基于幾何相似比的懸索橋隧道錨承載全過程試驗研究

0國內外隧道錨形式建造實例懸索橋的主橋接受橋的所有負荷，最終將負荷傳遞到錨定在地面上。目前常見有重力式錨碇和隧道式錨碇。相對于重力錨，隧道錨更加有效地減少開挖量和混凝土用量，對保護自然環境、節約投資具有重要意義。同時,隧道錨充分利用和調動邊坡深層巖體的承載潛力，可廣泛適用于高山峽谷等山地地形，工程應用前景十分廣闊。懸索橋采用隧道錨方案最為經濟合理，但截至目前，在隧道錨國內外已建的工程中應用的不多，可供參考的實例有限。據統計目前國內外懸索橋采用隧道錨形式建造實例較少。國外有1932年美國華盛頓橋、1936年美國舊金山-奧克蘭海灣橋、1964年英國福斯公路橋、1997年瑞典霍加庫斯騰橋、1977年挪威克瓦爾松橋、1988年日本下津井瀨戶橋分別采用了隧道錨。國內有廣東虎門大橋、湖北四渡河大橋、貴州培陵河大橋等約11座從隧道錨的研究方法來看，目前以原位模型試驗和數值研究方法為主，而現場原位試驗確定的巖體參數具有明顯的尺寸效應為深刻認識隧道錨-圍巖系統的承載性能及破壞形態，揭示一定地質條件下隧道錨承載過程中內在的力學機制，作者以云南省某懸索橋為工程背景，通過一定相似比條件下隧道錨承載全過程的破壞性試驗，研究錨碇長度、埋深、圍巖類別等對隧道錨承載特性影響及變化規律，并采用數值計算方法對試驗結果進行對比驗證研究。1隧道錨室內模型試驗1.1懸索橋橋址區依托工程為云南省某特大橋，南為隧道錨，北為重力錨。引橋為預應力混凝土連續梁，主橋為單跨懸索橋。設計為整體式橋梁，橋面凈寬為23.50m，設計荷載為公路Ⅰ級，橋長為964m，主跨為628m，橋面凈寬為24.5m，南岸主墩塔高為154.3m，北岸主塔高為162.2m，設計單纜荷載為95824kN。懸索橋橋址區位于構造侵蝕、剝蝕深切峽谷地貌單元區，橋軸線方向139°，近正交跨越大溝。溝谷貫穿北西至南東方向，溝谷兩側呈“V”形谷，谷坡地形陡峭，屬暖溫帶高原季風氣候。1.2室內模型試驗方案和結果1.2.1模型試驗設計1）相似比。綜合考慮室內模型試驗的尺度及試驗器材測量水準以及模型材料配制的難易程度，選取幾何相似常數2）試驗裝置。試驗設備見圖3，依據擬定幾何相似比，為消除模型邊界效應影響，框架設計尺寸為2.0m×1.5m×1.0m。試驗采用支撐將模型試驗箱一側頂起，并傾斜至實際地形坡角26°。試驗采用后錨面加載方式，將鋼絞線穿過錨碇固定于后錨面，然后通過反力架上的千斤頂施加所需荷載。3)模型試驗分組。室內模型試驗主要考慮錨碇長度、圍巖類別和埋深對隧道錨承載能力的影響4)模型試驗的材料制備。依據工程巖體分級標準圍巖Ⅲ類：圍巖Ⅳ類：模型相似材料以砂為主，配以石膏、石灰、水泥、重晶石粉和水配置模型材料5)模型試驗的錨碇制備。從隧道錨力學模型來看，三向圍壓下配筋的混凝土錨碇不易破壞。本次試驗將錨碇模型按相似比確定基本尺寸并簡化為變直徑剛性圓柱體，試驗設計的長、短剛性錨碇見圖6。短錨碇尺寸：直徑，上4.5cm;下6.5cm，高8.5cm。長錨碇尺寸：直徑，上4.5cm，下6.5cm，高17cm。6）隧道錨室內模型試驗承載力的確定方法。