基于模型试验的齿坎型重力锚抗滑机制

吴文涛, 李秋, 许健, 韩洪举, 宗昕, 刘荣开, 王成汤

(1.贵州大通路桥工程建设有限公司, 贵阳 550000; 2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司, 武汉 430100; 3.贵州交通建设集团有限公司, 贵阳 550001; 4.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室, 武汉 430071)

随着交通事业以及国民经济的不断发展,中国对西部地区的开发力度也逐渐加大。中国西部地区地势复杂,沟谷纵横落差极大,在此种地形地貌情况下桥梁是主要交通方式。由于悬索桥具有跨度大、结构形式简单、受力明确、耗材少和造价低等特性,因此成为西部山区桥梁的首选结构形式[1-2]。

悬索桥的锚固方式主要分为自锚式和地锚式两种类型,目前重力式锚碇在悬索桥中的使用占比达八成以上[3-4]。采用目前规范进行锚碇设计通常将锚碇简化为独立结构研究其力系平衡,主要考虑基底摩擦力和锚碇自重来平衡缆索拉拔力,较少考虑锚碇与地基之间的相互作用,导致传统的重力锚设计过于保守[5-6]。已有研究表明齿坎型锚碇通过齿坎夹持效应更易调动地基联合承载,但未对不同埋深条件下齿坎型与平底型锚碇的承载性能进行系统对比分析[7-8]。

目前一些学者针对齿坎型重力式锚碇的工作机理及承载性能开展了相关研究,赖允瑾等[9]以赣州赣江公路大桥重力式锚碇作为研究对象开展了现场模型试验,分析了锚碇各级齿坎的应力分布,并得出了齿坎的抗滑效应以及锚碇的破坏模式。冉隆举等[10]采用数值模拟方法分析了某渡槽重力式锚碇的承载性能,结果表明在附加缆力荷载作用下,锚碇周围岩体能够满足受力要求,锚碇整体表现为以前缘齿坎为支点,后部向上转动的变形模式。周金枝等[11]依托鹦鹉洲大桥北锚碇工程,分析了带桩基重力式锚碇不同施工阶段的抗滑动和抗倾覆稳定性系数。鲁志强等[12]研究表明齿坎能够改善锚碇的受力状态,明显提高锚碇的极限承载能力。

在重力式锚碇的变位特征、锚碇与周围地基之间的相互作用等方面,游晓敏等[13]以某工程为原型进行室内模型试验,研究了重力式锚碇结构与地基之间的剪切滑移的发展过程并进行了机理分析,揭示了锚碇剪切滑移机理。李飒等[14]研究表明,重力锚在不同地质条件下呈现出不同的破坏形式,在钙质砂上,重力锚的滑动表现为渐进式破坏,而在钙质岩上表现为突变式破坏,并且带键式重力锚具有比平底锚更好的抗滑性能。何亚东[15]依托伍家岗长江大桥南岸重力式锚碇工程,研究了浅埋式锚碇和深埋式锚碇的承载特性,结果表明浅埋式重力锚的抗滑移安全系数远小于抗倾覆安全系数,锚碇更容易产生滑移破坏。刘渊等[16]研究了一种新型侧壁夹持式重力锚,并采用ABAQUS软件对比分析了与传统重力锚的位移、基底应力及承载能力的差异,结果表明,该侧壁夹持式重力锚的抗滑移、抗倾覆性能均优于传统重力锚。

综上所述,针对当前重力式锚碇设计存在的不足,已有学者采用模型试验和数值模拟手段对齿坎式锚碇的极限承载能力、齿坎抗滑工作机理开展了相关研究,但未对不同埋深条件下齿坎型锚碇与平底型锚碇承载能力及抗滑机制差异等方面进行系统对比分析。基于此,现依托牂牁江特大桥(纳晴高速)纳雍侧重力式锚碇工程,通过室内物理模型试验开展了齿坎型锚碇和平底型锚碇在不同埋深条件下承载性能的对比研究,并重点分析了齿坎型重力锚的承载特征及抗滑机制。

