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悬索桥根式锚碇基础变位分析 摘要 介绍安徽省高速公路总公司提出的一种创新型的悬索桥锚碇基础形式 根式锚碇基础，是通过承台把数根式沉井基础连接成整体，并通过上部锚体锚 固悬索桥主缆，承台和根式沉井基础( 包括井身和根键) 带动锚碇周围大范围 土体共同承担主缆索力及锚碇自重，确保悬索桥的整体稳定。首先根据已有关 于厚覆盖层地区传统大型沉井锚碇基础试验研究，分析重力式沉井锚碇基础的 受力机理，并据此理论，提出悬索桥根式锚碇基础。结合工程实例中的根式锚 碇基础方案，分别通过f l a c 3 d 有限差分数值模拟和现场试验方法，分析根式锚 碇基础在实际工程中两种工况下( 锚碇施工结束和悬索桥运营阶段) 的整体变 位规律及变位值，并与悬索桥锚碇变位规范容许值进行比较，验证该锚碇方案 的可行性。在参与悬索桥根式锚碇基础课题组的学习过程中完成了本文，该课 题是由安徽省高速公路总公司组织研究，结合课题组的研究成果及本文的初步 分析结果表明：根式锚碇基础在根式沉井井壁土抗力、底部反力、根键反力等 共同作用下承担锚碇自重和上部主缆索力，受力合理，其竖向和水平变位满足 类似工程中关于锚碇变位要求及国内外相关规范规定，方案是可行的，可作为 厚覆盖层地区大跨度悬索桥的一种极具应用潜力的锚碇基础方案。 关键词：悬索桥、锚碇、根式锚碇基础、根式沉井、根键、f l a c 3 d 、试验分析、 变位、可行性 3 d i s p l a c e m e n ta n a l y s i so fr o o ta n c h o r a g e f o u n d a t i o nf o r l a r g es p a ns u s p e n s i o nb r i d g e - - a b s t r a c t d o m e s t i ca n do v e r s e a sa n c h o r a g ef o u n d a t i o n so fs u s p e n s i o nb r i d g e sa r e m o s t l y g r a v i t ya n c h o r a g ef o u n d a t i o n sa t p r e s e n t ，s u c ha ss u p e rl a r g eo p e nc a i s s o na n c h o r a g e f o u n d a t i o n ，d i a p h r a g mw a l la n c h o r a g ef o u n d a t i o n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s an e w s i m u l a t e da n c h o r a g ef o u n d a t i o ns t y l e _ - ro o ta n c h o r a g ef o u n d a t i o nw h i c hi sm a d eu po f b ym a n yr o o t e d - c a i s s o nf o u n d a t i o n s a tt h eb e g i n n i n go ft h ep a p e r ，af e wo ft e s to n s u p e rl a r g eo p e nc a i s s o na n c h o r a g ef o u n d a t i o n i ns e v e r a ly a n g t s er i v e rb r i d g ei s i n 舡o d u c e dt oe x p l a i nt h em e c h a n i s mo fb e a r i n gt h ew e i g h to fm a i nc a b l e so fs u s p e n s i o n b r i d g e s o nb a s i so ft h i s ，t h er o o ta n c h o r a g ef o u n d a t i o ni si n t r o d u c e d o nb a s i so fs t u d yo f r o o t e d c a i s s o nf o u n d a t i o n s ，b ym e a n so fas e r i e so ft h em i n o rp r o p o r t i o n st e s to fr o o t a n c h o r a g ef o u n d a t i o na n df l a c3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , t h i sp a p e rs u m su pw o r k i n g m e c h a n i c sa n dd i s p l a c e m e n to fr o