基于幾何相似比的懸索橋隧道錨承載全過程試驗(yàn)研究

基于幾何相似比的懸索橋隧道錨承載全過程試驗(yàn)研究

0國內(nèi)外隧道錨形式建造實(shí)例懸索橋的主橋接受橋的所有負(fù)荷，最終將負(fù)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(hù)自然環(huán)境、節(jié)約投資具有重要意義。同時,隧道錨充分利用和調(diào)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(yīng)用前景十分廣闊。懸索橋采用隧道錨方案最為經(jīng)濟(jì)合理，但截至目前，在隧道錨國內(nèi)外已建的工程中應(yīng)用的不多，可供參考的實(shí)例有限。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前國內(nèi)外懸索橋采用隧道錨形式建造實(shí)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(nèi)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(yàn)和數(shù)值研究方法為主，而現(xiàn)場原位試驗(yàn)確定的巖體參數(shù)具有明顯的尺寸效應(yīng)為深刻認(rèn)識隧道錨-圍巖系統(tǒng)的承載性能及破壞形態(tài)，揭示一定地質(zhì)條件下隧道錨承載過程中內(nèi)在的力學(xué)機(jī)制，作者以云南省某懸索橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^一定相似比條件下隧道錨承載全過程的破壞性試驗(yàn)，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(guī)律，并采用數(shù)值計(jì)算方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證研究。1隧道錨室內(nèi)模型試驗(yàn)1.1懸索橋橋址區(qū)依托工程為云南省某特大橋，南為隧道錨，北為重力錨。引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，主橋?yàn)閱慰鐟宜鳂?。設(shè)計(jì)為整體式橋梁，橋面凈寬為23.50m，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)單纜荷載為95824kN。懸索橋橋址區(qū)位于構(gòu)造侵蝕、剝蝕深切峽谷地貌單元區(qū)，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(cè)呈“V”形谷，谷坡地形陡峭，屬暖溫帶高原季風(fēng)氣候。1.2室內(nèi)模型試驗(yàn)方案和結(jié)果1.2.1模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)1）相似比。綜合考慮室內(nèi)模型試驗(yàn)的尺度及試驗(yàn)器材測量水準(zhǔn)以及模型材料配制的難易程度，選取幾何相似常數(shù)2）試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)設(shè)備見圖3，依據(jù)擬定幾何相似比，為消除模型邊界效應(yīng)影響，框架設(shè)計(jì)尺寸為2.0m×1.5m×1.0m。試驗(yàn)采用支撐將模型試驗(yàn)箱一側(cè)頂起，并傾斜至實(shí)際地形坡角26°。試驗(yàn)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(yàn)分組。室內(nèi)模型試驗(yàn)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(yàn)的材料制備。依據(jù)工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)的錨碇制備。從隧道錨力學(xué)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(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)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(nèi)模型試驗(yàn)承載力的確定方法。因懸索橋?qū)Y(jié)構(gòu)變形極為敏感，模型試驗(yàn)主要依據(jù)試驗(yàn)中錨碇的荷載-位移關(guān)系曲線來確定其承載力1.2.2錨碇錨政荷載分析1)試驗(yàn)結(jié)果。Ⅲ類圍巖模型試驗(yàn)的主要試驗(yàn)結(jié)果見表3。Ⅳ圍巖模型試驗(yàn)的主要試驗(yàn)結(jié)果見表4。2)模型試驗(yàn)的結(jié)果。模型試驗(yàn)主要過程及其詳細(xì)分析見文獻(xiàn)[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(dāng)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(dāng)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(shù)據(jù)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(dāng)，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(shù)據(jù)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(yuǎn)小于Ⅲ類圍巖。3）隧道錨-圍巖系統(tǒng)的破壞現(xiàn)象。