因懸索橋對結構變形極為敏感，模型試驗主要依據試驗中錨碇的荷載-位移關系曲線來確定其承載力1.2.2錨碇錨政荷載分析1)試驗結果。Ⅲ類圍巖模型試驗的主要試驗結果見表3。Ⅳ圍巖模型試驗的主要試驗結果見表4。2)模型試驗的結果。模型試驗主要過程及其詳細分析見文獻[a.Ⅲ、IV類圍巖條件下，深埋錨碇相比淺埋錨碇的承載力，不論長錨碇或短錨碇，當錨碇埋深較大時，其允許荷載和極限荷載都有明顯提高。即同等圍巖條件下，適當加大埋深可顯著提高隧道錨承載力。以III類圍巖為例，短錨碇埋深80，30cm時，埋深80cm相比30cm的允許荷載提高67%，極限荷載提高50%，其他數據對比見表5。以表4中長、短錨碇埋深40cm為界，錨碇的允許荷載超過此深度后增加不明顯，這意味著較差圍巖條件下，增加埋深并不能明顯提高承載力。b．表3中，同處Ⅲ類圍巖埋深30cm左右時，長、短錨碇允許荷載和極限荷載均相近，埋深80cm短錨碇與埋深90cm長錨碇的允許荷載相當，極限荷載有一定差異；表4中，同處IV類圍巖和埋深60cm時，長、短錨碇的允許荷載和極限荷載均相近；埋深30cm時，長錨碇的允許荷載略大于短錨碇，極限荷載則略小于短錨碇。綜合前面對表3、表4的分析，可知錨碇長度對隧道錨承載力影響較小。c.表3和表4的數據顯示:不論長、短錨碇，也不論錨碇埋深是否相同，IV類圍巖條件下其允許荷載和極限荷載均遠小于Ⅲ類圍巖。3）隧道錨-圍巖系統的破壞現象。試驗表明：在極限荷載之前，從變形增量來看后一級荷載略大于前一級荷載，位移增長平穩，模型材料表面尚未見微裂紋；極限荷載之后，模型材料和錨碇位移量均明顯增大，加載至某時刻模型材料表面某處開始出現局部微裂紋，最后地表呈現放射狀裂縫，整體來看地表破壞范圍呈圓形(圖8)。2有利于數學建模和分析限于時間和經費原因，物理模型試驗數量有限，僅能研究幾類問題的幾個點，而且影響試驗結果的因素很多；而數值試驗可以假定理論的數學力學邊界條件，實現對影響試驗結果因素的剔除，有利于規律性的探討，是物理試驗的有力補充和延伸。從試驗結果來看，圍巖類別和埋深是決定隧道錨承載性能的主要因素。為進一步深入研究埋深與圍巖類別對隧道錨承載性能影響，以本次模型試驗為基礎，采用快速拉格朗日分析法(FLAC2.1支護結構的數值分析由于相似材料的配制難以滿足理論相似比要求，數值模擬將進行以下分析：1）III類圍巖的試驗參數和理論強度相似比參數的數值分析；2）III~IV類圍巖的試驗參數和理論強度相似比參數的數值分析；3）考慮IV圍巖的變形和強度參數變化范圍，對埋深30cm的長錨體進行了變形和強度參數的敏感性分析（包括黏聚力和內摩擦角），并對埋深30cm的長、短錨碇模型試驗進行了數值模擬對比。根據前述的室內模型試驗的幾何相似比1：200，則彈性模量2.2計算模型的參數根據室內模型的材料配合比，圍巖和錨碇的材料參數如表6所示。2.3錨體模型數值模型采用三維數值模型來模擬。計算模型的圍巖、膠結面和錨體均采用六面體實體單元來模擬。計算邊界條件為:底面位移全部約束，頂面自由，側面法向位移約束。2.4室內模型試驗驗證結果數值試驗采用室內模型試驗承載力確定方法，即錨體位移0.1mm對應巖錨系統的允許荷載從表7可以看出:室內模型試驗結果和采用相應材料參數的數值分析結果基本一致，兩者之間的比例關系表明數值計算結果能夠反映模型試驗。