1 工程概况

牂牁江特大桥位于贵州省晴隆县和普安县交界处,是拟建纳雍至晴隆高速公路的重要节点工程(图1)。该桥上跨牂牁江,采用钢桁梁悬索桥结构形式,主跨跨径为1 080 m。桥梁纳雍岸边跨总长265 m,引桥长度160 m,引桥采用预应力T梁,引桥采用4×40 m布置形式;晴隆岸边跨总长为435 m,引桥长度600 m,引桥采用钢-混组合T梁结构及部分现浇箱梁,晴隆岸引桥采用钢-混组合T梁8×60 m+现浇箱梁3×40 m的布置形式,现浇箱梁位于桥端处,钢混组合T梁靠近桥塔。桥梁桥塔采用门式主塔,桥塔下部结构为钢筋混凝土塔柱,塔柱基础采用群桩基础,该桥两岸均采用重力式锚碇作为承载结构,现以纳雍岸锚碇为研究对象。纳雍岸锚碇结构形式采用台阶式设计,锚碇基础前侧设有5级台阶,锚碇总宽度68 m,总长66 m,基础最大开挖深度为52 m,主缆设计拉力为266 579 kN,锚碇结构设计图见图2。锚碇地基基岩为石炭系马平群(C3mp)灰岩、白云质灰岩,中风化,地层产状以中-缓倾角、倾向NE为主。

图1 牂牁江特大悬索桥效果图Fig.1 Effect drawing of the super large bridge of Zangkejiang River

图2 锚碇结构设计图Fig.2 The design drawing of anchorage structure

2 模型试验设计

2.1 相似比设计

(1)锚碇模型。锚碇模型尺寸基于原型锚碇的结构尺寸按照1∶100相似比进行设计,原型锚碇顺桥向长度为61 m,垂直桥向宽度(半锚碇)为34 m,锚碇结构高度为34 m,按照1∶100换算得出室内模型试验锚碇模型的尺寸为61 cm×34 cm×34 cm(长×宽×高)。

(2)地基模型。根据纳雍侧重力式锚碇地勘资料得知,锚碇基底岩性为中风化灰岩,中厚层状构造,节理裂隙发育,岩芯采样较完整,其物理力学性质指标为:天然重度为26.59 kN/m3、抗压强度为41.6～82.7 MPa,平均值65.2 MPa;岩体黏聚力和内摩擦角分别为C=1.1 MPa、Φ=45°;基底摩擦系数μ=0.6。

室内相似材料配比试验很难做到完全满足所有材料参数的相似比要求,为简化室内相似材料配比试验,配置目标参数设置为区间控制。具体目标配比参数见表1。

表1 相似材料配比参数Table 1 Proportioning parameters of similar materials

(3)地基相似材料配比试验。确定地基相似配比材料为砂、石膏、重晶石粉以及水。设计正交试验并进行相应配比试验,正交试验方案见表2。

表2 正交试验设计各因素水平Table 2 Levels of various factors in orthogonal experimental design

根据试验配比方案制作相应的试件,试件为标准环刀试样。将配置好的环刀试件进行为期三天的养护,养护结束后进行直剪试验。根据直剪试验结果确定最终的试验配比参数为重晶石粉∶砂∶石膏∶水=20∶70∶5∶5。

(4)锚碇模型相似材料配比。本试验重在探究齿坎式重力锚承载特性及抗滑机制,并且实际工程中很少会出现锚碇受缆力作用发生破坏的现象,因此试验设计假定锚碇结构为刚体材料,不考虑锚碇模型本体材料的相似性。锚碇模型采用C30混凝土浇筑而成,混凝土配合比为泥∶碎石∶中砂∶水=16.1∶45∶31∶7.9。同时对锚碇的重心位置进行了相应调整。

