秦曙光，羅富元，歐陽(yáng)平

(1.廣西荔玉高速公路有限公司，廣西 南寧 530000；2.廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

地下連續(xù)墻以其自身整體剛度大、強(qiáng)度高、防滲擋土等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外很多工程中得到了廣泛應(yīng)用。其中，井筒式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)是一種新型的橋梁基礎(chǔ)形式，它采用地連墻工法建造墻體，利用構(gòu)造接頭把墻段連接成一個(gè)矩形、多邊形或圓形的平面，且其內(nèi)部可分為一個(gè)或多個(gè)空格的整體結(jié)構(gòu)，不用開挖內(nèi)部土體，直接在其頂部設(shè)置封口頂板與上部結(jié)構(gòu)相連，地連墻與頂板共同組成井筒狀構(gòu)造的新型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。井筒式地下連續(xù)墻基礎(chǔ)應(yīng)用于大跨徑橋梁和重載結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。研究表明：井筒式地下連續(xù)墻具有整體剛度大、承載性能好、水平承載力高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)；在設(shè)計(jì)中通過(guò)利用地連墻剛度的方向性，合理布置其方位可以滿足工程實(shí)際要求。本文依托某大橋初步設(shè)計(jì)階段的地錨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于ANSYS有限元軟件，建立地錨結(jié)構(gòu)嵌巖和非嵌巖兩種工況下的數(shù)值有限元模型，研究采用井筒式地下連續(xù)墻作為地錨結(jié)構(gòu)時(shí)結(jié)構(gòu)的受力性能，為今后類似的工程實(shí)踐提供參考。

1 工程概況

某大橋在初步設(shè)計(jì)階段中，采用水平承載能力較高、對(duì)環(huán)境土體影響較小的井筒式地下連續(xù)墻作為兩岸地錨結(jié)構(gòu)形式。南北兩岸地錨結(jié)構(gòu)的平面尺寸相同，結(jié)構(gòu)可分為頂板、前墻、后墻、隔墻四部分(圖1)。平面尺寸為40 m(橫橋向)×15 m(順橋向)，頂板厚度為6 m；前墻、后墻及隔墻厚度均為1.2 m；在頂板處設(shè)置22 m(橫橋向)×2 m(順橋向)×3 m(豎向)的錨槽。近跨中側(cè)墻體為前墻，遠(yuǎn)跨中側(cè)墻體為后墻。南北兩岸的地錨結(jié)構(gòu)高度(含頂板)分別為：11.0 m(南岸)和27.0 m(北岸)。該橋梁工程的北岸地質(zhì)條件較為復(fù)雜，上覆土層較厚，故選取北岸地錨結(jié)構(gòu)作為本文的研究對(duì)象。

(a)地下連續(xù)墻頂板

(b)地下連續(xù)墻墻身

2 工程地質(zhì)條件

橋址區(qū)地層以沖洪積覆蓋層為主，下伏地層以泥盆系中統(tǒng)地層為主，巖性組成為灰?guī)r及泥灰?guī)r，區(qū)域產(chǎn)狀5°/SE∠24°。北岸地錨結(jié)構(gòu)區(qū)地層分布自上而下為：粉質(zhì)黏土①、粉質(zhì)黏土②、中風(fēng)化泥灰?guī)r。

各土層特性如下：(1)粉質(zhì)黏土①，褐黃、淺黃、褐色，可塑～硬塑狀，土質(zhì)均勻，韌性及干強(qiáng)度高，局部相變?yōu)轲ね?，局部地段表層為耕植土，屬中等壓縮性土；(2)粉質(zhì)黏土②，灰褐色，可塑狀，土質(zhì)較均勻，韌性及干強(qiáng)度中等，局部地段夾卵石層，屬中等壓縮性土；(3)中風(fēng)化泥灰?guī)r，局部夾灰?guī)r，局部發(fā)育溶洞，巖體較完整。各土層物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)表

3 有限元模型建立

3.1 分析工況

本文將建立地錨結(jié)構(gòu)嵌巖和非嵌巖兩種工況下的數(shù)值有限元模型，通過(guò)分析對(duì)比，研究采用井筒式地下連續(xù)墻作為地錨結(jié)構(gòu)時(shí)結(jié)構(gòu)的受力性能。表2為兩種工況下井筒式地錨結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)的土層厚度，地錨結(jié)構(gòu)頂面與地面齊平。