o ta n c h o r a g ef o u n d a t i o n w ef i n dt h a tb o t ht h ef r i c t i o n a tt h eb o t t o mo fa n c h o r a g ea n dt h ep a s s i v ee a r t hp r e s s u r ei nf r o n to f a n c h o r a g eb e a rl o a d o fc a b l et e n s i o no fs u s p e n s i o n d r i d g e ，w h i c hi s d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o nd e s i g n t h e o r y a l lt h ew o r ko ft h ep a p e ri sc o m p l e t e dw i 也t h eh e l po fs c i e n t i f i cr e s e a r c hg r o u po f r o o ta n c h o r a g ef o u n d a t i o n s c i e n t i f i cr e s e a r c hg r o u pf r e dt h a tr o o ta n c h o r a g ef o u n d a t i o n s c h e m ei sf e a s i b l ea n da b l et os a t i s f i e sd i s p l a c e m e n tr e q u i r e m e n t sa n db e a r i n gc a p a c i t y r e q u i r e m e n t s o fs u s p e n s i o nb r i d g e a n dt h es o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t so f r o o t a n c h o r a g ef o u n d a t i o ni sb e t t e rt h es u p e rl a r g eo p e nc a i s s o na n c h o r a g ef o u n d a t i o n f i n a l l y t h i sp a p e rb r i e f l ye x p l a i nk e yc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fr o o tc a i s s o nf o u n d a t i o na n d p r o v et h a tt h ec o n s t r u c t i o no fo n er o o tc a i s s o nf o u n d a t i o ni sc o n v e n i e n ta n dr a p i d w i t ht h ee x p e r i e n c eo ft h ec o n s t r u c t i o no fo n er o o tc a i s s o nf o u n d a t i o n , r o o ta n c h o r a g e f o u n d a t i o nw i l lb es u c c e s s f u l l yc o n s t r u c t e d r o o ta n c h o r a g ef o u n d a t i o n 、析n lm e r i to f n i m b l ea r r a n g e m e n ta n dc o n v e n i e n tp r o c e s sb e i n gu n d e rc o n s t r u c t i o nw i l lb ea ne x c e l l e n t k i n do fa n c h o r a g ef o u n d a t i o n , e s p e c i a l l yi nt h i c ko v e r b u r d e na r e a k e y w o r d s ：s u s p e n s i o nb r i d g e ；a n c h o r a g e ；r o o ta n c h o r a g ef o u n d a t i o n ：r o o t e d c a i s s o n f o u n d a t i o n ；r o o t s t a l k ；f l a c3 d ：t e s ta n a l y s i s ；d i s p l a c e m e n t ；f e a s i b i l i t ys t u d y 4 插图清单 图1 - 1 隧道锚碇结构图 图1 - 2 重力锚结构图 图1 - 1 根式锚碇基础结构图 图1 - 4 单个根式沉井结构图 