牂牁江特大桥锚碇摩阻力试验及数值模拟研究_贺林林.pdf
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1、第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022牂牁江特大桥锚碇摩阻力试验及数值模拟研究贺林林1,2,3,赵陈雨1,李志松1,刘洋4(1.重庆交通大学 河海学院,重庆 400074;2.重庆交通大学 国家内河航道整治工程技术研究中心,重庆 400074;3.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室,重庆 400074;4.林同棪国际工程咨询(中国)有限公司,重庆 401121)摘要:为了确保锚碇结构在悬索桥运营期能够提供足够的摩阻力,
2、获取准确可靠的锚碇与基岩之间的摩阻系数至关重要。因此,在纳雍至晴隆高速公路牂牁江特大桥晴隆岸重力式锚碇持力层基岩的实际受力面上进行原位混凝土(C30)与基岩(粉砂质泥岩)接触面抗剪强度试验,对试验所得的抗剪断强度参数和抗剪强度参数进行综合分析。此外,根据实际工程资料借助 ABAQUS 有限元计算软件建立了模拟抗剪断试验过程的数值计算模型对比验证。结果表明:(1)试验确定的该特大桥晴隆岸锚碇混凝土与粉砂质泥岩的抗剪断强度参数标准值为 f=0.56,c=0.20 MPa;(2)数值模拟所得计算结果与试验结果吻合较好,互相验证了两种方法所得结果的正确性;(3)数值模拟方法能够较好地呈现下伏岩体在剪切
3、荷载作用下发生的倾覆现象以及牵引渐进破坏过程。本文所得结果可以为同类试验及工程建设提供参考。关键词:重力式锚碇;接触面;原位试验;剪切强度中图分类号:TU459+.9文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0634-08Frictional Resistance Test and Numerical Simulation Study of Concrete Anchor of Special-Long-Span Bridge over Zangke RiverHe Linlin1,2,3,Zhao Chenyu1,Li Zhisong1,Liu Yang4(1.Schoo
4、l of River and Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P.R.China;2.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P.R.China;3.Key Laboratory of Ministry of Education for Hydraulic and Waterway Engineering,Ch
5、ongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,P.R.China;4.Tyli International Engineering Consulting(China)Co.,Ltd.,Chongqing 401121,P.R.China)Abstract:In order to ensure that the anchorage structure can provide enough friction resistance during the operation period of suspension bridge,it is very imp
6、ortant to obtain accurate and reliable friction coefficient between anchorage and bedrock.Therefore,the shear strength tests of contact surface between in-situ concrete(C30)and bedrock(siltstone)were conducted on the actual bearing surface of the bedrock in the force-bearing layer of the gravity con
7、crete anchor at the Qinglong bank of Specially Long Span Bridge over Zangke River of during Nayong to Qinglong expressway,and the anti-cut strength parameters and shear strength parameters obtained from the tests were comprehensively analyzed based on the in-situ test results.In addition,in order to