(5)锚碇-地基接触面模拟。锚碇-地基接触面粗糙度对于锚碇抗滑承载力的发挥较为关键,现场一般通过原位砼-岩剪切试验测定接触面摩擦系数[17-18]。试验中为模拟锚碇-地基之间的接触面粗糙度,在锚碇-地基接触面位置粘贴砂纸,接触面摩擦系数通过剪切试验测定,并与现场基岩-混凝土接触面直剪试验所测得的摩擦系数进行对比,以满足相似性要求。

2.2 试验方案

本试验以纳雍侧重力式锚碇为原型构建模型试验概化模型,由于锚碇左右幅为对称结构,为便于研究,试验模型设计仅考虑半锚碇结构。拟通过室内模型试验探究抗滑构造对锚碇的承载性能和抗倾覆稳定性方面的提升效果,以及齿坎结构形式在主缆拉力作用下的力学响应以及锚碇与地基之间的相互作用机理。

基于上述试验目的,设置以下四种工况,各工况模型概化示意见图3。

图3 各工况模型概化示意Fig.3 Schematic diagram of each working condition model generalization

(1)平底模型1/4埋深。平底模型的结构设计是按照锚碇原型外轮廓尺寸进行改进,将原型的齿坎基底改为平底模型,1/4埋深锚碇模型埋深为8 cm。

(2)平底模型半埋深。平底模型的结构设计是按照锚碇原型外轮廓尺寸进行改进,将原型的齿坎基底改为平底模型,半埋深锚碇模型埋深为16 cm。

(3)齿坎模型1/4埋深。齿坎模型结构是在平底模型基础上进行改进动得到的改进模型,齿坎工况基底设置有一个齿坎,齿坎的具体尺寸为:齿宽20 cm,尺高8 cm。该工况埋深同样为半埋深工况,锚碇模型埋深为8 cm。

(4)齿坎半埋深。齿坎模型结构是在平底模型基础上进行改进得到的模型,齿坎工况基底设置有一个齿坎,齿坎的具体尺寸为:齿宽20 cm,尺高8 cm。该工况埋深同样为半埋深工况,锚碇模型埋深为16 cm。

2.3 试验步骤

重力式锚碇室内模型试验步骤如下,主要试验过程如图4所示。

图4 模型试验过程Fig.4 Model test process

(1)锚碇模型浇筑。根据概化模型工况制作相应模具,组装模具并涂抹脱模剂,在模具内提前预留主缆孔道(插入PVC管)。浇筑混凝土并养护成型,成型后脱模继续养护,养护完成后在锚碇-地基接触面位置粘贴砂质。

(2)地基模型填筑。按照前述得到的地基相似材料配比参数拌合地基材料,采用分层填筑及夯实的方式控制地基材料密度,并在地基填筑过程中在相应位置埋设应变砖。

(3)放置锚碇模型。在地基填筑到指定深度时,根据锚碇设计位置做出相应标记,通过吊装设备将锚碇模型吊放到指定位置。

(4)剩余地基材料填筑。根据预设地基深度继续填筑剩余地基材料,并在填筑地基材料过程中布设应变转。

(5)外部传感器安装。地基填筑完成后安装外部传感器,包括位移计、拉力传感器、数显百分表等。

(6)地基养护与加载试验。锚碇-地基模型制作完成之后放置24 h,进行加载试验,试验开始前对伺服液压加载控制设备进行预热,设备预热完成后即可开始试验。

2.4 加载方案

本次试验采用的模型是半锚碇模型,实际锚碇为对称锚碇结构形式,锚碇仅为实际锚碇的一半。纳雍侧重力式锚碇单股缆索的设计荷载为266 579 kN,因此半锚碇承受荷载值为266 579 kN,模型与原型工程相似比为1∶100,依据相似理论,集中力的相似系数为1/n3,半锚碇模型(下文简称“锚碇模型”)对应的室内试验设计荷载P=266 N。试验采用分级加载方式,每级荷载增量为P,直至锚碇加载至失稳,出现倾覆破坏或滑移破坏为止,试验中加载量控制如表3所示。