图2 - 1宁波庆丰大桥锚碇结构剖面图 图2 - 2 庆丰大桥锚碇各级相似荷载下锚碇水平变位对比 图2 3 庆丰大桥锚碇各级相似荷载下锚碇沉降对比 图2 - 4 庆丰大桥锚碇各级相似荷载下锚碇刚体转动变位对比 图2 - 5 江阴大桥北锚碇结构剖面图 图2 6 实际工程中江阴大桥北锚碇监测点布置示意图 图2 - 7 沉井锚碇基础受力简图 图2 8 根式锚碇基础受力简图 图3 - 1 工况一( g k l ) 根式锚碇受力简图 图3 2 工况二( g k 2 1 g k 2 3 ) 根式锚碇受力简图 图3 - 3 摩尔库仑屈服面 图3 - 4 使用实体单元模拟根键的单个根式沉井模型( 周围土体单元未给出) 图3 - 5 竖向荷载作用下实体单元根键模拟应力云图 图3 - 6单个根式沉井基础数值模拟分析与测试分析结果对比 图3 - 7 使用实体单元模拟根键的根式群井( 周围土体单元未给出) 图3 - 8 使用实体单元模拟根键的根式锚碇 图3 - 9使用实体单元建立的根式锚碇基础竖向位移云图( 未给出周围土体) 图3 - 1 0 桩单元变形 图3 - 11 对于桩单元来说的材料的剪切连接弹簧的强度 图3 - 1 2 桩单元的法向连接弹簧的材料特性 图3 - 1 3 根式锚碇基础模型整体 图3 - 1 4 根式锚碇基础结构三维模型( 未给出根键结构单元) 图3 - 1 5 根式群井模型( 包含用于模拟根键的桩结构单元) 图3 - 1 6 锚碇周围土体单元模型 图3 - 1 7自重荷载下锚碇基础周围土层竖向位移云图 图3 - 1 8自重荷载下锚碇基础顶部承台竖向变位随程序运行时步的收敛曲线 图3 - 1 9自重荷载下锚碇周围土层竖向应力云图 图3 - 2 08 9 0 0 0 吨承台均布荷载下的竖向位移 图3 - 2 14 8 8 0 6 吨竖向偏心荷载下的竖向位移云图 图3 - 2 24 8 8 0 6 吨竖向偏心荷载下锚碇承台上不同点竖向变位随运行时步的收敛曲线 7 图3 - 2 3 图3 - 2 4 图3 - 2 5 图3 - 2 6 图3 - 2 7 图3 - 2 8 图3 2 9 图3 - 3 0 图3 - 3 1 图3 - 3 2 图3 - 3 3 图3 - 3 4 图3 - 3 5 图3 - 3 6 图3 - 3 7 图3 - 3 8 图3 - 3 9 图3 - 4 0 图3 - 4 1 图3 - 4 2 图3 - 4 3 图3 - 4 4 图3 - 4 5 图4 - 1 图4 - 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 工况一( g k l ) 4 8 8 0 6 吨竖向偏心荷载下的水平位移 4 8 8 0 6 吨竖向偏心荷载下锚碇承台不同点水平变位随运行时步的收敛曲线 4 8 8 0 6 吨竖向偏心荷载下根式沉井所受压应力云图( 根键未给出) g k 2 1 锚碇水平位移分布云图 g k 2 1 竖向位移分布云图 g k 2 1 沉井顶部和底部水平位移对比曲线 g k 2 1 竖向位移收敛曲线 g k 2 1 根键受力图 g k 2 2 水平位移分布云图 g k 2 2 竖向位移分布云图 g k 2 3 整个锚碇水平位移分布云图( 包括群井及周围土体) g k 2 3 根式群井水平位移分布云图( 不包括周围土体) g k 2 3 竖向位移分布云图 根式锚碇基础各沉井编号 根式锚碇承台受力简图 根式沉井基础竖向自平衡荷载测试剖面图 根式沉井基础竖向自平衡静载试验q s 过程曲线 单个基础的q s 曲线( 自平衡荷载测试转化后结果) 根式沉井基础水平静载试验剖面图 水平荷载试验平面图 水平试验过程中5 # 根式沉井基础h y ( 荷载一位移) 关系曲线 根式沉井基础h y ( 荷载一位移) 曲线图 5 # 根式沉井基础挠曲线 根式沉井基础施工流程图 根键实物图 预留根键顶推孔 根键顶进过程的施工图 根键顶进完成后井内结构图 8 表1 - 1 表1 - 2 表2 - 1 表2 - 2 表2 - 3 表2 - 4 表3 - 1 表3 - 2 表3 - 3 表3 - 4 表3 - 5 表3 - 6 表3 - 7 表3 - 8 表3 - 9 表3 - 1 0 表3 - 1 1 表3 - 1 2 表3 - 1 3 表3 - 1 4 表3 - 1 5 表格清单 锚碇基础方案优缺点比较 国内外悬索桥锚碇的选型及施工方案一览表 庆丰大桥锚碇各级荷载下锚碇的变位 室内锚碇模型结构锚点位置在不同荷载作用下变位 实际工程中江阴大桥北锚碇基础实际变位监测值 土层的物理参数 工况二下锚碇基础承担的荷载 承台自重荷载下根式锚碇基础变位 竖向4 8 8 0 6 吨偏心荷载作用下不同位置处根式根井的竖向变位 承台与根键在竖向4 8 8 0 6 吨偏心荷载下特性 g k 2 1 下根式锚碇基础中根式沉井的竖向变位 g k 2 1 下根式锚碇基础中根式沉井的水平变位 工况二中根式锚碇基础项部位移结果汇总表 工况二中根式锚碇基础顶部最大位移与转角 g k l 各根式沉井顶部分担竖向荷载表 g k 2 3 各根式沉井项部分担竖向荷载表 4 7 m 长根式基础压入根键后竖向载荷试验加载分级及位移量表 水平试验加载分级及5 # 根式沉井基础位移量表 g k l 各根式沉井顶部分担荷载及位移表 g k 2 3 各根式沉井顶部分担荷载及位移表 根式锚碇基础变位数值计算和试验对比表 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 泗l 签字日期： 口7 年呷月 ) e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金艘王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 名。