锚碇系统

锚碇系统（共7篇）

锚碇系统 篇1

0 引 言

悬索桥是目前公认跨越能力最强的一种桥型[1]。悬索桥在充分发挥材料性能和加劲梁的高跨比两方面具有显著的优势,因而具有旺盛的生命力,是跨越海峡、江河、峡谷的理想选择,因此悬索桥设计施工技术在西部地区将具有十分广阔的应用前景。其中锚碇是主要承力的结构、锚固主缆的关键部分,有自锚式和地锚式两类,地锚式又有重力式和隧道式之分[2,3]。隧道锚能较好地利用锚址区的地质条件,工程量相对小(体量仅为重力锚的20%~25%),是一种性价比高、对周边环境扰动小的锚碇结构形式,在避免大规模开挖、节约投资、保护自然环境等方面具有明显优势。但隧道锚的设计受修建锚址区围岩地质的影响较大,宜在节理较少、完整性好的岩体条件下布置,这对隧道锚的工程应用形成了制约。迄今为止,国内外采用大吨位隧道锚建成的大跨度悬索桥还很少。

目前特大悬索桥隧道锚的应用经验和文献资料较少,对于隧道锚围岩在主缆拉拔作用下的变形、荷载传递及破坏模式的认识还很不清楚,制约了对锚碇围岩工作性状和承载能力的认识,阻碍了隧道锚稳定设计计算方法的发展,限制了隧道锚在西部山区交通建设中的广泛使用。

目前关于隧道锚的研究主要是采用原位模型试验的方法,如广东虎门大桥[4]、重庆鹅公岩大桥[5]、湖北四渡河大桥[6]和贵州坝陵河大桥[7]等。然而,原位模型试验需要耗费大量的人力和物力。针对上述大桥,也采用了数值方法进行了围岩的稳定性分析和研究。然而,上述研究均是针对某一个工程隧道锚-围岩系统进行分析研究,关于均质岩体中锚体在拉拔荷载作用下的破坏机制并未见到相关文献。本文将采用数值模拟的方法研究隧道式锚碇- 围岩系统在拉拔荷载作用下的破坏机理,为正确认识隧道式锚碇-围岩系统的破坏提供了保证。

1 数值仿真模型

1.1 计算选取的本构模型简介

由于考虑的是锚塞体在拉拔荷载作用下岩土的破坏情况,土体的破坏包含了拉———剪破坏。因此我们这里混凝土锚 锭采用线弹性模型,岩土体本构模型采用考虑拉破坏的莫尔-库仑弹塑性模型。

Mohr-Columb准则在主应力空间的描述如图1,复合准则在(σ1,σ2)平面上的 描述如图2,图2中A到B点为MohrColumb屈服准则f′=0,其中f′可表示为公式:

式中:为内摩擦角;c为黏聚力。

图2中的B到C为拉破坏准则ft=0,其中ft可以表示为下式:

式中:σt为抗拉强度(抗拉强度的最大值

塑性势函数分别由剪切塑性流动函数gs和张拉塑性流动函数gt表示,它们分别表示如下:

式中相关参数的意义可参考abaqus6.12的帮助文件,这里不再赘述。

1.2 计算模型

数值仿真模型形状如图3(a)所示。其中计算模型的尺寸为:100cm×100cm×100cm;锚体的前后锚面半径分别为4.5cm和6.5cm,高度为17cm。由于锚塞体具有轴对称的性质,且锚体的直径和周围岩土体模型的长度之比为1∶7.5(大于1∶3),说明岩土体的模型尺寸远远大于锚体受力的影响范围。因此,为了简化分析过程和计算量,我们根据轴对称原理,将这个三维问题简化为轴对称模型进行计算,如图3(b)所示。

1.3 计算参数及边界条件

由于这里研究的是隧道式锚碇-围岩系统的破坏机理,因此研究对象涉及岩土体和锚碇两种材料(其中二者的接触面认为不会发生破坏)。其中锚碇为钢筋混凝土材料,认为是弹性材料;周围土体视为弹塑 性材料,各材料物 理力学参 数见表1所示。其中需要说明的是,这里的计算模型和根据相似试验建立的物理模型相匹配的,因此岩土体的材料参数也是相似材料的参数。

根据上拔荷载作用下锚碇的受力特征,数值模型的边界条件为:模型的底面及侧面为法向约束,土体上表面为自由边界,锚碇底部施加垂直向上的位移,最大位移为60mm。

2 数值仿真结果分析

2.1 锚体荷载-位移曲线

选取锚体底部中心点为荷载位移监测点,计算直到难以再继续加载或者不收敛终止。根据计算过程提取的监测点数据,绘制荷载-位移曲线,见图4所示。

从图4中可以看出,加载过程可以分为两个阶段,弹性阶段和塑性阶段。在弹性阶段,变形基本同荷载保持直线变化,当加载达到某一值时,变形增量大于荷载的增量,最终,荷载保持为某一极值,变形继续增大,表现为流动变形直至最终破坏,锚碇-围岩系统达到极限状态。