試驗(yàn)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(wěn)，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(xiàn)局部微裂紋，最后地表呈現(xiàn)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(shù)學(xué)建模和分析限于時間和經(jīng)費(fèi)原因，物理模型試驗(yàn)數(shù)量有限，僅能研究幾類問題的幾個點(diǎn)，而且影響試驗(yàn)結(jié)果的因素很多；而數(shù)值試驗(yàn)可以假定理論的數(shù)學(xué)力學(xué)邊界條件，實(shí)現(xiàn)對影響試驗(yàn)結(jié)果因素的剔除，有利于規(guī)律性的探討，是物理試驗(yàn)的有力補(bǔ)充和延伸。從試驗(yàn)結(jié)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(jìn)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(yàn)為基礎(chǔ)，采用快速拉格朗日分析法(FLAC2.1支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析由于相似材料的配制難以滿足理論相似比要求，數(shù)值模擬將進(jìn)行以下分析：1）III類圍巖的試驗(yàn)參數(shù)和理論強(qiáng)度相似比參數(shù)的數(shù)值分析；2）III~IV類圍巖的試驗(yàn)參數(shù)和理論強(qiáng)度相似比參數(shù)的數(shù)值分析；3）考慮IV圍巖的變形和強(qiáng)度參數(shù)變化范圍，對埋深30cm的長錨體進(jìn)行了變形和強(qiáng)度參數(shù)的敏感性分析（包括黏聚力和內(nèi)摩擦角），并對埋深30cm的長、短錨碇模型試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬對比。根據(jù)前述的室內(nèi)模型試驗(yàn)的幾何相似比1：200，則彈性模量2.2計(jì)算模型的參數(shù)根據(jù)室內(nèi)模型的材料配合比，圍巖和錨碇的材料參數(shù)如表6所示。2.3錨體模型數(shù)值模型采用三維數(shù)值模型來模擬。計(jì)算模型的圍巖、膠結(jié)面和錨體均采用六面體實(shí)體單元來模擬。計(jì)算邊界條件為:底面位移全部約束，頂面自由，側(cè)面法向位移約束。2.4室內(nèi)模型試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果數(shù)值試驗(yàn)采用室內(nèi)模型試驗(yàn)承載力確定方法，即錨體位移0.1mm對應(yīng)巖錨系統(tǒng)的允許荷載從表7可以看出:室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果和采用相應(yīng)材料參數(shù)的數(shù)值分析結(jié)果基本一致，兩者之間的比例關(guān)系表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果能夠反映模型試驗(yàn)。由于室內(nèi)模型材料無法配制到理論相似比，因此通過室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果、采用模型試驗(yàn)材料參數(shù)和采用理論相似比材料參數(shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果之間的關(guān)系來確定理論相似比情況下隧道錨的承載能力。室內(nèi)模型試驗(yàn)、模型試驗(yàn)材料參數(shù)數(shù)值計(jì)算、理論相似比的材料參數(shù)數(shù)值計(jì)算的允許承載力關(guān)系見圖10。室內(nèi)模型試驗(yàn)、模型試驗(yàn)材料參數(shù)數(shù)值計(jì)算得到的允許承載力關(guān)系為：/模型試驗(yàn)材料參數(shù)、理論相似比的材料參數(shù)數(shù)值計(jì)算的允許承載力關(guān)系為：/根據(jù)這兩個關(guān)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(shù)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(tǒng)承載力的影響由于III類圍巖的相似材料養(yǎng)護(hù)周期較長，無法進(jìn)行隧道錨的多種埋深的室內(nèi)模型試驗(yàn)，因此以短錨碇為例，采用數(shù)值方法分析不同埋深情況下隧道錨的允許承載力，其結(jié)果如圖11所示。從前述的Ⅳ類圍巖的隧道錨室內(nèi)模型試驗(yàn)可知，錨體在達(dá)到一定埋深之后，隨著埋深的繼續(xù)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(tǒng)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(rèn)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(yīng)的影響。由于本次計(jì)算采用的模型是按照試驗(yàn)實(shí)際情況設(shè)置的，即長×寬×高為1m×1m×1m。當(dāng)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(tǒng)承載力。因此，如果數(shù)值計(jì)算中增加計(jì)算范圍，盡量消除邊界效應(yīng)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(guī)律與IV類圍巖的隧道錨室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果一致。2）模型的本構(gòu)問題。實(shí)際室內(nèi)試驗(yàn)的材料是由以粗砂為主并加以少量的石膏和重晶石粉構(gòu)成，并不是連續(xù)介質(zhì)，然而數(shù)值仿真分析采用的是連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理進(jìn)行分析的。