8、 verify test results a numerical calculation model was established to simulate the shear resistance test using ABAQUS based on the data of actual engineering.The results show that:(1)The anti-cut strength parameters of the gravity concrete anchor and 收稿日期:2022-03-15(修改稿)作者简介:贺林林(1983),女,黑龙江齐齐哈尔人,博士,
9、副教授,主要从事港口海岸及近海工程结构设计理论及方法、土与结构相互作用领域的教学与科研工作。E-mail:helinl 基金项目:重 庆 市 基 础 与 前 沿 研 究 科 学 基 金(CSTC2018jcyjAX0559);重 庆 市 博 士 后 科 研 项 目 特 别 资 助 项 目(Xm2017188);重庆交通大学研究生科研创新项目(2021S0028)siltstone of the Qinglong bank of specially long-span bridge determined by the test are:f=0.56,c=0.20 MPa.(2)The numer
10、ical simulation calculation results are in good agreement with the test results,which verifies the correctness of the two methods.(3)The numerical simulation method demonstrates the overturning phenomenon and the traction progressive damage process of the underlying rock mass better under the shear
11、load.Thus the results obtained in this paper can provide references for similar experiments and engineering constructions.Keywords:gravity concrete anchor;contact surface;in-situ text;shear strength0引言悬索桥因其造型美观大方、跨越能力大、受力性能好而成为跨越大江大河、山谷险地等交通障碍的首选桥型,其主体结构有主塔、主缆、吊索、加劲梁和锚碇等。主缆通过吊索承受加劲梁传递的竖向荷载,主塔对主缆起到支承
12、作用,共同分担竖向荷载。锚碇结构将主缆的两头锚固,将主缆的拉力传递给基础1,锚碇结构与基础之间的摩阻力大小是影响悬索桥安全运行的关键因素之一,而摩阻力大小取决于接触面的摩阻系数,获取摩阻系数的方法有按现行规范经验取值和试验两种,其中试验的方法又分为模型试验和原位试验2,而两种试验方法中,原位试验获取摩阻系数普遍被认为是最基本且最可靠的方法。关于基岩锚碇摩阻力原位试验的研究,已取得一定成果。吉林等3通过现场剪切和室内试验等手段,研究了不同风化程度、不同粗糙起伏程度以及尺寸效应等因素对润扬大桥南北锚碇地基-混凝土接触面抗剪强度的影响,提出了锚碇范围内基坑结构面的摩阻力和黏聚力取值。王艳芳等4对西猴
13、门大桥锚碇基岩进行承载力和摩阻系数原位试验,在承载力试验中根据试验数据绘制 Q-S 曲线得出基岩测点最低允许承载力,在摩阻试验中得到了各试件应力特征值并进行线性回归分析确定了极限摩阻系数和比例摩阻系数,并与规范的取值标准进 行 对 比 分 析 最 终 建 议 了 摩 阻 系 数 允 许 值 为0.61。白鹏宇等5、邹恩志等6也通过锚碇半成岩基岩原位试验研究了基岩承载力以及摩阻系数。阮波等7基于矮寨悬索大桥锚碇摩阻力现场试验结果,开展了锚碇基岩与混凝土胶结面在峰值强度、比例强度和残余强度下的抗剪强度参数 c、值对比研究。刘洋等8在涪陵青草背长江大桥北锚碇现场进行原位摩阻试验,通过试验测得混凝土与
14、地基持力层基岩接触面的峰值抗剪断强度与抗剪强度,并分别对强度峰值和比例界限点对应的试验值进行曲线拟合得出抗剪强度参数,最后在参考现行相关规范和标准的基础上建议了该桥北锚碇的摩阻系数。谭新等2提出采用抗剪断试验、抗剪试验以及单点摩擦试验来综合确定重力式锚碇摩阻系 数 的 方 法。此 外,肖 世 国 等9基 于 弹 性 理论 Mindlin 解,充分考虑了锚碇前后端的边界条件进行修正,合理简化锚碇侧表面摩阻力表达式,得到了悬索桥隧道式锚碇侧摩阻力的近似解析解,最后将近似解析解与试验结果和数值模拟结果进行对比验证了解析解的可靠性。董志宏等10、黄奶清等11也采用数值模拟的方法研究了锚碇结构的稳定性。