2.2 塑性区变化规律分析

为了解模型加载过程中,锚体-围岩系统失效过程中岩土体内塑性区的发生、发展过程,将不同加载步下的等效塑性应变云图统计列于图5。从图5(a)可知,塑性区从锚塞体与围岩结合部由于力的传递先行产生,并逐步扩展。从图5(a)~(d)可以清楚地看到这个逐 步上外和 向上的扩 展过程,加载步60时贯通至地面。这时依然可承受载荷,直到加载步3 345时[图5(f)],不能再继续承受荷载为止,这时计算不收敛。

2.3 总位移场变化规律分析

将不同加载步下的位移云图统计列于图6。

从图6(a)~(d)可知,总位移场云图扩展至地表时对应的总位移最大最小值分别为5.19mm和0mm,最小值为0说明土体中还有没发生变形的区域,变形和破坏仅仅是局部发生;图6(e)~(f)在塑性应变扩展至地表后逐步发展形成贯通性滑动面,土-锚系统达到所称承受荷载的极限,对应的总位移最大最小值分别为60.17mm和0mm。自始至终最小值均为0mm,说明破损与变形是局部发生发展的,土体的强度还足以承受所加荷载,所以破损局部化产生;最大值前后相差103倍,相差两个数量级,破坏后地表有明显变形迹象。

2.4 地表荷载-位移曲线

岩土体最终的破坏位移矢量图如图7所示。岩土体表面变形信息是所有监测中最直接和最便捷的监测变量,将计算结果整理成图8。

从图7可以看出,隧道锚的破坏形态是下窄上扩,从圆台底部开始往上扩展,在靠近地表处由于没有约束,形成扩散;从图8可以看出,在距中心0.2 m处,竖向位移 很大,约为16mm。而在远离的地方位移逐渐减小。影响范围也就是0.2m左右。

2.5 锚塞体附近剪力分布情况

锚塞体附近不同位置的剪应力分布肯定不同,沿着破裂面抗剪力的值应该是最小值。图9(a)沿锚塞体底部围岩所作的截面分别与水平面的 夹角依次 为52.4°,58.6°,65.7°,69.6°,73.7°,78.1°,82.4°的切穿平面来进行剪应力积分,求得不同角度的剪切力。

从剪力随角度的变化分布图图9可以看出,随着角度的增大,剪力先减少再增大,极小值约为65°。塑性区的扩展,造成近处剪切应力较难集中。破裂面附近由于变形扩展,应力传递最迅速,周围应力均比其大,使其形成一个波谷,而理论剪切角一般为45°±φ/2,大值约为63°,数值结果和理论值基本吻合。

3 结 论

隧道式锚碇-围岩系统在拉破荷载作用下的破坏机理一直是工程师关心的重点。本文通过数值模拟的方法分析了均质土体中锚碇在拉拔荷载作用下的破坏规律,得到如下结论:

(1)锚碇的加载过 程是一个 由弹性逐 步过渡到 塑性的过程,最终表现为流动变形直至破坏;设计荷载应尽量保持岩土体处于弹性状态。

(2)通过土体的塑性区和位移场变化情况可知,隧道锚的破坏形态是下窄上扩,从圆台底部开始往上扩展,且围岩的破坏基本上沿着某一塑性区的边界发生破坏。设计和施工过程中应对显著变形区及破损区内的岩体进行重点加固。

(3)围岩的破坏面与水平面的夹角和 岩土体的 理论破坏角(45°±φ/2)基本一致。

摘要：针对隧道式锚碇-围岩系统在拉拔荷载作用下的破坏机理问题,采用有限元法分析了均质岩体中该系统的位移、塑性区和剪力分布情况。结果表明:1加载过程可以分为两个阶段,弹性阶段和塑性阶段。在弹性阶段,变形基本同荷载保持直线变化,当加载达到某一值时,变形增量突增。最终,荷载保持为某一极值,变形继续增大,表现为流动变形直至最终破坏。2隧道锚的破坏形态是下窄上扩,从圆台底部开始往上扩展,在靠近地表处由于没有约束,形成扩散。3围岩的破坏基本上沿着某一塑性区的边界发生破坏。4根据锚碇周围不同路径的剪应力分布可知,破坏面与水平面的夹角和岩体的理论破坏角(45°±φ/2)基本吻合。研究结果为正确认识隧道式锚碇-围岩系统的破坏机理提供了保证。

关键词：有限元计算,隧道式锚碇,拉拔荷载,破坏机理

锚碇系统 篇2

关键词：悬索桥,锚碇系统,主缆,腐蚀环境

1 引言

改革开放后, 我国大跨度桥梁建设进入快速发展阶段, 特别是大跨度缆索支撑桥梁更是势头凶猛, 我国的桥梁设计和建造水平跨入了世界前列。但由于桥梁施工过程控制不严、水分进入缆索等原因导致桥梁缆索系统的耐久性较低, 在10~20年 (甚至更短) 就要换索, 悬索桥在运营一段时间后必须重新防护缆索系统, 主缆缆索系统的早期防护不力不仅对人们生活带来不便, 也给社会带来了沉重的经济负担。尤其对于锚碇系统中的缆索, 受到锚室内腐蚀环境的影响, 会对缆索造成腐蚀破坏, 因缆索受力大, 截面小, 导致缆索应力非常大, 且由于钢绞线材质较脆, 在轻微的腐蚀作用下也会导致较大的断面损失率, 所以专门研究缆索腐蚀破坏对全桥影响很有必要。本文主要应用midas civil模型对缆索腐蚀进行模拟, 得出其对全桥的受力分析。下面首先介绍一下缆索腐蚀机理。

