泰州大橋南錨碇沉井基礎深度效應研究

潘 輝，邵國建，胡 豐

(河海大學力學與材料學院，南京 210098)

1 前言

懸索橋是目前跨越能力最大的橋型，懸索橋錨碇是全橋最為關鍵的結構部分［1～4］。重力式錨碇基礎在計算中通常簡化為淺基礎，并不考慮深度效應的影響，較為不經濟。泰州大橋南錨碇沉井埋置深度達42 m，深度效應基礎承載性能的影響不可忽略，并且地質活動、自然災害、人為因素等都有可能使基礎周邊覆土厚度發生變化，因此對研究錨碇基礎的深度效應是十分必要的。

泰州長江公路大橋(下面簡稱泰州大橋)主跨1 080 m，南北重力式錨碇位于厚度約為200 m的深厚覆蓋層上，其南錨碇拉力達4.3萬t，采用重力式錨，錨碇基礎采用矩形沉井，沉井長67.9 m、寬52 m(底節長 68.3 m、寬 52.4 m)，平面設三縱四橫隔墻，20個井孔，井壁厚度為2 m，隔墻厚度為1.4 m。南錨碇沉井高41 m，豎向分8節，底節鋼殼混凝土沉井高8 m，第7節高3 m，其余各節高度均為5 m，下沉入土深度42 m，如圖1所示。

錨碇基礎的深度效應問題目前較難用理論方法求解，故采用有限元法對此問題進行計算機仿真分析。仿真軟件采用巖土有限元計算軟件Midas GTS［5］，埋深條件分為無覆土、半覆土、全覆土3種情況，錨碇拉力分為施工期內無荷載及運營期內工況荷載。

2 計算過程與計算結果

2.1 幾何模型

幾何模型按實際尺寸建立，土體選取范圍各為錨碇基礎長、寬、高的兩倍，幾何模型全部采用八節點六面體單元錨碇。3種覆土條件下的幾何模型如圖2～圖4所示。

2.2 本構模型

沉井主要由鋼筋混凝土等高強度材料構成，故可采用線彈性模型，計算參數見表1，而土體的非線性變形特征較為明顯，筆者采用Drucker-Prager彈塑性模型［6］，各土層計算參數由表2確定。

表1 錨碇計算參數Table 1 Parameters of the anchorge

圖2 完全覆土Fig.2 Completely covering soil

圖3 半覆土Fig.3 Half covering soil

圖4 無覆土Fig.4 No covering soil

表2 土體計算參數Table 2 Parameters of the soil

2.3 計算荷載

已知錨碇主纜設計荷載430 MN，運營加載過程以0.5倍設計荷載逐級加載，作用力施加在錨碇后澆錨體上，處理為表面均布力，拉力方向與水平面夾角為35°。數值模擬分為施工過程和運營加載過程。施工過程包括沉井就位(未封底，此情況設為初始應力狀態，位移清零)、沉井封底、澆筑沉井內倉至封蓋(簡稱澆筑內倉)、澆筑錨體;加載過程在施工過程位移的基礎上加載，從0.5倍的設計值開始，以0.5倍的設計值為增量逐級加載，直至位移發生突變。

2.3 計算結果

將計算結果整理可得，施工期內覆土厚度的變化對于錨碇基礎豎向位移和水平位移的影響，如圖5～7所示。由此可知，施工期內，在完全有覆土條件下，位移變化平緩，但隨著覆土高度減小，位移的變化明顯。因此，覆土厚度較小會導致錨碇基礎產生較大的不均勻沉降，給施工造成一定困難。

圖5 施工期沉井底部中心點豎向位移Fig.5 The vertical displacement of the anchorage foundation during construction period

圖6 施工期沉井頂部中心點的水平位移Fig.6 The horizontal displacement of the open caisson lid’s central point during construction period

運營加載以0.5倍的設計值為增量逐級加載。選取如圖8所示，a、b、c三點繪制相應荷載－位移曲線，a點是完全覆土時錨碇與地表交界邊的中點;b點是半覆土時錨碇與地表交界邊的中點;c點是無覆土時錨碇與地表交界邊的中點。覆土厚度的變化對錨碇基礎位移和轉角的影響，如圖9～圖12所示。