夕汩名2 巾弘f 肿 签字日期： 口呷年卿月1f 日 ) 学位论文作者毕业后去向。巧也 签字日期：砂1 7 年叶月l7 日 i 工作靴：话彬氟3 基幺? 趁1 ：- - i 电话：l3 罗f 多fz 。7 ，乡 通讯地址： 铷乍孙笔足垫罗弓 慌 1 一3 一 - 了 致谢 值此论文完成之际，特向我的导师杨成斌教授致以诚挚的谢意! 在为期三年的硕士研究生求学生涯中，无论在学业上还是生活上，都始终得到了我 的导师杨成斌教授的谆谆教诲和切切关怀，使我受益匪浅。在资料收集、论文选题和撰 写过程中，导师都给了很多深入指导，给予了许多宝贵的意见和建议。导师渊博的学识、 严谨的治学作风、诲人不倦的精神、理论联系实际的指导思想、一丝不苟的工作态度、 平易近人的为人，都使我常感高山仰止，也为我在今后的学习、工作和生活中树立了榜 样! 同时非常感谢殷永高教授级高工、孙敦华教授级高工、周正明博士生导师及安徽省 高速公路总公司根式锚碇基础课题组的其他老师对我在该课题学习、研究过程中的悉心 指导，给我提了很多好的建议，经常在关键时刻给我指明学习和研究方向，给予我最大 程度上的支持! 感谢合肥工业大学土木与水利工程学院的老师们，在本科和研究生学习期间对我的 培养和教导! 感谢安徽省高速公路总公司马鞍山长江公路大桥项目办的同事们、工程师们，在我 实习期间给我生活上和实际工程问题上的帮助和指导! 感谢朱福春师兄在我实习和做论文期间的关心指导，同时感谢其他师兄师弟们和同 窗好友们，感谢他们这些年来给我的关心和支持! 最后，还要衷心地感谢我的父母和其他家人，无论何时何地，他们都以最真感情， 给予我最大的支持和鼓励，使我能够顺利的完成学业1 2 作者：卢元刚 2 0 0 9 年4 月1 7 日 1 1引言 第一章悬索桥锚碇概述 悬索桥是目前跨越能力最大的一种桥型，跨度在千米以上的已建桥梁大多 是采用悬索桥形式。作为悬索桥的一个关键部分，锚碇的设计与施工非常重要， 锚碇方案的优劣、造价的高低将直接影响大跨悬索桥方案的竞争力。 悬索桥的锚缆系统既可以采用自锚式，也可以采用地锚式进行锚固。其中 前者适合于不宜建大型重力式锚体的中、小跨径城市桥梁，大跨悬索桥一般采 用地锚式锚碇，本节主要介绍地锚式锚碇的结构体系。 对于地锚式锚碇，应着重考虑两点：一是怎么将缆力传给锚块混凝土，二 是怎样结合当地的地形和地质等条件，将锚碇设置在较适当的地基之上。前者 是锚固系统问题，后者是锚碇基础的问题。 依据锚碇基础的不同，地锚式锚碇的结构体系包括隧道锚和重力锚两种形 式。乜1 隧道式锚碇一般用于节理较少、岩体力学性能较好的基岩埋深浅、岩 性好的桥址处。大缆的巨大水平力通过索股、锚杆传入隧道中的混凝土，再通 过混凝土与隧道岩体间的粘结力传递给周围的岩体，如图卜1 。u 1 重力式锚碇 一般由锚体和基础组成，基础形式多样，可适用的工程地质情况也较广泛，国 内外建设的悬索桥锚碇大多采用重力式锚碇，如图卜2 。 本人在跟随安徽省高速公路总公司悬索桥根式锚碇基础课题组学习的过程 中完成了本篇论文，结合课题组的研究，本文首先介绍一些关于重力式锚碇的 结构、应用实例等基本常识，然后通过引用某些大型悬索桥中锚碇的模型试验 和现场监测成果，分析大型传统沉井锚碇基础的变位与承载特性，根据以上分 析，讨论安徽省高速公路总公司所提出的根式锚碇基础的合理性，并通过数值 模拟分析和现场试验分析方法对其变位进行研究，初步验证该新型锚碇基础方 案的可行性。 图1 2 隧道锚碇结构图 垫层 图1 3 重力锚结构图 1 2重力式悬索桥锚碇的结构概述及应用实例 锚碇的作用是抵抗和传递主缆的拉力，重力式锚碇般由锚体和基础组成。 锚体包括锚块、散索鞍支墩以及锚块内的锚固系统。锚块是直接锚固主缆的结 构，它通过锚固系统将主缆索股的拉力分散开来，与其下部的锚碇基础连接成 整体，共同抵抗由主缆拉力产生的锚碇滑动和倾覆。1 锚碇的设计主要包括以下几个方面：锚体的设计和锚固系统设计、锚碇基 础的设计。 锚体由锚块、散索鞍墩、侧墙、顶盖板等组成。散索鞍墩与锚块之间、鞍 部以上设置侧墙，侧墙顶设置预制的钢筋混凝土梁作为顶盖板，构成封闭的散 索室。桥梁运营期间其内设置抽湿装置，保持室内恒定的湿度。 锚固系统是将索固力传递给锚块的重要构件，一般采用的有两种形式：型 钢锚固系统和预应力锚固系统。型钢锚固系统应用较早，是2 0 世纪前半叶所建 造的许多悬索桥中经常采用的方法。该种锚固系统的锚梁和拉杆以及支承构架 均采用普通材料的型钢，各种构件之间的连接也采用栓接或焊接工艺。