2 腐蚀环境下缆索腐蚀类型和机理

缆索作为主要受力的构件, 其安全性、可靠性和稳定性对桥梁的安全运行起到至关重要的作用, 其自身钢丝强度和防腐蚀性能必须有更高要求。通过对国内近几年修建的悬索桥主缆的防腐蚀进行调查发现, 在锚碇内部, 由于腐蚀性介质含量较多, 湿度较大, 对主缆的腐蚀最严重, 主缆断丝较多, 所以必须对锚碇系统中主缆腐蚀情况进行研究。

主缆是通过多束钢绞线缠绕在一起组成的, 但因为缠绕的不紧密, 会留有很多空隙, 使得湿气、氧气和污染物更容易通过残留的空隙进入主缆内部。主缆腐蚀类型主要有腐蚀疲劳、应力腐蚀、化学腐蚀和电化学腐蚀, 腐蚀的影响因素主要有钢绞线材料本身特性、主缆所处的腐蚀环境和缆索的受力情况等。下面分别介绍一下腐蚀影响因素对主缆的破坏机理。

(1) 主缆钢绞线材料

主缆材质为高强度冷拔碳素钢丝, 虽然钢丝强度高、塑性低, 但是在防护不佳情况下主缆的防腐蚀能力很差, 特别当主缆含碳量逐渐提高时, 其腐蚀程度会有明显增大。尤其在腐蚀性元素较多的锚室内, 腐蚀介质与雨水的混合作用会导致锚室内环境水变为酸性, 进一步加剧钢丝的腐蚀, 最终导致桥梁产生严重的安全隐患。

(2) 腐蚀环境

锚室内的腐蚀环境相对比较复杂, 不仅包括大气环境、水环境, 也包括固体污染物环境, 这些环境的共同作用严重影响主缆的安全运行。

(3) 应力状态

主缆作为悬索桥的主要承重构件, 一直处于高应力工作状态, 同时受到腐蚀环境的影响, 在腐蚀环境因素和应力的共同作用下, 导致主缆更容易发生应力腐蚀, 严重的造成断丝等病害, 影响桥梁的安全性。

针对上面主缆腐蚀存在的情况, 本文通过建立Midas模型对忠县长江大桥主缆不同腐蚀程度对全桥受力变形进行研究。

3 工程实例

3.1 忠县长江大桥概述

重庆忠县长江大桥位于忠县县城忠州镇东北方的红星娱乐城上游, 跨越长江, 桥梁全长1199.73m, 主桥长560m, 引桥长639.73m, 垂跨比为1/10.5, 主缆中心距离为19.50m, 桥面净宽18m。主桥为单跨加劲桁架梁悬索桥, 跨径560m。索塔两座, 利川侧索塔高为142.3m, 重庆侧索塔高为153.3m。

3.2 锚碇系统中主缆腐蚀对全桥受力及变形的影响分析

本文通过应用MIDAS CIVIL 2010建立忠县长江大桥有限元模型, 分析研究主缆腐蚀对全桥其他构件受力影响, 通过主缆直径减少来模拟腐蚀程度。模型模拟了主缆直径分别减少5.1mm、10.1mm、15.2mm、20.3mm、25.3mm和30.4mm等六种情况, 分析其对主缆、吊杆、索塔、上弦杆等构件受力及变形的影响。全桥模型及索塔模型如图2。

在模型中, 考虑了恒载、活载、温度荷载、风荷载等四种荷载工况组合下对其他构件的受力及变形的影响, 四种工况组合分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ表示, 如表1所示。

把上面6种腐蚀程度等效模型得到的数据分别与未腐蚀模型进行差值分析, 经过数据及图形的整体分析研究, 发现上述四种荷载组合下, Ⅰ和Ⅱ得出的差值差别不大, Ⅲ和Ⅳ得出的差值差别不大, 所以本文只列出了差值较大、变化明显的两组组合进行分析。

3.2.1 腐蚀程度不同对主缆的应力和变形的影响

(1) 对主缆应力的影响

本文应用MIDAS CIVIL 2010中只受拉的单元来模拟主缆, 通过上面的六种模型来模拟腐蚀对主缆应力及变形的影响, 通过与原始模型对比, 得出不同腐蚀程度下的应力变化图, 如图3、图4所示。

通过对图形进行分析, 工况Ⅱ和Ⅳ下截面的变化量基本一样, 当腐蚀深度为15.2mm以下时, 腐蚀引起的应力变化量差别不大;当腐蚀深度加深时, 各个截面的应力差值有了明显变化, 其中在1/8截面变化量最大。对于同一个截面来说, 随着腐蚀程度的加深, 截面的应力变化量逐渐变大, 主缆的安全系数逐渐降低, 对桥梁的安全运营产生很大的影响。