表3 室内模型试验加载工况设置Table 3 Setting of loading conditions for indoor model tests

2.5 量测系统

锚碇模型试验监测内容主要包括锚碇变位、锚碇-地基接触应力及地基应变。其中锚碇变位主要测量锚碇水平位移,使用测量仪器为百分表和顶针式位移计。锚碇-地基接触应力通过土压力盒测定;地基应变测量通过在地基中预先埋设的应变砖进行测量。各类传感器的具体布设位置见图5。

图5 传感器布设示意图Fig.5 Schematic diagram of sensor layout

3 试验结果分析

3.1 锚碇位移-荷载曲线特征

为了分析锚碇的极限承载性能并确定其极限承载力,将四组试验锚碇的水平位移-荷载曲线整理于图6中,并将各工况每级荷载作用下锚碇的水平位移值统计于表4中。

表4 四组试验各荷载等级下的锚碇水平位移汇总Table 4 Summary of anchorage horizontal displacement under different load levels of four sets of tests

图6 锚碇荷载-水平位移曲线Fig.6 The relationship curve of load and horizontal displacement of anchorage

通过图6可以看出半埋深工况的锚碇位移响应迟于1/4埋深工况,并且其位移曲线拐点位置的荷载要远远大于1/4埋深工况。通过对比1/4埋深条件下和半埋深工况下齿坎工况与平底工况的荷载水平位移曲线,可以看出齿坎模型的水平位移响应表现具有一定的迟滞性,在同等荷载作用下齿坎工况的水平位移要小于平底工况。但当荷载持续增大超过锚碇极限承载荷载时,锚碇的水平位移迅速突变增大,说明锚碇已发生失稳破坏。

由表4可知,4P荷载下平底1/4埋深工况以及齿坎1/4埋深工况锚碇水平位移分别迅速增大至15 mm以及4.9 mm,7P荷载下平底半埋深工况锚碇水平位移迅速增至25 mm,8P荷载下齿坎半埋深工况锚碇水平位移迅速增至15.4 mm,因此可得到四组试验锚碇模型的极限承载力分别为3P(平底1/4工况)、4P(齿坎1/4埋深工况)、7P(平底半埋深工况)和8P(齿坎半埋深工况)。由以上分析可知,锚碇埋深增大一倍之后,两种型式锚碇的极限承载力均有较大提升,极限承载能力均提升了4P。对比同等埋深情况下平底与齿坎工况的水平位移可以得出齿坎工况的水平位移要小于平底工况。上述结果表明,增大锚碇的埋深可以显著增大锚碇的极限承载力;同等埋深条件下齿坎工况的水平位移要小于平底工况,说明齿坎构造能够显著提升锚碇的抗滑性能,并且齿坎构造可以减小锚碇的工程材料用量及基坑开挖方量,大大降低工程成本。

3.2 锚碇-地基接触应力

通过对比分析半埋深条件下平底型及齿坎型重力式锚碇前侧位置与地基岩土体之间的接触压力(T1为锚碇前趾底部与地基之间的竖向接触压力测点、T2为锚碇齿坎前侧与地基之间的侧向接触压力),锚碇-地基接触应力曲线见图7。分析图7可以得出:平底型以及齿坎型重力式锚碇与前缘地基和齿坎前缘之间的侧向接触压力均随着主缆拉力增大而增大;平底型重力式锚碇与前趾之间的竖向接触压力存在明显的滞后性,当荷载增大到一定程度时才开始出现竖向接触压力。齿坎型重力式锚碇齿坎底部竖向接触压力随主缆拉力增大而不断增大,相互作用关系明显。说明在同等条件下齿坎型重力式锚碇与地基相互作用要强于平底型重力式锚碇,齿坎构造更易调动前侧岩土体参与承载。