后来随 着预应力技术在钢筋混凝土结构的发展应用，应用后张法钢筋或钢束将主缆索 固的作用力传至锚体混凝土。 悬索桥将大缆索力通过锚固系统传给锚体，锚体通过锚碇基础传给周围土 体，大跨度悬索桥锚碇基础方案主要有：沉井锚碇基础、地下连续墙锚碇基础 和冻结壁锚地基础等，其具体优缺点对比如表1 - 1 ： 2 表卜1 锚碇基础方案优缺点比较 3 目前国内外建设的悬索桥锚碇采用隧道锚碇不多，例如贵州坝陵河大桥、 长江鹅公岩大桥、香港青马大桥等，其他大多采用重力式锚碇，基础采用大型 沉井或连续墙。国内外厚覆盖层地区建设的悬索桥锚碇采用的主要基础如下 表1 - 2 ： 表卜2 国内外悬索桥锚碇的选型及施工方案一览表 1 3 根式锚碇基础的结构概述 根式锚碇基础是由安徽省高速公路总公司殷永高教授级高工等人于2 0 0 7 年在根式沉井的基础上提出的一种新型的悬索桥锚碇基础，是通过承台把多根 根式沉井基础连接成整体而形成的悬索桥锚碇基础形式。根式沉井基础是通过 在普通沉井井壁预留顶推孔，待沉井下沉到设计标高后通过千斤顶把预制根键 顶入土中，在保证根键与沉井的固结后形成一种仿生基础。肺6 3 根式锚碇基础 和根式沉井基础的结构，如图1 - 3 、1 - 4 。 4 ：g i 圈1 4 根式锚碇基础结构图 l 纠 丛型。塑! 燮 第二章悬索桥根式锚碇基础理念的提出 2 1传统锚碇基础设计理念的发展变化 重力式锚碇是国内外大跨度悬索桥应用最多的锚碇形式，一般由锚体和基 础组成，基础形式多样，可适用的工程地质情况也较广泛，国内外建设的悬索 桥锚碇大多采用重力式锚碇。而重力式锚碇作为锚固悬索桥主缆的一种形式是 悬索桥的关键结构之一，最好要求它不发生任何位移h 引，故2 0 世纪3 0 至5 0 年 代修建的大跨度悬索桥重力式锚碇基础，总是设置在岩层等硬质地基上，验算 时假定锚碇在荷载作用下不发生可察觉的滑移及下沉( 包括转动) 。上世纪6 0 年代美国的韦拉扎诺大桥首次把锚碇基础持力层放在土层上，自此以后悬索桥 开始在土层地基上建造锚碇凹1 。对于土质地基，特别是厚覆盖软土地基，上述 假定显然是不尽合理的。 随着长江流域大跨度悬索桥工程建设的增多，我国科研机构对在厚覆盖层 地区悬索桥重力式锚碇基础变位和受力机理的研究也逐渐深入。第十三界全国 桥梁学术会议中提出，在我国采用重力式锚碇悬索桥中，有的采用明挖深埋的 锚碇，有的采用大体积深沉几十米的沉井。在锚碇的计算中，一律不考虑锚碇 基础前方土体的被动抗力以及侧壁土与锚碇的阻力。实际上，对这些锚碇，被 动土抗力和土与锚碇的摩擦阻力，是客观存在的，尤其对于锚碇附近土壤采用 加固措施场合，则更是如此。n 们有的专家认为，既然目前在设计柱桩中，已经 突破原有的限制，考虑了岩土以上覆盖层参与受力，那么在锚碇中，应该计入 土的有力作用，确定合理的土抗力，以科学的减少锚碇体积、降低造价，。 此后几年中，伴随着江阴大桥、润扬大桥等大跨度悬索桥的建设，李永盛 n 列采用室内模型试验探讨了江阴长江大桥北锚碇结构的变形机制和破坏失稳 形式；赵启林n 引在详细介绍锚碇系统传力过程的基础上，阐述了锚碇系统位移 分析的现状；周世忠3 对江阴大桥北锚碇位移限值进行了初步分析；宋二祥n 酗 采用三维有限元分析了锚碇基坑支护结构的内力和变形，还有其他很多专家学 者采用各种方法对此进行了试验、分析研究。 本文首先摘引已有大型沉井锚碇基础研究的试验研究成果，分析锚碇基础 在大缆索力作用下周围土体抗力分布，总结其受力机理，为根式锚碇基础的提 出提供试验依据，然后结合工程实际( 马鞍山长江大桥悬索桥根式锚碇基础方 案) 通过数值模拟和试验研究分析等方法，分析多种工况下根式锚碇基础的变 位，初步研究根式锚碇基础和根式沉井基础的受力情况，同时总结了关键施工 过程，验证根式锚碇基础方案的可行性，实现对根式锚碇基础的初步研究。 7 2 2 传统大型沉井锚碇基础变位及承载机理简述 大型沉井锚碇基础的研究已经开展很多，结合十几篇关于厚覆盖层地区大 型沉井的变位及周围土抗力的分析的论文，本文列举出庆丰长江大桥和江阴长 江大桥锚碇的室内模型试验及现场测试的结果，总结概括其变位和承载过程中 的共性，具体如下文。 2 2 1庆丰大桥锚碇室内相似模型试验们 宁波庆丰大桥位于宁波市甬江上，主桥为简支单跨2 8 0 m 、宽4 1 m 双塔双主缆 地锚式钢加劲梁悬索桥，桥址属软土地基，根据地质资料，浅层为全新统海积 层，以下为上更新统和中更新统冲积层，基岩埋深9 8 m 以上，根据构造和周围环 境要求，提出了重力式大型沉井锚碇方案，并针对多种工况对其变位进行试验 分析，锚碇底面埋深2 8 7 0m ，平面尺寸4 5 m 4 6 5 m ，锚碇自重9 5 11 5 1 k n ，锚索 与水平面夹角为3 0 度，主缆设计拉力( 恒载+ 活载) 9 3 0 0 0 k n ，实际工程中锚碇 承载剖面图，如图2 1 。 锚碇基础的室内相似模型试验研究，根据结构模型试验理论相似模型的几 何相似常数为1 ：1 0 0 ，重力相似常数为1 ：1 3 2 5 。【l 通过模型试验分析锚碇在各 级荷载作用下，锚碇周围没有覆土和有覆土两种方案锚碇的变位，室内荷载试 验各级荷载下锚碇的变位统计表，如表2 - 1 ，表中p 。