由于室內模型材料無法配制到理論相似比，因此通過室內模型試驗結果、采用模型試驗材料參數和采用理論相似比材料參數的數值計算結果之間的關系來確定理論相似比情況下隧道錨的承載能力。室內模型試驗、模型試驗材料參數數值計算、理論相似比的材料參數數值計算的允許承載力關系見圖10。室內模型試驗、模型試驗材料參數數值計算得到的允許承載力關系為：/模型試驗材料參數、理論相似比的材料參數數值計算的允許承載力關系為：/根據這兩個關系式，可以得到理論相似比條件下隧道錨允許承載力為：＝(1.2~1.6)鑒于兩者之間的比例系數范圍較小，因此偏于安全考慮，取2.4.1錨碇埋深對巖錨系統承載力的影響由于III類圍巖的相似材料養護周期較長，無法進行隧道錨的多種埋深的室內模型試驗，因此以短錨碇為例，采用數值方法分析不同埋深情況下隧道錨的允許承載力，其結果如圖11所示。從前述的Ⅳ類圍巖的隧道錨室內模型試驗可知，錨體在達到一定埋深之后，隨著埋深的繼續增加，隧道錨的允許承載力基本不變。對于III類圍巖，從圖11可以看出：隨著錨碇埋深的增加，巖錨系統的允許承載力雖然一直在增加，但是在錨碇埋深超過50cm以后，允許承載力增加幅度下降，可以認為錨碇埋深超過50cm之后，其承載力基本不再增加，分析其原因主要有以下兩方面。1）模型邊界效應的影響。由于本次計算采用的模型是按照試驗實際情況設置的，即長×寬×高為1m×1m×1m。當錨體埋深增加時，錨體底部和巖土體底部的距離逐漸減小，這樣就會受到底部邊界約束的影響，可以一定程度的提高巖錨系統承載力。因此，如果數值計算中增加計算范圍，盡量消除邊界效應的影響，錨碇埋深超過50cm后，允許承載力基本上增加很少，這個規律與IV類圍巖的隧道錨室內模型試驗結果一致。2）模型的本構問題。實際室內試驗的材料是由以粗砂為主并加以少量的石膏和重晶石粉構成，并不是連續介質，然而數值仿真分析采用的是連續介質力學原理進行分析的。模型試驗是拉拔荷載通過錨碇傳遞給其周邊部分的巖體，對于離散介質來說，影響范圍相對較小，而對連續介質來說，影響范圍相對較大，隨著錨碇埋深的增加，這種影響更加明顯，兩者的影響范圍差別會增大。這也導致錨碇埋深超過50cm之后，其承載力還是有小幅提高。2.4.2土-錨系統物理模型分析基準模型的計算尺寸為：長錨碇（上、下半徑分別為4.5，6.5cm，高度為17cm），錨體埋深為30cm(錨體底部至模型表面的距離)。巖土體材料參數如表6所示。基準模型的加載方式：采用FLAC1)錨碇荷載-位移曲線。選取錨體頂面的中心點為位移監測點，繪制的錨體荷載-位移曲線如圖12所示。由圖12可見：當拉拔荷載小于10倍纜力時，錨體的荷載與位移變化基本呈線性關系；當拉拔荷載大于10倍纜力時，錨體荷載與位移曲線呈現快速增長的狀態，這表示在荷載大于10倍纜力之后，錨體和巖土體的接觸部分快速進入塑性并逐漸擴展，巖錨系統整體逐漸失效。2）塑性區變化規律分析。為了解基準模型加載至失效時，巖土體內塑性區的發生、發展過程，將不同拉拔荷載下的塑性區分布圖統計列于圖13中。