15、可见,原位试验获取锚碇摩阻系数的方法已被广泛运用,但试验难以呈现结构在抗剪断过程的受力、变形等微观情况,而数值模拟恰恰弥补了这一点。本文针对纳雍至晴隆高速公路牂牁江特大桥晴隆岸,通过原位摩阻试验得到试验数据,结合该工程场地的工程地质条件和岩体特性进行综合分析,提出该锚碇工程岩体抗剪断强度参数建议值;同时根据实测资料建立 ABAQUS 有限元计算模型模拟了混凝土试块与基岩接触面的直剪受力过程并与试验结果进行对比分析,本文研究成果可为同类试验与工程建设提供参考与借鉴。1原位摩阻力试验1.1工程及地质概况牂牁江特大桥作为纳雍至兴义高速公路纳雍至晴隆 段 的 重 要 组 成 部 分,如 图 1 所 示
16、,全 长1 849 m,设计为:4 m(桥台)+440 m(装配式 T梁)+1 080 m(钢桁架悬索桥)+(1060)m(钢 混组合梁)+5 m(桥台)。主缆跨度布置为(265+1 080+435)m,矢跨比为 1/10,主缆采用高强度平行镀锌铝合金钢丝,钢丝抗拉强度 1 960 MPa,两岸锚碇均为重力式锚固。主桥加劲梁采用桁高7.5 m 的钢桁梁,桥面系采用 STC 超高性能混凝土组合桥面铺装体系;主塔为门式钢筋混凝土桥塔;桩基采用直径 3.8 m 灌注桩。5362022 年增刊 2贺林林,等:牂牁江特大桥锚碇摩阻力试验及数值模拟研究图 1牂牁江特大桥Fig.1Zangke river
17、special-long-span bridge大桥横跨近东西向的北盘江河谷,该地区地形属于侵蚀-溶蚀峡谷地貌,河谷为典型的喀斯特地区“U”形河谷,河床宽约 300 m,中部以岩溶峡谷为主,岸坡为折线型岸坡由陡坡和陡壁构成。锚碇基底持力层为中风化粉砂质泥岩,灰黑色,粉砂质结构,层状构造,节理裂隙较发育,主要矿物成分为长石及粘土矿物等;岩芯较完整且多呈1030 cm 柱状,岩质较硬,锤击声清脆,岩芯采取率约为 90%,回次 RQD=36%。岩石饱和单轴抗压强度 平 均 值 为 frk=2.37 13.03 MPa,平 均 值7.2 MPa。1.2试验点布置本次试验严格按照现行规范、标准12-17
18、进行设计与操作,并根据开挖揭露的情况选取有代表性和具备试验条件的位置布置试验点。经分析,选定在锚碇前部和后部各进行一组天然含水率状态下的混凝土试块与基岩接触面的直剪试验,试验点位置如图 2 所示。图 2试验点布置Fig.2Layout of test site1.3试块的设计及布置首先,在试验点预定位置钻孔打入锚杆进行锚固,锚杆采用直径 22 mm 钢筋,锚孔直径 42 mm,锚固深度 3 m。随后开始试块的制备,混凝土试块尺寸为 500 mm 500 mm 400 mm,在距离混凝土试块后方 500 mm 位置处设置有一个尺寸为6 200 mm 1 000 mm 500 mm 混凝土反力后座
19、,如图 3 所示。混凝土选用的标号及配比均与实桥锚碇一致,按 C30 等级人工现场配制,浇筑前将试点面清洗干净,保证岩石接触面的起伏差为 5 10 mm,并在试点面上铺设一层 20 mm 厚的砂浆,再进行混凝土试块的浇筑,分层进行振捣,现场 2组共 12 个混凝土试块一次性浇筑完成,混凝土试块设计布置图如图 3 所示。每组试块在浇筑时,需再浇筑 6 个 150 mm 150 mm 150 mm 标准试件,混凝土标准试件与混凝土试块在相同条件下养护,待达到相应的强度等级后开始试验。图 3混凝土试块设计及布置Fig.3Design and layout of concrete block1.4试验
20、装置设计现场摩阻力试验装置由加载系统和测量系统组成,如图 4 所示。(1)加载系统:荷载通过千斤顶与反力系统相互作用传递给试块。正应力反力装置由“锚杆+钢梁”构成,剪应力反力装置由“大体积混凝土+锚杆”构成,正应力和剪应力均采用 1 000 kN 单向千斤顶施加,剪力千斤顶加载方向与锚碇受拉方向一致。(2)测量系统:混凝土试块底部两侧对称设置2 个量测标点,试验进行时每个标点上安装一个竖直向和一个水平向的百分表,用于监测混凝土试块剪切破坏过程中的位移变化情况。1.5试验方法及步骤本次直剪试验采用平推法进行,需在试块受力636地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷图 4试验装置Fig.4
21、Test equipment面上垫一块垫板,垫板垂直于预定剪切面。垫板后面依次为千斤顶、反力装置。每组试验 6 个试块分别在 6 个不同的法向荷载(0.0 MPa、0.30 MPa、0.60 MPa、0.92 MPa、1.19 MPa 和 1.49 MPa)作用下进行剪切。具体步骤为:(1)在施加法向荷载前,测读各位移表初始值,随后采用时间控制方式进行法向荷载加载,法向荷载分三级施加,每 5 min 施加一级荷载,加载后立即测读每级荷载下法向百分表位移读数,5 min 后再测读一次,并施加下一级荷载。施加至预定荷载后,每5 min 测读一次,两次读数之差不大于 0.01 mm 时,保持法向荷载
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