为实际主缆设计拉力的相似 荷载，模型水平变位对比图、沉降对比图和刚体转动对比图分别如图2 - 2 、2 - 3 、 2 - 4 。 图2 - 1宁波庆丰大桥锚碇结构剖面图 8 表2 1 庆丰大桥锚碇各级荷载下锚碇的变位n 6 1 方案 项目0 5 p 。1 o p 。1 5 p 。2 o p 。2 5 p 。3 o p 。3 5 p 。4 o p 。4 5 p 。5 o p 。 锚碇周水平位移m1 6 83 7 37 7 81 3 4 52 5 8 35 4 5 71 2 3 3 3 围没有 覆土 锚碇周 围有覆 土 前端沉降n 刚体转动l o - 3 ( ) 水平位移衄 前端沉降珊 刚体转动10 - 3 ( o ) 1 6 0 3 1 35 0 36 4 08 1 71 1 7 31 7 1 0 3 2 27 0 81 1 7 81 6 3 92 4 0 63 7 7 65 6 4 0 0 2 50 4 00 4 00 鹪0 8 80 8 91 1 91 2 31 3 81 6 0 0 0 00 0 00 0 00 1 50 2 00 2 0o 2 5o 2 5o 2 50 2 5 0 3 20 5 70 5 71 2 41 5 01 6 92 0 92 4 2 2 6 43 0 9 2 2 2金星22 2 2 2 oooo o 6一一“式 一一 o ol f 5 模型加载值 图2 2 庆丰大桥锚碇各级相似荷载下锚碇水平变位对比n 明 22 2 22 2 2 2 2 o o oo o 6一一式式一 一 o o b 模型加载值 图2 - 3 庆丰大桥锚碇各级相似荷载下锚碇沉降对比u 6 】 9 加 如 加o 量羚堪*俘撂 坞埔m 地m 8 6 4 2 o 星进蜉箍柱骼器 星星星星足星星2星2 ooo旧oo 6 一 一 式 “ 一一。寸 l f 5 模型加载值 图2 4 庆丰大桥锚碇各级相似荷载下锚碇刚体转动变位对比n 叼 由表2 1 及以上各室内试验测试结果对比图看出，在各级荷载作用下，周 围有覆土的锚碇水平位移、前端沉降和转角都远小于锚碇周围无覆土的情况， 周围覆土对锚碇变位影响较大，且随着加载值的加大，两方案锚碇变位的倍数 逐渐增大。 2 2 2江阴大桥锚碇基础室内相似模型试验及实际工程现场测试分析n 胡 江阴长江公路大桥位于江苏省江阴至靖江区段，主桥为六车道单跨恳索桥， 跨中长度为1 3 8 5 m ，北锚碇承受的主缆合力为6 4 0 m n ，按主缆轴向与水平轴的夹 角2 5 3 9 。计算，承受的主缆水平力为5 9 0 m n 。为满足北塔墩以及整个桥梁体系的 稳定要求，北锚碇的最大水平位移必须小于1 5 c m ，最大垂直沉降小于2 0 c m 。沉 井锚碇基础方案为长6 5 3 m x 宽5 9 m 的矩形结构，内分4 9 个隔舱，下沉标高为一 5 5 6 m ，埋深5 8 m ，封底厚1 2 m ，按5 m 为接高段高度分级下沉，北锚碇沉井结构 剖面图，如图2 - 5 所示。 1 0 的 们 加 o o一【ooo幸蒋婢簟莨催孥 亚粘土与 粉砂土互层 亚砂粘土与 亚粘层 粘土层 含砾中租砂 基岩 。，耋皇蹙詈试验中箜碇周围有覆土包围，根据试验条件和模拟范围，按静力 差粤罂譬相似理论，n 取几何比例系数为1 ：l o o 。锚碇结构承受的大磊嚣另 兰苎璺挚p 0 = ，。6 4 0 m n , 为保证结构抗力应具有一定量的安全储备，磊i ；主； 大锚拉力可施加至2 倍的p o ，江阴长江大桥北锚碇变位室内试验结果如表三一三。“ 2 - 二l 兰坚型堕堡型羔堕堑坠型里量至至旦煎耋堡旦! 銮垡竺 r o r ) d 结构 水平位 垂直沉降 刚体转角 水平位移 垂直沉降刚佑骋角 寰熹- 导导上l 上l 地 ： 二鼍恙而羔熹等等= 笺_ 兰!业= 型二亘 。望警型垩粤大桥锚碇沉井基础在施工和通车营运i 琢百爵函i 瓦_ 戛磊i 譬苎萼设，过孽中，在沉井顶面布置了1 5 个测点，并在锚体不同位置茹；。丁二：亍 s 0 4l 0 4 图2 6 实际工程中江阴大桥北锚碇监测点布置示意图 表2 3实际工程中江阴大桥北锚碇基础实际变位监测值n 钔 表2 - 2 为锚点变位的室内模型试验结果，试验中施锚点变位是承台下部锚碇 基础变位和锚体弹性变形之和，试验中锚体始终处于弹性状态，锚体变形相对 较小，锚碇基础变位占试验测试结果主要部分，由表2 2 看出锚碇基础存在较大 的水平变位。由表2 - 3 实际工程中锚碇基础的变位实测结果看出，锚碇实际最终 水平变位为3 0 m m 左右，竖向变位为2 5 m m ，且主要以下沉、不均匀沉降和转动为 主，水平整体平动位移较小。 