這里截取錨體中間剖面（由圖13可知：由于力的傳遞作用，塑性區從錨碇與圍巖結合部先行產生，并逐步擴展；當施加1倍纜力時，巖土體只有少數幾個單元的進入塑性狀態，而錨體周圍的巖土體都處于彈性狀態(圖13a)；當施加12倍纜力時，錨體前錨面和后錨面的周圍巖土體的塑性區表明靠近錨碇周圍的巖土體全部進入塑性狀態(圖13c)；當荷載逐步增加至16倍時，可以清楚地看到塑性區逐步向錨體周圍巖土體和地表擴展的過程(圖13d)。從圖8可見：錨體和地表附近的巖土體發生大面積的塑性并且貫通。錨碇附近的巖土以剪切破壞為主，靠近地表的巖體以拉破壞為主。這個結果與室內模型的試驗結果所看到的現象是相吻合的。根據塑性區的擴展形態可以知：基準模型的錨體周圍的接觸部分全部進入塑性所需要的拉拔荷載為12倍設計纜力；塑性區向巖土體內部擴展并延伸至地表需要的拉拔荷載為16倍設計纜力。3）地表荷載－位移曲線。巖土體表面變形信息是所有監測中最直接和便捷的監測變量，達到毫米級的變形通過普通手段就可以方便地獲取，而土體內部的變形或者低于毫米級則需要其他監測元器件獲取。物理模型試驗在表面十字形架設了兩列百分表，這個數據能很好地表現土-錨系統相互作用的影響范圍，也便于與數值結果進行相互校核，結果見圖14所示。從圖14中可以看出：當施加荷載比較小時，地表的位移基本呈對稱分布。逐漸增大荷載，由于計算模型傾斜了26°，地表位移的最大點不是在中心點，而是稍微偏離中心點。并且，豎向位移從最大點向兩側位移逐漸減小，這和塑性區分布大體相當。3數值計算結果和分析3.1數值計算結果數值計算分別選取錨體的位移達到0.1，0.5mm為標準來作為巖錨系統的允許承載力和極限承載力的控制標準，數值計算結果見表9。實際應用中，偏于安全考慮，允許承載力應縮小一倍，室內模型試驗結果如表7所示，試驗結果與數值計算結果的允許承載力比較接近。3.2基準模型測試結果由于隧道錨承載力主要受埋深、錨碇長度、圍巖類別等因素影響，數值模擬試驗研究也圍繞這寫因素展開。需說明的是，所有研究均是只改變某一個條件因素，其余指標與基準模型相同。根據基準模型的錨體荷載—位移曲線和塑性區發展規律進行探討，后續分析均在12倍纜力下進行討論。受篇幅所限，下面僅列出圍巖類別因素（黏聚力和內摩擦角）影響的研究結果。1)黏聚力敏感性分析。a.錨碇荷載-位移曲線。從表6可知，IV類圍巖基準模型的巖土體黏聚力根據圖16可知：隨著黏聚力的增加，發生塑性的單元逐漸減少。在黏聚力c.總位移場變化規律。總位移場分布情況將截取錨體中心剖面從圖17和表10可見：隨著黏聚力的增加，錨體周圍巖土體的總位移最小值基本不變，最大值逐漸減小。這是因為黏聚力的增加，使得巖土體的材料強度增大，進入塑性的單元會逐漸減少，從而導致位移的減小。2)內摩擦角敏感性分析。從表6可知基準模型的巖土體內摩擦角a.錨碇荷載—位移曲線。從圖18可見：1)隨著內摩擦角的增加，相同纜力下錨體位移逐漸減小。這是由于內摩擦角的增加，導致巖土體的材料強度越高，進入屈服需要的拉拔荷載越大。2)在纜力較小的時候，錨體的位移對內摩擦角的變化不敏感。此刻只有少許單元進入塑性，錨體周圍巖土體并沒有達到大面積的破壞。3)隨著纜力的增加，錨體的位移因內摩擦角的不同差異變大，內摩擦角越大，錨體位移越小。b.塑性區分布規律。拉拔荷載為12