懸索橋根式錨碇受力特性分析

余 竹,朱 昊,何 敏,殷永高

(1.安徽省交控建設管理有限公司，安徽 合肥 230088；2.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

在眾多的橋梁結構形式中，懸索橋憑借自身優勢成為跨越大江大河主流方案。大跨徑懸索橋離不開穩定的錨固系統。錨固系統可分為自錨式[1-3]和地錨式兩種。地錨式可以進一步分為重力式和隧道式[4]。其中，隧道式適用于基巖堅實完整的地區，其他情況下大多采用重力式。我國江河流域分布著大面積軟弱覆蓋層，其承載力低，巖層埋置較深。在這類地質條件下修建重力式錨碇，存在較大的設計與施工難度[5-6]。另外，傳統重力式錨碇主要通過自身重力和基底摩擦力來承擔主纜力；錨碇前側被動土壓力在設計時被視作安全儲備，基礎與土體的相互作用未得到充分利用，在一定程度上不夠經濟[7]。

部分學者針對重力式錨碇現有問題提出了齒坎式錨碇[8-9]、樁與擴大基礎復合錨碇[10-11]、群樁錨碇[12-13]和根式錨碇[14]等。齒坎式錨碇除依靠自身重力和基底摩擦力抵抗主纜纜力外，齒坎的水平面和正面也能夠抵抗主纜力。樁與擴大基礎復合錨碇受力較為復雜，依靠擴大基礎自身重力和基底摩擦力以及樁土相互作用抵抗主纜力荷載。群樁錨碇和根式錨碇都是依靠承臺、基樁集群和土體三者相互作用共同抵抗主纜力荷載。兩者不同之處在于根式錨碇采用的是根式基礎。它是在常規沉井基礎側壁預留頂推孔，待沉井下沉到指定位置處，使用頂進裝置將根鍵頂入土體并使之與沉井基礎固結而形成一種仿生基礎形式。

殷永高等[15-16]通過數值模擬和現場試驗發現：根式基礎能實現土體與根鍵之間的剛度協調，充分發揮土體承載力，其承載力較普通基礎得以大幅提高；并在此基礎上提出了適用于厚覆蓋層地區的根式錨碇基礎，初步探索了根式錨碇基礎的受力機理及適用性。楊燦文[17]從工程規模、結構受力、地質適應性以及施工等方面對比了普通沉井基礎和根式錨碇基礎，認為根式錨碇具有一定的優勢。然而，根式錨碇基礎承載特性與機理相關研究尚不夠完善，且缺乏工程應用驗證。

根式錨碇作為懸索橋新型錨碇基礎形式，首次應用于秋浦河大橋北岸錨碇工程。本研究以此為工程背景，通過數值模擬并結合現場監測研究錨碇在不同工況下的受力和變位特性。

1 工程概況

秋浦河大橋位于安徽省池州市，是池州長江公路大橋工程的重要組成部分。該橋主橋為主跨270 m的雙塔結合梁懸索橋。地質條件自上而下分別為種植土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉土、圓礫土以及弱膠結礫巖；根鍵頂進所經歷的地層主要有粉土(中密狀態)、圓礫土(中密-密實狀態)。

北錨碇為根式錨碇基礎，采用16根直徑5.0 m的根式空心樁。設計樁長為26.0 m，樁基底部3.0 m和頂部6.0 m為實心段，其余為空心段，空心段壁厚0.9 m。單根樁設置6層根鍵，在平面上呈十字型分布，相鄰根鍵層間距為2.0 m，以45°角交錯布置。根鍵截面為十字形，外露長度1.25 m。承臺高5.5 m，錨體包括錨塊、鞍部及壓重塊，如圖1所示。

圖1 根式錨碇立面圖(單位：cm)Fig.1 Elevation view of root anchorage (unit: cm)