(2) 对主缆X、Y方向变形的影响

通过对主缆X、Y方向的位移变化量进行分析, 发现腐蚀程度对其影响较小。

(3) 对主缆Z方向变形的影响

通过对工况Ⅱ和Ⅳ下主缆Z方向的位移变化量进行分析, 得出在同一个腐蚀程度下, 各个截面的变化量呈现左右对称变化规律。当腐蚀深度为10.1mm时, 位移变化量超过了10mm, 随着腐蚀深度的增加, 位移变化量越来越大, 腐蚀深度为25.3mm时, 位移变化量达到了100mm以上。对于同一个截面来说, 随着腐蚀程度的加深, 截面的位移变化量逐渐变大, 呈现出线性变化规律, 变化量较大, 分析表明腐蚀程度对Z方向的位移影响较大。

3.2.2 锚碇系统中腐蚀程度的不同对索塔的弯矩和变形的影响

(1) 对索塔塔底弯矩的影响

通过对图7、图8进行分析, 发现同一个腐蚀程度下, 各个截面的弯矩变化量没有规律。但对于同一个截面来说, 腐蚀程度越深, 弯矩变化量越大, 并呈现出线性变化规律, 结果表明腐蚀程度对索塔塔底的弯矩影响较大。

(2) 对索塔X、Y、Z方向变形的影响

通过对索塔塔顶X、Y、Z方向位移变化量进行分析, 发现腐蚀程度对其影响较小。

3.2.3 锚碇系统中腐蚀程度的不同对吊杆的应力和变形的影响

(1) 对上、下游吊杆应力的影响

通过对上下游吊杆应力变化量进行分析, 发现腐蚀程度对应力影响较小。

(2) 对吊杆变形的影响

(1) 对上、下游吊杆X、Y方向变形的影响

通过对上下游侧吊杆X、Y方向的位移变化量进行分析, 发现腐蚀程度对其影响较小。

(2) 对上游侧吊杆Z方向变形的影响如图9、图10所示。

(3) 对下游侧吊杆Z方向变形的影响如图11、图12所示。

通过对上面图形进行分析, 在同一个腐蚀程度下, 上下游侧的位移变化量对称。工况Ⅱ下, 腐蚀深度为10.1mm时, 位移变化量最大达到15mm;工况Ⅳ下, 腐蚀深度为5.1mm时, 位移变化量最大达到20mm。对于同一个截面来说, 随着腐蚀程度的加深, 截面的位移变化量逐渐变大, 呈现出线性变化规律, 表明腐蚀程度对上下游侧吊杆Z方向的位移影响较大, 对全桥的安全运营有很大影响。

3.2.4锚碇系统中腐蚀程度的不同对弦杆变形的影响

(1) 对弦杆X、Y方向变形的影响

通过对弦杆X、Y方向的位移变化量进行分析, 发现腐蚀程度对其影响较小。

(2) 对弦杆Z方向变形的影响

通过对图13、图14进行分析, 在工况Ⅱ和Ⅳ下, 弦杆Z方向的位移变化量呈现出对称规律。工况Ⅱ下, 腐蚀深度为10.1mm时, 弦杆Z方向的位移变化量最大值达到了15mm, 随着腐蚀深度的增加, 位移变化量越来越大;工况Ⅳ下, 腐蚀深度为5.1mm时, 由腐蚀引起的弦杆Z方向的位移变化量最大值达到了20mm。由此可见, 对于同一个截面来说, 腐蚀程度越深, 截面位移变化量越大, 并呈现出线性变化规律, 结果表明腐蚀程度对弦杆Z方向的位移影响较大。

4结论

(1) 通过建立主缆不同腐蚀深度的有限元模型, 并通过与未腐蚀模型的数据差值进行对比分析, 发现腐蚀程度越深, 对主缆应力、Z轴向位移、索塔弯矩、上下游侧吊杆和弦杆Z方向的位移变化量影响越大。

(2) 本文建立模型进行分析时, 只是从宏观上进行了考虑, 但因主缆存在应力腐蚀、疲劳腐蚀等腐蚀情况, 存在主缆脆断的突然性, 所以需进一步从微观上进行分析, 减小主缆突然断裂的概率。

参考文献

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[2]刘锦.悬索桥隧道锚数值模拟分析研究[D].重庆:重庆交通大学, 2010.

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[4]李士彬, 张伟平, 顾祥林, 等.加速锈蚀钢筋的疲劳试验研究[J].铁道科学, 2010, 32 (5) .

[5]冯秀峰.混合配筋部分预应力混凝土梁疲劳性能研究[D].大连:大连理工大学, 2005.9.

[6]卢树圣.现代预应力混凝土理论与应用[M].北京:中国铁道出版社, 2000.