表2 兩種工況下地錨結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)的土層厚度對(duì)比表

3.2 有限元模型

采用通用有限元軟件ANSYS建立實(shí)體有限元分析模型，混凝土結(jié)構(gòu)和土體均采用SOLID185實(shí)體單元進(jìn)行模擬，按彈性材料考慮。混凝土和土體之間采用面-面接觸單元連接，土體接觸面選用CONTA173單元，結(jié)構(gòu)目標(biāo)面選用TARGE170單元模擬，土層與結(jié)構(gòu)的接觸面摩擦系數(shù)取0.2，巖層與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)面摩擦系數(shù)取0.45。結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，選取1/2結(jié)構(gòu)-場(chǎng)地進(jìn)行建模求解，有限元實(shí)體模型如圖2所示。

(a)1/2場(chǎng)地?cái)?shù)值模型

(b)1/2臨時(shí)地錨模型

場(chǎng)地尺寸：175 m(順橋向)×42 m(1/2橫橋向)×87 m(豎向)，場(chǎng)地尺寸確定原則為：增大擬定場(chǎng)地尺寸進(jìn)行計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)和近場(chǎng)土體的計(jì)算結(jié)果無(wú)影響。

邊界條件：約束場(chǎng)地順橋向兩個(gè)面、橫橋向遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)的側(cè)面、場(chǎng)地底面上所有節(jié)點(diǎn)的UX(橫橋向)，UY(順橋向)，UZ(豎向)三個(gè)自由度；約束結(jié)構(gòu)-場(chǎng)地對(duì)稱面上所有節(jié)點(diǎn)的UX自由度。

荷載情況：在錨槽的錨固點(diǎn)處(1/2結(jié)構(gòu)共7處)施加相同的水平力(指向跨中)和豎向力(向上)，水平力大小為5 732.1 kN；豎向力大小為1 559.6 kN。

4 數(shù)值模擬分析

通過(guò)有限元模型的分析，對(duì)在豎向和水平向荷載組合作用下的地錨結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得到不同工況下井筒式地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)、場(chǎng)地土體及基巖的受力特性。

4.1 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

通過(guò)提取結(jié)構(gòu)的第1主應(yīng)力，考察結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力情況；通過(guò)提取結(jié)構(gòu)的第3主應(yīng)力，考察結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力情況，并對(duì)嵌巖和非嵌巖兩種工況的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

表3為嵌巖工況和非嵌巖工況的頂板分析結(jié)果；圖3為嵌巖工況地連墻應(yīng)力云圖；圖4為非嵌巖工況地連墻應(yīng)力云圖。兩個(gè)工況的頂板最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在錨面與錨槽底面接觸(錨固點(diǎn)下方)，這是由于集中力的局部錨固效應(yīng)引起的，通過(guò)進(jìn)行局部合理的構(gòu)造措施可以滿足受力要求。兩個(gè)工況的頂板最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在錨面的局部錨固處，整體而言頂板壓應(yīng)力較小，滿足受力要求。從表3可以看出，兩種工況下頂板的最大拉、壓應(yīng)力基本一致，但是由于嵌巖工況中，墻身底部的嵌固約束，使得嵌巖工況的頂板位移遠(yuǎn)小于非嵌巖工況的頂板位移。

表3 兩種工況下頂板分析結(jié)果(不考慮應(yīng)力集中效應(yīng))表

由圖3(a)～(b)可以看出，對(duì)于嵌巖工況，墻身最大拉應(yīng)力發(fā)生在底部的隔墻和前墻交接處，且在后墻下部分布有較大的拉應(yīng)力(1.24～1.81 MPa之間)，這是由于在水平力作用下，結(jié)構(gòu)整體傾斜變形受到基巖的嵌固約束，使得后墻下部受拉。圖4(a)～(b)顯示，對(duì)于非嵌巖工況，墻身最大拉應(yīng)力與嵌巖工況一致，也發(fā)生在底部的隔墻和前墻交接處，但由于非嵌巖工況沒有基巖的嵌固約束，其后墻無(wú)明顯拉應(yīng)力較大區(qū)域。整體而言，兩個(gè)工況下的墻身拉應(yīng)力水平較小，滿足結(jié)構(gòu)受力要求，需要注意對(duì)底部墻體交接處的構(gòu)造設(shè)計(jì)。