2 數值模擬模型

采用FLAC3D仿真計算軟件，用6面體網格劃分建立根式錨碇基礎模型。由于錨碇沿順橋向為對稱結構，采用半模型建模，如圖2所示。周圍土體范圍為300 m×300 m×150 m。在模型的四周設置法向約束，在模型的底面設置固定約束作為邊界條件。根式錨碇采用彈性本構模型；錨碇周圍土體采用彈塑性本構模型；樁土接觸面采用摩爾庫倫剪切模型。土體及錨碇結構基本力學參數見表1，接觸面模型的內摩擦角和黏聚力取周圍土體的0.5倍，接觸面參數見表2。

表1 土體及錨碇力學參數Tab.1 Mechanical parameters of soil and anchorage

表2 樁土接觸面參數Tab.2 Parameters of pile-soil interface

圖2 根式錨碇數值網格模型Fig.2 Numerical grid model of root anchorage

在土體初始地應力平衡的基礎上，根式錨碇的計算工況包括施工階段(基坑開挖、樁基施工、承臺施工、錨碇整體施工完成)和運營階段(懸索橋成橋運營)。其中，錨碇整體施工完成和懸索橋運營階段的變位為主要控制指標：(1)錨碇整體施工結束，在承臺鞍部施加等效自重荷載代替鞍部自重；(2)懸索橋運營階段，主纜力采用設計荷載5.6×104kN，主纜力在散索鞍處與水平呈25°夾角。模型中采用豎向力及水平力的組合形式作為等效荷載施加在相應位置節點上。

3 數值計算與現場監測結果對比分析

3.1 錨碇變位特征分析

為了解根式錨碇在兩種工況(錨碇整體施工結束(工況1)和懸索橋運營階段(工況2))的變位特征，對錨碇承臺現場監測點的水平變位和豎向變位的現場監測結果和數值模擬結果進行對比分析。承臺監測點如圖3所示，承臺監測點變位如表3所示(以承臺施工完成為初始點，表中數據為相對前一施工階段的變位值)。

圖3 根樁編號及承臺位移監測點示意圖Fig.3 Schematic diagram of pile numbers and cap displacement measuring points

表3 工況2承臺監測點變位表Tab.3 Displacement of measuring point of cap in case 2

可以看出，在錨體施工結束階段，錨碇在錨體偏載作用下，后側沉降、前側抬升，整體呈現后仰姿態；在運營階段，錨碇在主纜力作用下，前側沉降、后側抬升，整體呈現前傾姿態，并且主纜力的水平分力使得錨碇整體水平變位增大。

對于懸索橋錨碇變位限值，日本本四聯絡橋公團以主跨跨徑1 000～1 500 m的懸索橋為對象，規定長大跨徑懸索橋的水平位移的容許值為0.000 17倍主跨跨徑。同時參照以往工程案例，江陰長江大橋主跨1 385 m，錨碇變位控制標準為：水平位移限值為10 cm，沉降限值為20 cm；馬鞍山長江公路大橋主跨1 080 m，錨碇變位控制標準為：水平位移限值為10 cm，沉降限值為15 cm[18]。由以上工程經驗，確定秋浦河大橋根式錨碇的變位控制標準為：水平位移限值為4.59 cm，沉降限值為5 cm。依照該標準，錨碇在主纜力作用下的水平變位和豎向變位均滿足要求。

3.2 錨碇受力特性分析

為了分析根式錨碇在自重和主纜力作用下的受力特性，計算了根式錨碇基礎集群中各單樁樁身的軸力、彎矩、剪力，并得到了承臺所承受的豎向力和水平力。各樁編號如圖3所示，編號1～4為外側樁，編號5～8為內側樁。

在工況1，根式錨碇在錨體自重偏載作用下，承臺的豎向轉角為0.013°，錨碇整體轉動較小，忽略偏載所致的彎矩和水平力。豎向荷載由承臺和根式基礎集群共同承擔，在此工況下，僅分析承臺承擔的豎向荷載和樁身的軸力；在工況2，根式錨碇在主纜力和自重偏載作用下，承臺和根式基礎集群受豎向力、水平力和彎矩共同作用，在此階段分析承臺承擔的豎向荷載和水平荷載，根式基礎集群中各單樁樁身軸力、彎矩、剪力和水平抗力。