云南龙江大桥锚碇选型研究 篇3

悬索桥是以承受拉力的缆索作为主要承重构件的桥梁, 由主缆、吊索、索塔、锚碇、加劲梁及桥面系等部分组成。其受力特征是:作用在桥面上的荷载由吊索传至主缆, 再传至索塔和锚碇, 传力途径明确[2]。悬索桥以其构造简单、受力明确、跨越能力大、造型美观等优势, 适应了近年来日益增多的大跨度桥梁建设的需要, 随着国民经济及现代化交通运输事业的蓬勃发展, 得到了广泛应用。悬索桥主缆索股锚固形式分为自锚式和地锚式两种, 自锚式是将主缆索股直接锚于加劲梁上, 无需锚碇结构, 一般仅适用于中小跨径悬索桥。地锚式则将主缆索股锚于锚碇或坚固的岩体中。锚碇是将主缆的拉力传递给地基的构件, 通常有重力式锚碇和隧道锚碇。重力式锚碇依靠巨大的自重来抵抗主缆竖向分力, 水平分力则有锚固体与地基之间的摩阻力或嵌固阻力来抵抗, 隧道锚则直接将主缆拉力传递给围岩[2]。锚碇作为悬索桥的基础, 对整座桥梁的安全有着重要的作用。由于每座悬索桥地形地质都不一样, 锚碇也必然有所不同, 本文针对云南保腾高速公路龙江大桥的熔岩台地和河谷陡坡地形以及全风化岩层的地质情况, 选择适合的锚碇型式, 进行结构设计和方案比选, 确定最优的锚碇方案, 以期给类似地形地质条件下的悬索桥锚碇设计提供参考。

1 工程概况

保腾高速公路项目起于在建保龙高速小田坝, 止点接已建腾冲-猴桥公路。路线全长63.94145公里。龙江大桥位于保腾高速公路K20+260~K21+850处跨越龙江, 是保腾高速公路控制性工程。主桥为主跨1196m的单跨简支钢箱梁悬索桥, 跨径组成为320m+1196m+320m。在设计成桥状态下, 中跨理论矢跨比为1/10.5。全桥共设两根主缆, 主缆横向中心距为25.5m。桥面采用1.0%的单向纵坡[1]。总体布置图如图1。

2 锚碇区域地形地质条件

龙江大桥近垂直跨越龙江, 处于熔岩台地和河谷陡坡地形区, 桥位设计线距离谷底约280米, 山顶锥状, 河谷呈“V”型。东岸锚碇区域为一小山丘, 锚碇坐落于山丘后坡上, 西岸锚碇区域为一左后侧被山围绕的台地, 锚碇坐落在相对平坦的台地上。

东岸及西岸锚碇范围内地质情况:东岸地面以下约10m是亚粘土, 地勘提供的地基容许承载力是220KPa;10~40m是全风化玄武岩, 地勘提供的地基容许承载力是300KPa;40~60m是全风化砾砂岩, 地勘提供的地基容许承载力是280KPa;弱风化玄武岩深度在70m以下。横桥向地表及地层岩性划分比较均匀。西岸地面以下约5m是亚粘土, 5~35m是全风化砾砂岩, 地勘提供的地基容许承载力是280KPa;深度35~50m是全、强风化玄武岩, 地勘提供的全风化玄武岩地基容许承载力是300KPa, 强风化玄武岩地基容许承载力是650KPa;弱风化基岩深度不均匀, 在45m~60m以下。两侧比较, 东岸基岩埋置深度更深。

3 备选的锚碇方案

根据以上地形地质情况看, 由于基岩埋置较深, 全风化岩层覆盖层较厚, 不适宜隧道锚, 拟研究采用重力式锚碇方案。重力锚碇首先要选择基础类型, 常用的基础主要有扩大基础、地下连续墙基础、沉井基础、桩基础等。

沉井基础一般适用于基岩埋置较深且覆盖层软弱的水里或岸边, 遇到坚硬的地层则下沉困难, 下沉过程中遇到的大孤石或井底岩层表面倾斜过大, 也将给施工带来一定的困难, 对粉砂、细砂类土在井内抽水时易发生流砂现象, 造成沉井倾斜。本桥锚碇区位于远离龙江的山顶台地, 覆盖层为全风化岩层, 基岩面倾斜, 沉井施工困难, 故未采用。

地下连续墙基础既是施工的临时支撑、挡土、挡水的围堰结构, 又是后期永久性结构的组成部分。结构整体刚度大, 施工时基本不扰动周围土体[4]。但由于锚碇区弱风化层基岩埋置太深, 连续墙基底持力层若放置在弱风化层上, 将导致锚碇开挖量大, 造价不经济, 故未采用。

桩基础适用于基岩埋置较深的情况, 技术成熟, 应用广泛, 对本桥锚碇区的地形地质也适用。重力锚基础主要承受巨大水平拉力, 此水平力可以通过设置斜桩基础来承受, 但由于其特殊的施工工艺, 在基底大规模采用施工极为困难。普通直径的竖直桩基础抵抗水平力的能力较差, 刚度也较差, 在主缆拉力下锚碇散索点的水平位移超过了允许值, 所以东锚碇采用了大直径的刚性桩, 嵌入弱风化岩层中, 既能满足水平抗力要求, 又能满足变形的要求。

