忽略基础前墙与土体交界面上的土压力对抗滑移和抗倾覆稳定性的影响是可以接受的,此部分可以作为锚碇基础稳定性的安全储备;然而,忽略基础后墙与土体交界面上的土压力对抗滑移和抗倾覆稳定性的
StabilityAnalysisofAnchorFoundationsofSuspensionBridge
SUJing-bo,SHAOGuo-Jian,LIUNing
(CollegeofCivilEngineering,HohaiUniversity,Nanjng210098,China)
Asamainbearingstructureofsuspensionbridges,thestabilityofanchorfoundationsis
veryimportant.Forthenorth-anchorfoundationofRunyangBridge,thestabilitiesagainstslidingand
overturningareanalyzedfromthecomputationoutputofthree-dimensionfiniteelementsimulationmodels.Theeffectofsoilresistanceofthefrontandthebackofpitsonthestabilityisanalyzed.Thesensitivityofstabilityagainstslidingofsoilrubbingstrengthinthebaseofpitsisviewed.Byresearch,somebeneficialresultsareobtainedforthestabilityofanchorfoundationofsuspensionbridges.
Keywords:suspensionbridge;anchorfoundation;stability;simulationanalysis;sensitivity
Abstract: