張 濤

（貴州地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008）

0 引言

在山區(qū)地形修筑橋梁類跨越構(gòu)筑物，裝配式施工在各種大跨度懸索吊橋，斜拉橋及拱橋建設(shè)中十分普遍，如纜索吊裝等。錨固系統(tǒng)是裝配式施工中重要的組成部分[1]。

夾石特大橋位于貴州銅仁境內(nèi)，施工初期擬采用樁基與承臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱樁臺(tái)）組合式錨碇形式，將橋梁的永久性結(jié)構(gòu)樁臺(tái)用來(lái)代替一般的臨時(shí)性錨碇結(jié)構(gòu)。該方式能極大地節(jié)省臨時(shí)錨碇的施工和維護(hù)成本、縮短工期等。與一般的重力式錨碇、巖錨錨碇等相比，優(yōu)越性突出。橋梁結(jié)構(gòu)施工完成后，樁臺(tái)在橋梁運(yùn)營(yíng)期還能正常發(fā)揮作用。

本文對(duì)樁臺(tái)在交變荷載下的力學(xué)行為進(jìn)行研究探討，能進(jìn)一步認(rèn)識(shí)樁臺(tái)在巖土體的行為變化，對(duì)往后的生產(chǎn)活動(dòng)具有一定指導(dǎo)意義[2]。

1 工程概況

1.1 橋型方案

夾石特大橋?yàn)檎鶚颍瘘c(diǎn)樁號(hào)K0+549，終點(diǎn)樁號(hào)K0+978，全長(zhǎng)429m。上部結(jié)構(gòu)采用5m×25m預(yù)應(yīng)力T梁+230m鋼筋混凝土箱型拱+2m×25m預(yù)應(yīng)力T梁；下部鋼筋混凝土拱座；過(guò)渡墩，樁基礎(chǔ)；U型橋臺(tái)，樁基礎(chǔ)。橋面凈寬：2×凈7.25m，荷載等級(jí)：公路Ⅰ級(jí)。

1.2 橋區(qū)地質(zhì)情況

場(chǎng)區(qū)屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅?，橋位中部為烏江，河?45～288m，水位高程受下游沙坨電站蓄水、泄水控制。場(chǎng)區(qū)地層巖性覆蓋層為殘坡積層（Qel+dl）碎石土、人工填土（Qme）回填碎石土；下伏基巖為寒武系上統(tǒng)后壩組（∈3h）白云巖夾泥質(zhì)白云巖，分布泥化夾層。

橋區(qū)地下水類型為基巖裂隙水、巖溶水及第四系土層孔隙、裂隙水，地下水主要靠大氣降水及地表徑流沿巖層層面及裂隙滲透補(bǔ)給。

2 計(jì)算模型建立

2.1 本構(gòu)模型的選擇

巖土體的本構(gòu)模型是一種表達(dá)外荷載作用下材料特性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)性描述[3]。由于巖土體的組成中液體、氣體、固體的隨機(jī)性和復(fù)雜性，也使巖土體的性質(zhì)十分復(fù)雜。鑒于許多樁臺(tái)施工運(yùn)營(yíng)中，巖土體處于塑性工作狀態(tài)，結(jié)合本文工程實(shí)際的地質(zhì)情況選取理想彈塑性模型-摩爾庫(kù)倫模型，服從Mohr-Coulomb 剪切破壞準(zhǔn)則[4]。

2.2 三維數(shù)值模型構(gòu)建

所選材料巖土體的物理力學(xué)參數(shù)以現(xiàn)場(chǎng)勘察和室內(nèi)室外試驗(yàn)指標(biāo)為依據(jù)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)選取，如表1。模型整體網(wǎng)格劃分合理并保證所選取巖土體本構(gòu)模型、物理力學(xué)等參數(shù)與實(shí)際數(shù)據(jù)吻合，為相關(guān)的有限元模擬計(jì)算提供相關(guān)依據(jù)。

表1 巖土體參數(shù)表

根據(jù)樁臺(tái)所處周圍環(huán)境地質(zhì)情況，對(duì)樁基施工實(shí)際情況進(jìn)行模擬中，根據(jù)需求對(duì)分析計(jì)算模型做了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。由實(shí)際情況對(duì)施工中的主要影響因素處以適當(dāng)假設(shè)：①便于建立計(jì)算模型，周圍土層情況認(rèn)為是均質(zhì)分布，選擇Mohr-Coulomb作為本構(gòu)模型；②樁基和承臺(tái)均為彈性本構(gòu)；③開挖施工以及勘探對(duì)土體產(chǎn)生的擾動(dòng)過(guò)程暫時(shí)不考慮自重存在[5]-[9]。

確定三維模型尺寸，以樁臺(tái)施工為基礎(chǔ)，考慮工程尺寸、大致水文地質(zhì)環(huán)境，水平影響范圍、垂直影響范圍，取3~5倍結(jié)構(gòu)尺寸，最終模型尺寸為60m×60m×40m。模型生成網(wǎng)格24493個(gè)，包含21280個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 施工運(yùn)營(yíng)過(guò)程模擬分析

3.1 樁臺(tái)施工自重作用

在樁臺(tái)施工過(guò)程中考慮其圬工材料的自重效應(yīng)，樁臺(tái)會(huì)產(chǎn)生位移和相應(yīng)內(nèi)力變化。

樁基和承臺(tái)在施工完成的整個(gè)過(guò)程中，荷載作用僅為自重作用，總體的自重大約是17212kN，對(duì)周圍巖土體產(chǎn)生一定作用。

3.2 施加錨索荷載作用

樁臺(tái)在用作臨時(shí)錨固系統(tǒng)時(shí)，錨索將拱橋節(jié)段的重力和施工荷載傳遞給樁臺(tái)，樁臺(tái)承受的總合力為斜向上，分解成水平方向和豎直方向兩個(gè)力。作用力如表2所示。將對(duì)應(yīng)點(diǎn)的錨索拉力施加在樁臺(tái)結(jié)構(gòu)上，模型計(jì)算得樁臺(tái)總位移行為變化圖（見圖1），樁基在荷載作用下的位移、內(nèi)力變化圖，如圖2~5。

表2 墩錨碇索力

圖1 錨索拉力下樁臺(tái)總位移

圖2 錨索拉力下樁1、2、3號(hào)位移

圖3 錨索拉力下樁4、5、6號(hào)位移

圖4 錨索拉力下樁1、2、3號(hào)內(nèi)力

圖5 錨索拉力下樁4、5、6號(hào)內(nèi)力

從圖2可以清楚地看到，承臺(tái)在錨索的錨固處附近有顯著的位移，樁基1、2、3號(hào)靠近錨索錨固面，比樁基4、5、6號(hào)樁位移明顯。樁基1、2、3號(hào)位移和內(nèi)力都較大，對(duì)錨索拉力反應(yīng)更大。證明轉(zhuǎn)臺(tái)有沿錨索拉力方向整體的轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，近錨固面的樁拉力較大，遠(yuǎn)側(cè)樁基拉力較小。巖土體的抗力充分發(fā)揮出來(lái)。

3.3 橋梁上部荷載作用

樁臺(tái)在橋梁施工完成后將會(huì)撤掉錨索拉力，成為永久結(jié)構(gòu)用作橋梁墩臺(tái)的基礎(chǔ)，承受橋梁的上部荷載作用。荷載作用下樁臺(tái)總位移變化圖見圖6，各個(gè)樁基的位移、內(nèi)力變化圖見圖7~10。

圖6 橋梁上部荷載下樁臺(tái)總位移

圖7 橋梁上部荷載下樁1、2、3號(hào)位移

圖8 橋梁上部荷載下樁4、5、6號(hào)位移

圖9 橋梁上部荷載下樁1、2、3號(hào)內(nèi)力

橋梁運(yùn)營(yíng)階段的上部荷載作用下，樁臺(tái)整體上比其剛施工完成后在自重作用下的變化不大，承載能力得到保證。但是在圖6中反映出樁臺(tái)的錨索拉力作用下的殘留變形，在卸下錨索力后部分變形不可恢復(fù)。

圖7~圖10中，比較可以看出，近錨索錨固面的樁（樁號(hào)1、2、3）位移和內(nèi)力相對(duì)比遠(yuǎn)側(cè)（樁號(hào)4、5、6）小，橋梁上部荷載相當(dāng)于是對(duì)前階段錨索作用下的“彌補(bǔ)”效果。樁臺(tái)在橋梁施工運(yùn)營(yíng)整個(gè)階段十分可靠。

圖10 橋梁上部荷載下樁4、5、6號(hào)內(nèi)力

4 結(jié)束語(yǔ)

橋梁建設(shè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，樁臺(tái)在橋梁建設(shè)施工期間，在澆筑成型時(shí)承受自重荷載，其后在橋梁上部結(jié)構(gòu)施工中，樁臺(tái)用作錨固結(jié)構(gòu)，承受來(lái)自纜索的斜拉索力，橋梁運(yùn)營(yíng)期間又承受上部結(jié)構(gòu)與車輛荷載。不同荷載作用下，巖土體與樁臺(tái)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不同的內(nèi)力變化和位移變形，工況較為復(fù)雜。為了研究不同荷載下的巖土體與樁臺(tái)的力學(xué)行為，根據(jù)工程實(shí)際情況輔以MIDAS-GTSNX進(jìn)行模擬分析。結(jié)論如下：

（1）豎向往復(fù)荷載作用時(shí)巖土力學(xué)性質(zhì)較好的情況下，作用次數(shù)較少時(shí)，對(duì)巖土體的力學(xué)性質(zhì)影響甚微，巖土體性質(zhì)較差時(shí)影響有所增加。

（2）將橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)永久結(jié)構(gòu)用作錨碇臨時(shí)結(jié)構(gòu)時(shí)，位移變形可控，結(jié)構(gòu)可靠性良好，經(jīng)濟(jì)性高。往復(fù)荷載作用階段結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一定的“彌補(bǔ)”效果。