扩大基础通过增大基底面积的方式减少基底应力和基底变形, 可将锚碇基底持力层放置在厚度较厚的全风化层上, 但必须解决基底允许承载力及地基允许沉降位移是否足够的问题。另外, 结合主缆边缆的倾斜角度与两岸地形条件, 若采用扩大基础的重力式锚碇成立, 则面临着边缆散索锚固是通过散索鞍还是散索套方式更节省锚碇甚至全桥的造价的问题。因为设置散索鞍后锚跨索股就必须偏转到足够的角度, 这直接导致锚体要埋置到更深的风化岩层, 增加锚碇基坑开挖量或锚碇混凝土量。若采用散索套方案, 主缆束股散索后无须向下整体转向锚固, 可使锚块基底埋置深度放浅, 减少了锚碇基坑开挖量或锚碇混凝土量。如采用扩大基础, 西锚碇基底距离基岩层相对较近, 可多开挖一些在基底下方设置混凝土基础垫块, 以便将基础持力层完全放置到弱风化基岩面上, 形成嵌岩锚形式。

因此, 根据地形地质条件, 在锚碇整体结构完全满足抗滑移安全性、满足各工况基底允许承载力、允许竖向与水平位移等要求的前提下, 两岸锚碇各提出了三个锚碇设计方案:

东岸:方案一:采用散索鞍扩大基础重力式锚碇, 持力层为全风化岩;

方案二:采用散索鞍刚性桩基础重力式锚碇, 持力层为弱风化岩;

方案三:采用散索套扩大基础重力式锚碇, 持力层为全风化岩。

西岸:方案一:采用散索鞍扩大基础重力式锚碇, 持力层为全风化岩;

方案二:采用散索鞍扩大基础嵌岩重力式锚碇, 持力层为弱风化岩;

方案三:采用散索套扩大基础重力式锚碇, 持力层为全风化岩。

各方案详见图2~7, 各锚碇方案主要设计参数见表1。

4 锚碇方案结构分析

4.1 锚碇基底应力验算

根据锚碇分块施工的特点, 施工期间分块计算各块前后的基底应力;后浇段完成后, 锚碇形成整体, 回填土、压重、主缆拉力由锚碇整体承担。正常荷载下分以下三个工况计算基底压应力:

(1) 锚块、支墩基础各自施工完成

(2) 后浇段施工, 完成回填、压重并施加恒载缆力 (成桥状态)

(3) 常荷载最大缆力

地震力作用下分以下2个工况计算基底压应力:

(4) 竖向向下地震力+水平向锚后地震力+ (恒载缆力-地震缆力)

(5) 竖向向上地震力+水平向锚前地震力+ (恒载缆力+地震缆力)

以上各阶段锚碇各点的应力计算结果见下表 (仅列出两岸方案一计算结果) (表2, 表3) 。

东岸方案一、三和西岸方案一、三锚碇持力层为全风化层, 西岸方案二锚碇持力层为弱风化玄武岩, 按规范进行相应的地基承载力宽度、深度修正。地震力组合时容许

承载力提高50%。故地基承载力验算满足要求。

东岸锚碇方案二采用了刚性桩基础, 桩基为嵌岩桩, 嵌入弱风化岩层8~10米, 同上按三个正常荷载工况和2个地震力荷载工况验算其桩基承载力。结果见表4。

根据地质资料, 持力层为弱风化玄武岩, 桩基的轴向受压承载力按嵌岩桩计算。地震力组合时容许承载力提高25%。故桩基承载力验算满足要求。

4.2 锚碇整体抗滑验算

抗滑稳定分以下几个工况进行计算:

1恒载缆力, 2最大缆力, 3恒载缆力+竖向向上地震力+水平向锚前地震力+地震缆力

抗滑计算荷载:锚碇混凝土重力、锚碇底面之上回填土重力、缆力;计算地震力下抗滑稳定时, 考虑锚前回填土的静土压力。

抗滑系数μ取0.4, 参考日本本州四国联络线《重力式直接基础锚碇设计要领·同解说》锚碇基底位于陆地、地震时抗滑安全系数要求Ka叟1.2。抗滑安全系数计算结果见表5 (仅列出两岸锚碇方案一结果) 。

由表5可知, 锚碇的抗滑稳定满足要求。

东岸锚碇方案二采用了刚性桩基础, 桩基为嵌岩桩, 在水平力的作用下, 锚碇的薄弱抗剪面为桩与锚体的连接面, 现对该剪切面进行验算, 结果见表6。

4.3 抗倾覆稳定性验算

基底应力验算要求基底前后不允许出现拉应力, 本桥的锚碇方案在施工和运营期间及地震荷载下均未出现基底拉应力, 故抗倾覆不再验算。

4.4 锚碇的位移验算

锚碇位移计算采用Flac3D程序, 根据锚碇分块施工的特点, 施工期间分块计算各块的竖向沉降和水平位移;后浇段完成后, 锚碇形成整体, 回填土、压重、主缆拉力由锚碇整体承担。散索鞍转点位移计算扣除了锚碇施工期间的自重位移。计算结果见表7。