由圖可知，在完全覆土條件下，錨碇基礎的豎向位移隨荷載增加變化平緩，無覆土條下，錨碇基礎豎向位移變化較大。過大的位移和轉動會對錨碇穩定性產生影響，可見增大沉井埋深可大幅增強錨碇基礎的承載性能。

3 計算結果分析

圖7 施工期沉井底部中心點的水平位移Fig.7 The horizontal displacement of the open caisson bottom’s central point during construction period

圖8 錨碇基礎上點的位置Fig.8 The position of the points in the anchorage foundation

圖9 錨碇基礎上各點水平位移Fig.9 The horizontal displacement of the open caisson’s different points

圖12 錨碇基礎的轉角Fig.12 The rotation angle of the anchorage foundation

施工階段完全覆土、半覆土和無覆土條件沉井豎向位移分別為 －9.511 cm、－16.859 cm、－39.295 cm，水平位移分別是－0.796 cm、－5.292 cm、－15.643 cm。完全覆土情況下錨碇的豎向位移為無覆土情況下豎向位移的24.2%，半覆土情況下錨碇的豎向位移為無覆土情況下豎向位移的42.9%;完全覆土情況下錨碇的水平位移大概是無覆土情況下水平位移的5.1%，半覆土情況下錨碇的水平位移大概是無覆土情況下水平位移的33.8%。可見在施工階段，有覆土相比無覆土情況下沉井位移明顯小很多。

運營加載期內，1倍的設計值荷載作用下，無覆土情況下錨碇靠近地表的水平位移是有覆土情況下的5倍，完全覆土、半覆土和無覆土條件下沉井頂部水平位移按順序分別為 11.548 cm、36.350 cm、143.259 cm，沉井底部水平位移分別是3.542 cm、11.426 cm、53.036 cm，錨碇基礎轉角分別是0.001 89 rad、0.005 94 rad、0.021 87 rad，完全覆土情況下沉井頂部的水平位移是無覆土情況的8.1%，半覆土情況下沉井頂部的水平位移為無覆土情況的25.4%;完全覆土情況下沉井底部的水平位移為無覆土情況的6.7%，半覆土情況下沉井底部的水平位移為無覆土情況的21.5%;完全覆土情況下錨碇基礎的轉角大概為無覆土情況的8.6%，半覆土情況下錨碇基礎的轉角大概為無覆土情況的27.2%。可見，隨著覆土高度的減小，不論是水平位移還是轉角都明顯增大。

4 結語

文章針對泰州大橋南錨碇建立有限元數值計算模型，計算了施工期與運營加載期內，不同覆土厚度條件下錨碇基礎的位移和轉角。由計算結果可知，覆土深度對錨碇基礎承載穩定性的影響較大。相同荷載條件下，覆土深度減少使得錨碇基礎位移和轉角變化極為顯著。錨碇在錨索拉力作用下產生位移和轉動，而周圍覆土可較好地限制錨碇的變位。如果能將錨碇基礎的深度效應考慮進懸索橋的設計規范中，勢必會進一步減小錨碇設計尺寸、降低工程造價。

［1］邵國建，蘇靜波，胡 強.潤揚大橋懸索橋北錨碇基礎接觸應力仿真分析［J］.中國工程科學，2006，8(9):28－33.

［2］陶建山.泰州大橋南錨碇巨型沉井排水下沉施工技術［J］.鐵道工程學報，2009，124(1):63 －66.

［3］馮兆祥，王 建.泰州長江公路大橋南錨基礎沉降計算研究［J］.橋梁建設，2010，1:49 －51.

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［5］向堅持，劉相濱，譚義紅，等.Midas技術研究及其應用［J］.計算機工程與應用，2002:168－170.

［6］楊 強，楊曉君，陳 新.基于D－P準則的理想彈塑性本構關系積分研究［J］.工程力學，2005，22(4):15－19.