假设锚碇基础顶部水平位移为2 0 m m ，主要由锚碇的整体转动引起，由铁 路桥涵地基及基础设计规范( t b l 0 0 0 2 5 2 0 0 5 ) 桩基础地面或局部冲刷线以 下任意深度y 处基础前后侧土的横向压应力心们为： m ，1 吒2 m y ( x 0 4 + 詈墨+ 丢茜q 十箍q )口口一已口也- f 考虑桩基础水平抗力的空间效应系数为3 ，则锚碇基础前方土抗力： 仃，：懒4 3 = 3 0 0 0x0 5x5 8 0 0 2x ( - 5 8 5 3 3 ) 3 = 一3 3 9 4 9 1 4 k p a 整个沉井锚碇前部水平抗力为：仃，木b 一3 3 9 4 9 1 4 5 9 = - 2 0 0 2 9 9 9 2 6 k n 主缆水平力为5 9 0 0 0 0 k n ，根据整个锚碇前部水平抗力计算值看出，根据规 范计算得出的周围土体占锚碇大缆索力水平分力相当大的部分，周围土体抗力 对锚碇抵抗水平位移有相当大的贡献。 1 2 2 2 3大型沉井锚碇基础承载机理总结 由庆丰大桥锚碇的模型试验和江阴长江大桥锚碇的模型试验及工程实际测 试统计结果看出，锚碇在大缆索力作用下都产生了水平和竖向位移，且锚碇周 围有覆土工况的水平变位远小于锚碇周围无覆土的工况，大型沉井锚碇主要以 下沉、不均匀下沉和转动为主，水平整体平动位移较小。u 即拉 锚碇在大缆索力作用下产生变位，特别是由于锚碇不均匀沉降和整体转动 引起的水平变位，锚碇周围产生较大土抗力。周围覆土限制了锚碇的变位，影 响较大，锚碇基础在基底反力和周围土抗力共同作用下承担悬索桥索力，受力 简图，如图2 - 7 。根据以上理论，锚碇的设计可考虑从两个方面提高锚碇基础 的水平和竖向承载力，减小整体变位：1 ) 增大锚碇基础底部面积或选择工程地 质条件比较好土层作为持力层，提高基础底部摩擦反力；2 ) 通过某些方法更好 的发挥锚碇基础周围的土抗力，减小锚碇体积和深度，减少工程施工难度和造 价。 主缆理论散索点，一、 - 一_ o n j 锚碇基础前方被动土压力( 转 沉井盖板 ：! 二业：业竺型：羔i 工： 一 茎基壁堕左 基底反力。l - - i 图2 7 施加主缆索力后沉井锚碇基础受力简图 2 3 根式锚碇基础提出及研究过程 2 3 1根式沉井基础的提出及研究内容概述 根式锚碇基础是由数根根式沉井基础通过承台连接而形成的整体结构，是 由单个根式沉井基础进一步发展而来的，现在首先介绍一下根式沉井基础的提 出过程。随着我国交通事业的发展，大跨径桥梁的建设也越来越多，很多处于 江河漫滩厚覆盖层地区，持力层埋置较深。安徽省高速公路总公司针对厚覆盖 层工程地质条件提出的一种全新的基础形式一一根式沉井基础哺引，通过在沉 井井壁增加根键，利用根键带动基础周围大范围土体承担基础顶部荷载，使其 承载力得以提高，从而可以减小基础长度，降低工程造价和施工难度，其结构 如图1 - 2 。 为研究其施工工艺和承载特性，课题组先后在合肥阜阳高速公路工程跨 淮河大桥的引桥段和马鞍山长江公路大桥科研试桩工程中进行了试验研究，当 前对根式沉井基础的研究主要是围绕以下几个方面展开： ( 一) 根式沉井基础施工工艺研究；( 二) 根式沉井基础竖向和水平向承 载特性研究；( 三) 多个根式沉井基础群井效应研究；( 四) 根式沉井基础的 承载力的理论分析和简化计算。 2 3 2根式锚碇基础的提出 根据以上大型沉井锚碇基础的分析看出，锚碇下部摩阻力和周围土体抗力 共同作用承担大缆索力，单独考虑锚碇底部摩擦阻力是不尽合理的。在锚碇底 部摩擦阻力和锚碇周围土抗力共同作用理论的基础上，为了增大锚碇基础周围 土抗力，2 0 0 7 年安徽省高速公路总公司针对厚覆盖层地区工程地质情况，提出 了一种新型悬索桥锚碇基础形式一一根式锚碇基础。根式锚碇基础是通过刚性 承台把多根根式沉井基础连结成整体而形成的锚碇基础形式，承台、根式沉井 基础和土三者相互作用共同承担荷载，以保证在悬索桥索力作用下满足锚碇竖 向和水平向位移要求，更好的发挥了锚碇范围内土体的承载力。哺6 ，根式锚碇 基础结构图，如上文图1 - 1 ，受力简图如图2 - 8 。 _ - _ 一 形3 _ 一 厂根锋毛 上 - _ - _”_ _”f f_ _ _ -f f f l- -一 ”ir 一7 链。 上 节 一上一上 辜 t l 毒毒 至圭 上 上 t 卞 上 _ r7 下7i 上 t 卞tt 千 土 幸丰 t7 上 t 宁 上上 上 下卞 - r t 7 土 tt 上 t 丁 上 t 卞t 下 土 t 下t 丁 千； t 卞 工 t 卞 上 tt下t 上 下tt 下 车土r 一t 一 卜1n 1卜1定1卜1 二二一二 一 二一 卜卜十十十 基底反力及摩阻力 图2 8 施加主缆索力后根式锚碇基础受力简图 1 4 转动) 被动土压力( 转截 本文主要是依托实际工程( 马鞍山长江公路大桥根式锚碇基础方案) ，结合 课题组的相关研究，分析根式锚碇基础在多种工况下的变位情况，分析其承载 机理，验证根式锚碇基础方案的可行性。 试验所依托的马鞍山长江大桥工程，桥址区地处长江流域，厚覆盖层地区。 长江在本桥址区分为左、右两汉，中间为江心洲，左汊上部结构为2 1 0 8 0m 三塔悬索桥，右汉为2 2 6 0i n 三塔拱形斜拉桥，该桥锚碇初步方案采用根式锚 碇基础，部分引桥基础拟采用根式沉井基础。钻孔揭示深度范围内( 8 2 m ) 为第 四系全新统松散填筑土、种植土、砂类土、圆砾土及上更新统圆砾土，主要土 层物理参数见表2 - 4 。 表2 - 4 土层的物理参数 根式锚锭基础方案由1 8 根根式沉井组成，上部通过长7 1 m 、宽5 9 m 的承台连 接，根式沉井以梅花状布置，宽、长方向间距分别为1 2 m 、1o m 。