东岸方案二锚碇采用刚性桩基础直接嵌入弱风化岩层, 锚碇沉降可以忽略不计;锚体及桩基础刚度极大, 在水平力的作用下水平位移也可忽略不计。

西岸方案二锚碇采用混凝土垫层直接把基础落到弱风化玄武岩持力层上, 持力层地基容许承载力较高, 弹模较大, 可以忽略锚碇的沉降和水平位移。

故散索鞍转点的水平位移满足规范要求。

5 锚碇方案比选

5.1 东岸锚碇方案比选

根据设计分析结果表明, 三种方案设计施工技术均是可行的;在控制锚碇总体设计的三项指标 (抗滑移安全系数、满足地基允许承载力及允许位移值) 均基本满足的条件下, 单从锚碇造价看, 方案三造价最低, 其次是方案一 (与方案三相差不大) , 方案二造价最高。方案二刚性桩基础形式在我国大跨径悬索桥锚碇基础中尚未见实例, 存在一定风险。方案一与方案三最大的共同优点是锚碇基坑较浅, 开挖及防护工程量小, 边坡稳定性风险小, 工期也相对较短, 造价相对低。但方案三所对应的主缆散索方案采用散索套, 其主缆架设锚固工艺与散索鞍方案有些不同, 国内特大跨径悬索桥施工还没有这方面的直接经验, 需经过严格的研究试验成功后才好实际应用, 这就可能增加不少研究时间和费用。

综合比较, 东岸锚碇方案一 (散索鞍浅埋扩大基础锚碇方案) 结构简单, 无明显设计与施工技术缺陷, 造价合理较低, 予以推荐。 (表8)

5.2 西岸锚碇方案比选

西岸锚碇也根据地形地质条件提出了三种方案进行同深度技术经济比较。在此需要特别说明的是, 由于西岸弱风化基岩顶面标高在锚碇平面布置范围内高低不平。横方向看, 高边坡一侧基岩埋置浅, 低边坡一侧基岩埋置深度低8m左右;纵向看, 锚碇前部散索鞍支墩附近基岩埋置比锚块尾部深约13m左右。因此, 方案一与方案二比较, 主要不同点是方案二锚碇相当于在方案一锚体基底下方设置了混凝土基础垫块, 以便将基础持力层完全放置到弱风化基岩面上。三个方案综合比较见表9。

根据设计分析结果表明, 三种方案设计施工技术均是可行的;从锚碇造价看, 方案三造价最低, 其次是方案一 (与方案三相差不大) , 方案二造价最高。方案二开挖深度最大, 开挖工程量最大, 基坑防护工程量最大。方案一与方案三最大的共同优点是锚碇基坑较浅, 开挖及防护工程量小, 边坡稳定性风险小, 工期也相对较短, 造价相对低。但方案三所对应的主缆散索方案采用散索套, 论述同东锚碇。

综合比较, 西岸锚碇方案一 (散索鞍浅埋扩大基础锚碇方案) 结构简单, 无明显设计与施工技术缺陷, 造价合理较低, 基底以下全、强风化层厚度不均匀可能导致的锚体各部位沉降位移不均匀的问题不是很明显, 予以推荐。

6 结论与建议

作为悬索桥的基础, 锚碇型式选择非常重要。由于每座悬索桥地形地质都不一样, 锚碇也必然有所不同, 锚碇方案的优劣、造价的高低将直接影响大跨悬索桥方案的竞争力。目前, 常用的锚碇有重力式锚碇和隧道锚碇, 并且重力式锚碇的基础有很多种, 但无论锚碇或锚碇基础形式如何, 锚碇方案的取舍, 最终取决于设计的合理性、施工的可行性、工程的经济性以及对周围环境的影响等。本文针对云南龙江大桥的熔岩台地和河谷陡坡地形以及全风化岩层的地质情况, 选择适合的重力锚碇型式, 采用合理可行、安全经济的锚碇扩大基础和桩基础, 通过结构设计和方案比选, 确定最优的散索鞍浅埋扩大基础重力锚碇方案, 以期给类似地形地质条件下的悬索桥锚碇设计提供参考。

摘要：悬索桥以其构造简单、受力明确、跨越能力大、造型美观等优势, 在我国高速公路建设中得到了广泛应用。锚碇作为悬索桥的基础, 对整座桥梁的安全有着重要的作用。本文针对云南龙江大桥的地形以及全风化岩层的地质情况, 选择适合的锚碇型式, 进行结构分析和方案比选, 确定最优的锚碇方案, 以期给类似地形地质条件下的悬索桥锚碇设计提供参考。

关键词：悬索桥,重力式锚碇,全风化岩层,锚碇选型

参考文献

[1]云南省交通规划设计研究院&中交公路规划设计院.龙江大桥施工图设计[Z].昆明:2013.

[2]孟凡超.悬索桥[M].北京:人民交通出版社, 2011:5-6, 295-300.