图7 接触应力-荷载关系曲线Fig.7 The relationship curve of contact stress and load

通过上述分析得出齿坎型重力式锚碇受到主缆拉力作用时锚碇前缘产生的下压力更明显,说明齿坎型重力式锚碇受到主缆拉力时前倾的趋势更大,平底型锚碇前倾趋势则表现不明显。但由于齿坎的存在,齿坎夹持地基岩土体能够对锚碇的变位产生一定的抑制作用,并且锚碇前倾趋势会改变齿坎部位地基岩土体的受力特性,使得该部位地基岩土体处于三向压缩状态,从而大大提高地基岩土体抗力。实际工程中可以通过设置多级齿坎构造,以充分调动地基岩土体参与锚碇承载。

3.3 地基应变特征

图8和图9分别为地基应变监测点S5和S6及S7和S8的应变监测曲线。通过对比半埋深齿坎型重力式锚碇与半埋深平底型重力式锚碇的前侧地基应变曲线(选取具有代表性的数据监测点进行对比分析),可以得出:对于相同测点位置,齿坎型重力式锚碇前侧地基应变要小于平底型重力式锚碇,说明齿坎型重力式锚碇的水平变位小于平底型锚碇,齿坎构造能很大程度上限制锚碇的水平变位。

图8 S5、S6地基应变-时间曲线Fig.8 The variation curve of foundation strain in S5 and S6 with time

图9 S7、S8地基应变-时间曲线Fig.9 The variation curve of foundation strain in S7 and S8 with time

通过对比S5、S6位置(锚碇前趾下部)的地基应变-时间曲线可以得出齿坎型重力式锚碇前趾下部(齿坎下部)的地基应变先增大后减小,平底型重力式锚碇前趾下部的地基应变一直处于缓慢增大的变化趋势。通过曲线可以看出齿坎型重力式锚碇地基应变存在反向增大的过程,原因是由于齿坎型重力式锚碇倾覆旋转基点位于齿坎顶缘,齿坎下部的地基先受到锚碇水平向以及竖向挤压,齿坎部位地基岩土体变形较大,当主缆拉力超过锚碇极限承载力锚碇发生倾覆变形,齿坎前缘与锚碇前缘脱离,齿坎处地基水平向荷载迅速减小并且齿坎顶部竖向荷载持续增大,从而导致该部位岩土体发生水平向变形。

通过曲线整体变化趋势可以总结得出齿坎部位地基应变较大,因此齿坎给予锚碇的地基抗力也相对较高,说明齿坎构造对锚碇变位限制作用明显。

3.4 齿坎型重力锚承载特征及抗滑机制

通过对齿坎型锚碇变位特征(图6)及锚碇周围地基变形破坏特征进行分析(图10),可将其受力变位过程划分为以下四个阶段。

图10 地基变形破坏过程Fig.10 Foundation deformation and failure process

(1)稳定阶段:该阶段锚碇并没有产生变位,锚碇处于稳定状态,此时锚碇基底摩阻力完全可以抵消主缆产生的水平作用力;该阶段在主缆拉力作用下锚碇周围地基没有产生明显变化,此时周围地基仍处于无变化时期。

(2)滑移阶段:随着主缆拉力不断增大,当主缆拉力超过锚碇基底的极限摩阻力时,锚碇将向主缆拉力方向滑移,锚碇与前侧地基以及齿坎前缘产生相互作用。此时地基岩土体由于锚碇变位产生压缩变形,从而产生地基抗力,地基抗力将会随着主缆拉力的增大而增大。由于此阶段锚碇向加载方向产生一定的滑移,锚碇尾部与尾部地基脱离,锚碇尾部与地基之间产生张拉裂隙,此时地基进入裂隙初现阶段。