单个沉井深4 6 m ， 沉井壁直径6 m ，壁厚1 2 m ，封底混凝土厚4 5 m ，每个沉井沿沉井高度方向布置 1 8 层，每层6 根共1 0 8 个根键，沉井井壁和根键采用c 3 0 混凝土，根式沉井构造， 如图卜2 。【2 1 3 1 5 第三章悬索桥根式锚碇基础变位的计算和试验研究 3 1 变位分析的工况划分 为了更好的模拟实际工程施工过程，反应根式锚碇基础在各种施工阶段的 变位情况，了解锚碇的不利工作状态，分析内容主要包括两种大的工况：1 ) 锚 碇基础、锚体及压重块施工完毕，悬索桥主缆索力未施加阶段；2 ) 桥梁上部结 构施工完毕，成桥满载，桥梁运营阶段。乜2 1 分别分析在以上两种工况中，竖向、 水平向和弯矩荷载作用下锚碇基础变位。 3 1 1锚碇施工完毕( 工况一g k l ) 阶段锚碇基础承担荷载 由于本阶段主缆还未锚固在锚碇中，锚碇基础承担的荷载只与锚碇本身结 构有关，与桥梁上部结构和上部车辆、风荷载等因素无关。通过计算锚碇各部 分的自重，并对某一位置处进行荷载转化，锚碇基础此时承担偏心竖向荷载， 此工况下锚碇基础受力简图，如图3 - 1 。 工况一：锚体施工完成后，大缆反力未上( 图纸根键未示出) 嚣 图3 - 1工况一( g k l ) 根式锚碇受力简图 如图3 - 1 所示，工况一下锚碇基础承担的荷载项相当于在锚碇承台顶部施 加4 8 8 0 6 0 k n 的竖向荷载，作用点位于距承台左边缘15 13 m 处。 3 1 2满载运营阶段( 工况二g k 2 ) 下锚碇基础承担荷载 计算工况二下锚碇基础承担的荷载较为复杂，不仅与锚碇自身自重有关还 跟悬索桥主缆索力有关。要计算此阶段锚碇基础承担的荷载要借助有限元数值 模拟分析，通过m a d i a s 桥梁专业软件计算此阶段悬索桥主缆索力对锚碇施加的 荷载，并与锚碇自重荷载进行组合。由于本文锚碇承担荷载主要是成桥阶段荷 1 6 载组合，此处只需做悬索桥成桥阶段分析。主要步骤包括：1 ) 设定建模环境； 2 ) 定义构件材料；3 ) 定义截面特性值；3 ) 初始平衡状态分析；4 ) 复制主缆、 吊杆和索塔；5 ) 刚性连接加劲梁和吊杆；6 ) 输入边界条件；7 ) 输入特征值分 析数据；8 ) 输入静力荷载；9 ) 运行结构分析( 成桥阶段分析) ；( 1 0 ) 提取各 种荷载组合下主缆索力。乜3 ， 在桥梁有限元模型建完，运行程序后，即可通过程序的后处理系统得出锚 碇在工况二阶段，不同荷载组合下锚碇基础承担的荷载。在运营阶段( 工况二) 中，分析以下三种荷载组合下锚碇基础承担的荷载，如表3 - 1 。各种荷载组合 下锚碇基础承担的荷载组合的受力简图，如图3 - 2 ，其中n 为竖向荷载、h 为水平 荷载，m 为弯矩荷载。 表3 - 1 工况二下锚碇基础承担的荷载 甲一“ 2 u器 i ， i ， ， 二： 二工二 二 e1e1r1 r1 卜1 图3 - 2 工况二( g k 2 1 g k 2 3 ) 根式锚碇受力简图 由表3 - 1 中g k 2 1 、g k 2 2 、g k 2 3 三种荷载组合类型及荷载的具体值，以上 组合可得出锚碇基础的最不利变位情况、正常运行情况下变位情况，分析该三 种荷载组合可较全面的了解锚碇基础的变位情况。 1 7 3 2 根式锚碇基础变位的数值模拟分析 3 2 1 概述 上文分析了锚碇基础在以上主要工况下承担的荷载，本文变位分析主要是 分析在以上工况下锚碇基础的变位情况，判断锚碇基础的变位是否满足相关规 范要求。 根式锚碇基础作为一种创新型的新型锚碇基础形式，如果首先采用理论分 析方法将存在诸多假定与简化，采用小比例模型试验时也存在相似材料、加载、 量测误差等问题。特别是在探讨此类复杂系统、多因素影响的工程实际问题时 ( 如三维、非线性、施工工序等) ，如果首先采用数值模拟计算无疑有其无可替 代的长处和优点。当然由于我们无法获得完全准确的现场实际参数，在输入参 数存在许多不确定性的情况，但是在揭示特定物理系统的力学机制中，数值模 拟方法仍显示了很高的价值。数值模拟方法能使设计者建立某些直觉，得到定 性的规律性的结论。根式锚锭基础结构和周围土体共同作用，属于三维问题， 研究起来相对复杂，其变形和破坏机理研究还不够深入。因此，采用计算机进 行锚碇整体稳定的力学机制研究以及整个破坏过程的系统仿真，对于防止锚碇 倾覆破坏以及出现不能容许的变位都将有重要的参考价值。本节采用有限差分 法程序f l a c 3 d 软件模拟锚碇基础结构在上文分析的两种工况下的工作性态。模 拟时考虑施工工序影响，实现了施工过程非线性三维数值仿真，分析锚碇结构 以及周围土体的位移场和应力场，得到锚碇稳定性和变位的一些规律。 3 2 2 软件简介及分析步骤 ( 一) f l a c 3 d 的特点2 4 】 2 8 3 f l a c ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s is o fc o n t i n u a l ) 是由美国i t a s c a 公司开发 的一种有限差分程序。岩土工程结构的数值解是建立