模型試驗(yàn)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(zhì)來說，影響范圍相對較小，而對連續(xù)介質(zhì)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(dǎo)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(tǒng)物理模型分析基準(zhǔn)模型的計(jì)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(shù)如表6所示?；鶞?zhǔn)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(diǎn)為位移監(jiān)測點(diǎn)，繪制的錨體荷載-位移曲線如圖12所示。由圖12可見：當(dāng)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(guān)系；當(dāng)拉拔荷載大于10倍纜力時，錨體荷載與位移曲線呈現(xiàn)快速增長的狀態(tài)，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(jìn)入塑性并逐漸擴(kuò)展，巖錨系統(tǒng)整體逐漸失效。2）塑性區(qū)變化規(guī)律分析。為了解基準(zhǔn)模型加載至失效時，巖土體內(nèi)塑性區(qū)的發(fā)生、發(fā)展過程，將不同拉拔荷載下的塑性區(qū)分布圖統(tǒng)計(jì)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(qū)從錨碇與圍巖結(jié)合部先行產(chǎn)生，并逐步擴(kuò)展；當(dāng)施加1倍纜力時，巖土體只有少數(shù)幾個單元的進(jìn)入塑性狀態(tài)，而錨體周圍的巖土體都處于彈性狀態(tài)(圖13a)；當(dāng)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(qū)表明靠近錨碇周圍的巖土體全部進(jìn)入塑性狀態(tài)(圖13c)；當(dāng)荷載逐步增加至16倍時，可以清楚地看到塑性區(qū)逐步向錨體周圍巖土體和地表擴(kuò)展的過程(圖13d)。從圖8可見：錨體和地表附近的巖土體發(fā)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(jié)果與室內(nèi)模型的試驗(yàn)結(jié)果所看到的現(xiàn)象是相吻合的。根據(jù)塑性區(qū)的擴(kuò)展形態(tài)可以知：基準(zhǔn)模型的錨體周圍的接觸部分全部進(jìn)入塑性所需要的拉拔荷載為12倍設(shè)計(jì)纜力；塑性區(qū)向巖土體內(nèi)部擴(kuò)展并延伸至地表需要的拉拔荷載為16倍設(shè)計(jì)纜力。3）地表荷載－位移曲線。巖土體表面變形信息是所有監(jiān)測中最直接和便捷的監(jiān)測變量，達(dá)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(nèi)部的變形或者低于毫米級則需要其他監(jiān)測元器件獲取。物理模型試驗(yàn)在表面十字形架設(shè)了兩列百分表，這個數(shù)據(jù)能很好地表現(xiàn)土-錨系統(tǒng)相互作用的影響范圍，也便于與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行相互校核，結(jié)果見圖14所示。從圖14中可以看出：當(dāng)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(jì)算模型傾斜了26°，地表位移的最大點(diǎn)不是在中心點(diǎn)，而是稍微偏離中心點(diǎn)。并且，豎向位移從最大點(diǎn)向兩側(cè)位移逐漸減小，這和塑性區(qū)分布大體相當(dāng)。3數(shù)值計(jì)算結(jié)果和分析3.1數(shù)值計(jì)算結(jié)果數(shù)值計(jì)算分別選取錨體的位移達(dá)到0.1，0.5mm為標(biāo)準(zhǔn)來作為巖錨系統(tǒng)的允許承載力和極限承載力的控制標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表9。實(shí)際應(yīng)用中，偏于安全考慮，允許承載力應(yīng)縮小一倍，室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的允許承載力比較接近。3.2基準(zhǔn)模型測試結(jié)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(shù)值模擬試驗(yàn)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(biāo)與基準(zhǔn)模型相同。根據(jù)基準(zhǔn)模型的錨體荷載—位移曲線和塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律進(jìn)行探討，后續(xù)分析均在12倍纜力下進(jìn)行討論。受篇幅所限，下面僅列出圍巖類別因素（黏聚力和內(nèi)摩擦角）影響的研究結(jié)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(zhǔn)模型的巖土體黏聚力根據(jù)圖16可知：隨著黏聚力的增加，發(fā)生塑性的單元逐漸減少。在黏聚力c.總位移場變化規(guī)律?？偽灰茍龇植记闆r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?yàn)轲ぞ哿Φ脑黾?，使得巖土體的材料強(qiáng)度增大，進(jìn)入塑性的單元會逐漸減少，從而導(dǎo)致位移的減小。2)內(nèi)摩擦角敏感性分析。從表6可知基準(zhǔn)模型的巖土體內(nèi)摩擦角a.錨碇荷載—位移曲線。從圖18可見：1)隨著內(nèi)摩擦角的增加，相同纜力下錨體位移逐漸減小。這是由于內(nèi)摩擦角的增加，導(dǎo)致巖土體的材料強(qiáng)度越高，進(jìn)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(nèi)摩擦角的變化不敏感。此刻只有少許單元進(jìn)入塑性，錨體周圍巖土體并沒有達(dá)到大面積的破壞。3)隨著纜力的增加，錨體的位移因內(nèi)摩擦角的不同差異變大，內(nèi)摩擦角越大，錨體位移越小。b.塑性區(qū)分布規(guī)律。拉拔荷載為12