(3)倾覆发展阶段:随着主缆拉力不断增大,锚碇会产生倾覆破坏趋势,锚碇对前趾下部地基以及齿坎顶缘岩土体产生一定的下压力,下压力将随着主缆拉力增大不断增大。此阶段锚碇变位持续发展,致使锚碇尾部裂隙随着锚碇变位发展持续增大,主要表现为尾部裂隙向外延伸发展,裂隙宽的不断增大,此时周围地基进入裂隙发展阶段。

(4)倾覆破坏阶段:当主缆拉力超过锚碇极限承载力时,锚碇将发生倾覆失稳破坏,齿坎顶缘下压力将会随着主缆拉力先增大后减小。此时由于锚碇宏观变位较大,锚碇已经发生明显倾覆破坏,锚碇倾覆过程中会对两侧及后侧地基造成明显扰动破坏,锚碇前侧地基因为锚碇前缘的挤压发生挤压隆起破坏,此时锚碇周围地基处于地基破坏阶段,该阶段锚碇承载性能迅速降低,随即失去承载力。

通过上述力学分析得出不同阶段下齿坎型重力式锚碇的受力情况如图11所示。可以看出齿坎处地基岩土体处于双向压缩状态,该受力状态更加符合岩土体的材料特性,能充分发挥岩土体的抗力,为锚碇提供抗力从而达到限制锚碇变位及提升锚碇的承载能力。

G为锚碇自重;T为缆索拉力;N为地基竖向支持力;f为锚碇受到的摩擦力;LT为缆索拉力相对锚碇转动点的力臂;LG为锚碇自重相对锚碇转动点的力臂图11 齿坎型锚碇受力状态分析Fig.11 Analysis of the stress state of the toothed bucket anchorage

通过对不同工况各荷载等级下锚碇的受力进行分析,可得到各荷载等级下锚碇基底摩阻力以及前侧地基抗力所分担缆力荷载的百分比(见表5)。通过对比相同埋深条件下平底型和齿坎型锚碇的基底摩阻力及前侧地基抗力荷载分担比,可以发现在相同荷载等级下齿坎型锚碇前侧地基抗力的分担比要略高于平底型锚碇。此外,对比不同工况极限荷载下的基底摩阻力与前侧地基抗力分担比,可以看出锚碇前侧地基抗力分担比随着埋深的增大而增大;齿坎型锚碇极限荷载下的前侧地基抗力分担比明显大于平底型锚碇。综合上述分析可知,齿坎型锚碇可以更加充分调动锚碇前侧地基岩土体参与承载,从而有助于提升锚碇极限承载力。

表5 各个工况基底摩阻力与前侧地基抗力荷载分担比Table 5 Load sharing ratio of base friction resistance and front foundation resistance under various working conditions

4 结论

开展了齿坎型锚碇和平底型锚碇在不同埋深条件下的室内物理模型试验对比研究,得到如下主要结论。

(1)相同试验条件下,四组试验锚碇的极限承载力分别为3P(平底锚碇1/4埋深工况)、4P(齿坎锚碇1/4埋深工况)、7P(平底锚碇半埋深工况)和8P(齿坎锚碇半埋深工况)。

(2)对于相同型式锚碇,增大锚碇埋深均可以显著提高锚碇的承载能力,同等埋深条件下齿坎型锚碇的承载性能要优于平底型锚碇,表明齿坎型锚碇更易于调动地基联合承载。

(3)通过地基接触应力-荷载关系曲线分析了齿坎构造与锚碇之间的受力机制,得出了齿坎构造可以充分调动前侧地基岩土体参与锚碇承载过程,实际工程中应该加以推广齿坎型重力式锚碇的应用。

(4)分析了锚碇受力失稳过程中地基的宏观变形破坏特征,并将地基的变形破坏过程分为无裂隙、裂隙初现、裂隙发展以及地基破坏四个阶段。

(5)分析了齿坎型锚碇的阶段性承载特征,并对比了齿坎型和平底型重力锚基底摩阻力和前侧地基抗力分担比,证明齿坎型锚碇更能充分发挥齿坎夹持岩土体的承载能力。