由圖3(c)～(d)可以看出，對(duì)于嵌巖工況，墻身最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在墻身底部的外隔墻和前墻交接處。由于基巖的嵌固約束，前墻和后墻均出現(xiàn)墻身壓應(yīng)力較大的分布區(qū)域；而圖4(a)～(b)則顯示，對(duì)于非嵌巖工況，只在前墻分布有較大的壓應(yīng)力區(qū)。整體而言，兩個(gè)工況下的墻身壓應(yīng)力滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

4.2 土層側(cè)向受力分析結(jié)果

通過(guò)提取土層的順橋向應(yīng)力，考察各土層的側(cè)向土壓力情況。圖5為嵌巖工況各層土順橋向應(yīng)力分布圖；圖6為非嵌巖工況各層土順橋向應(yīng)力分布圖。從圖5可以看出，最大側(cè)向壓力發(fā)生在前墻與巖層頂部接觸處，該區(qū)域最大側(cè)向壓力在-1.22～-1.43 MPa之間，有明顯的應(yīng)力突變現(xiàn)象，這是由于該處的側(cè)向約束發(fā)生突變，在水平荷載作用下，基巖對(duì)抵抗結(jié)構(gòu)的傾斜變形起主要作用。此外，地連墻內(nèi)部土芯中基巖部分也產(chǎn)生約-0.5 MPa的側(cè)向應(yīng)力，表明土芯對(duì)抵抗水平力也起到了一定的作用。圖6則顯示，地錨結(jié)構(gòu)不嵌入巖層中時(shí)，土層側(cè)向無(wú)明顯應(yīng)力突變區(qū)域。

(a)墻身第1主應(yīng)力(前墻面視角)

(b)墻身第1主應(yīng)力(后墻面視角)

(c)墻身第3主應(yīng)力(前墻面視角)

(d)墻身第3主應(yīng)力(后墻面視角)

(a)墻身第1主應(yīng)力(前墻面視角)

(b)墻身第1主應(yīng)力(后墻面視角)

(c)墻身第3主應(yīng)力(前墻面視角)

(d)墻身第3主應(yīng)力(后墻面視角)

圖5 嵌巖工況各層土側(cè)向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖6 非嵌巖工況各層土側(cè)向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

4.3 基底豎向受力分析結(jié)果

通過(guò)提取巖層的豎向應(yīng)力，考察基巖的豎向應(yīng)力情況。圖7為嵌巖工況基巖豎向應(yīng)力分布圖，圖8為非嵌巖工況基巖豎向應(yīng)力分布圖。圖7～8表明，兩種工況下巖層最大壓應(yīng)力均發(fā)生在與前墻底面接觸的區(qū)域。其中，非嵌巖工況的最大基底較大，為嵌巖工況的1.67倍。這是由于在嵌巖工況中，基巖的側(cè)向約束對(duì)抵抗頂板傳下來(lái)的水平荷載起到了較大的貢獻(xiàn)，而非嵌巖工況中，由于土體的側(cè)向約束較弱，對(duì)抵抗水平荷載效應(yīng)貢獻(xiàn)較小。

圖7 嵌巖工況基底豎向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖8 非嵌巖工況基底豎向應(yīng)力云圖(單位：MPa)

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)嵌巖和非嵌巖兩種工況的井筒式地下連續(xù)墻地錨結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體有限元數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)：

(1)對(duì)于地錨結(jié)構(gòu)嵌巖和非嵌巖兩種工況，頂板的最大拉、壓應(yīng)力基本一致，但是由于嵌巖工況中，墻身底部的嵌固約束，使得嵌巖工況的頂板位移遠(yuǎn)小于非嵌巖工況的頂板位移。

(2)對(duì)于嵌巖地錨結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)整體傾斜變形受到基巖的嵌固約束，使得結(jié)構(gòu)前墻和后墻均存在拉、壓應(yīng)力較大的分布區(qū)域，而非嵌巖工況的應(yīng)力較大區(qū)域基本位于前墻面。

(3)地錨結(jié)構(gòu)嵌巖時(shí)，最大側(cè)向土壓力發(fā)生在前墻與巖層頂部接觸處，有明顯的應(yīng)力突變現(xiàn)象，而非嵌巖工況的土層側(cè)向土應(yīng)力無(wú)明顯應(yīng)力突變區(qū)域。

(4)在嵌巖工況中，基巖的側(cè)向約束對(duì)抵抗頂板傳下來(lái)的水平荷載起到了較大的貢獻(xiàn)；在非嵌巖工況中，由于土體的側(cè)向約束較弱，對(duì)抵抗水平荷載效應(yīng)貢獻(xiàn)較小。

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