其中工況1的樁身軸力如圖4所示，工況2的樁身軸力、彎矩、剪力如圖5所示。兩種工況下的豎向荷載分配如表4所示，水平荷載分配如表5所示。其中，樁頂至A-A截面土層為淤泥質粉質黏土，A-A截面至B-B截面土層為粉土，B-B截面至C-C截面土層為圓礫土，C-C截面至樁底土層為弱膠結礫巖。

表4 豎向荷載分配Tab.4 Distribution of vertical loads

表5 水平荷載分配Tab.5 Distribution of horizontal loads

圖4 工況1樁身軸力Fig.4 Pile axial force in case 1

圖5 工況2樁身軸力、彎矩和剪力Fig.5 Pile axial force, bending moment and shear force in case 2

從圖4可以看出，在自重荷載作用下，后側樁樁頂軸力大于前側樁樁頂軸力，外側樁樁頂軸力略大于內側樁樁頂軸力，符合預期。而圖5(a)表明，在主纜力荷載作用下，前側樁樁頂軸力增加，后側樁軸力減小，使得前側樁樁頂軸力大于后側樁樁頂軸力，特別是前側第1排4#和8#樁軸力增加尤為顯著；同時外側樁樁頂軸力大于內側樁樁頂軸力。其次，在軟弱覆蓋層中，樁身軸力隨土體深度增大而逐漸增加(C-C截面以上)，在弱膠結礫巖土層中，樁身軸力隨土體深度增加而逐漸減小，這是由于在軟弱覆蓋層中，樁側摩阻力不足以抵抗樁身自重，而在弱膠結礫巖中，樁側摩阻力較大使得樁身軸力逐漸減小。此外，從圖4和圖5(a)均可看出，樁身軸力在6層根鍵位置處均出現了突變，而且以最底層根鍵處為分界，其以下的樁身軸力逐漸減小，由此可見根鍵承擔了較大的豎向荷載。

圖5(b)表明，樁身彎矩隨深度增加逐漸由正減小為負。其中前側樁樁身彎矩大于后側樁樁身彎矩，外側樁樁身彎矩大于內側樁樁身彎矩，樁頂正彎矩最大，樁嵌巖段負彎矩最大。

圖5(c)表明，在樁頂至B-B截面樁身剪力無明顯變化，這是由于淤泥質粉質黏土和粉土強度較低，所提供的水平抗力較小；在B-B至C-C截面，樁身剪力隨深度逐漸減小，且在根鍵處減小幅度較大，即根鍵處的水平抗力大于無根鍵處的水平抗力；在C-C截面至樁底，樁身剪力大幅度減小。同時外側樁的樁頂剪力大于內側樁的樁頂剪力，前側樁的樁頂剪力大于后側樁的樁頂剪力。

由表4和表5可知，豎向荷載主要由承臺端阻力和根式基礎集群分擔，水平荷載主要由根式基礎集群分擔。

4 結論

根式錨碇作為一種新型的懸索橋錨碇基礎首次應用于秋浦河大橋北錨碇工程中，本研究用數值模擬方法分析了該橋根式錨碇在兩種工程實際工況(錨碇整體施工結束和懸索橋運營階段)的受力特性情況，并結合現場監測變位數據進行了部分驗證，從中可以得到如下結論：

(1)根式錨碇在懸索橋運營階段的豎向變位和水平變位滿足相關規范規定，可應用于軟弱覆蓋層地區。

(2)在根式錨碇整體施工結束階段，錨碇在錨體偏載作用下，整體呈現后仰姿態；在運營階段，錨碇在主纜力作用下，整體呈現前傾姿態，且主纜的水平分力使得錨碇整體水平變位增大。

(3)在根式錨碇整體施工結束階段和懸索橋運營階段，豎向荷載主要由承臺端阻力和根式基礎集群承擔；水平荷載主要由根式基礎集群承擔，承臺與根式基礎集群受力合理。

(4)根式錨碇作為一種新型的懸索橋錨碇基礎形式，本研究僅對其受力特性進行研究，今后將進一步對承臺、根式基礎集群與土相互作用共同承擔荷載的機制進行更加深入的研究，并提出適用于工程的簡化計算方法，為優化設計提供理論借鑒。