[3]刘明虎.悬索桥重力式锚碇设计的基本思路[J].公路, 1999 (7) :16-23.

冻结围护锚碇基础冻结壁变形解析 篇4

冻结技术源于天然冻结现象, 1862年英国的威尔士的建筑基础施工中首次成功使用人工制冷加固土壤。1880年德国工程师F.H.Poetch提出人工冻结法原理, 并于1883年在德国阿尔巴里煤矿中采用冻结法建造井筒并推广到世界许多国家的隧道、地铁、基坑、边坡、矿井及市政工程中, 成为岩土工程施工的重要方法之一[1,2,3]。我国冻结法应用也有五十多年的实践经验, 主要是用人工制冷技术暂时加固不稳定地层和隔绝地下水, 完成冻结立井工程、桥梁桩基工程及一些基坑隧道工程等[4,5,6,7,8,9]。

深基坑工程中, 围护结构体系的成败关系整个工程的命脉。冻结围护结构是一种新的基坑围护形式, 含水土层冻结后的人工冻土壁具有良好的挡土封水性能、墙体刚度和强度较原土层有很大的提高且质量易于控制。冻结法在交通市政建设领域的技术应用, 是一项新的技术探讨。本文通过冻结围护结构冻结壁的推导解析, 探讨冻结围护基坑的性状特征, 锚碇基础冻结围护基坑工程实例的现场应用, 证明了冻结技术的可靠性和优越性及其在大型桥梁施工中的广阔应用前景。

2 冻结围护结构性状特点

2.1 冻结围护结构特点

冻结围护结构的优点包括环保、封水可靠、可结合其他工法灵活使用控制、对工程事故处理和抢险速度迅捷。主要缺点是“冻胀融沉”需用相关技术解决、冻土墙在夏季需保温措施、地下水流速度过快时难于冻结、需要较大功率的电源。

2.2 冻结壁变形性状

竖向变形特点:冻土墙有一定刚性, 其变形主要受控于倾覆力矩;竖向位移场主要呈斜直线, 上部位移大, 下部位移小。横向变形特点:跨中位移最大, 向两侧逐渐减小, 在拐角处位移基本为零;水平位移场曲线从上向下逐渐平缓;整个墙体的变形呈曲面形状, 最大位移发生在墙跨中上端[1][3]。

冻土墙变形的影响受冻结温度、侧压力、跨度和基坑暴露时间的影响[10][11]。

3 冻结壁变形方程的解析

3.1 冻结壁变形方程

荷载作用下, 冻土作为弹塑性体, 其应力-应变过程包括弹性变形、弹塑性变形、塑性变形等阶段。设冻结壁长宽为a和b的矩形, 边界约束条件有:边y= (0, b) 为简支边, 弯矩为零;x= (0, a) 边界为衬砌支撑 (图1) 。记ω (x, y) 为其挠度, 则满足挠度变形的方程表达式为:

挠曲方程:undefined, 其中

简支边界: (y=0, y=b) :ω (x, 0) =ω (x, b) =0即 (ω) y=0= (ω) y=b=0

弯矩:undefined, 且 (My) y=0= (My) y=b=0, 等价为:undefined

其他边界 (x=0, x=a) :

undefined

, 和

undefined

且φ (0) =φ (b) =ψ (0) =ψ (b) =0

荷载:

undefined

上式中:D——弹性常数;q (x) ——荷载。

冻结壁弹性变形阶段的特性即求解上式解。

3.2 冻结壁变形方程的解析

将上述的挠度函数取为三角函数形式:undefined, 代入挠曲方程得:

undefined

将undefined展开成傅氏级数表达为:

undefined

代入式 (1) 挠曲方程解得:

undefined

上式的通解可解得:

undefined

则挠度函数为:

undefined

上式中:fn (x) 为方程的特解。

由undefined

可以取:undefined

当取n=2n+1时, undefined

令:

undefined

, 并且有:undefined和, undefined

代入式 (4) 则挠度函数可写成:

undefined

又因为:undefined

所以:undefined

则:undefined,

undefined

所以, 扰曲方程的特解为:undefined

一般解为:undefined

对上式一般解中代入边界条件:

undefined和undefined

再利用undefined在 (0, b) 上的正交性, 推导可得:

undefined

对上面各式进行傅立叶积分, 其中对于每一个自然数n, 系数Ci (n) , i=1, 2, 3, 4, 由以下方程组唯一确定:

undefined

对上述冻结壁变形方程解的讨论可发现荷载随深度线性增长, 但变形除线性增长外还呈指数增长趋势, 因此为保证施工的安全进行, 冻结壁的裸露深度不能过大, 应及时进行衬砌支撑, 且需充分掌握地基土层的特性[12]。

4 冻结围护工程应用

4.1 工程概况

某悬索桥锚碇基础工程, 基坑尺寸70.5m (L) ×52.5m (B) ×29m (H) , 采用含水地层冻结形成冻结帷幕墙体作为止水挡土结构, 以排桩及内支撑系统作为围护结构, 共同抵抗水土压力和冻胀力。基坑平面和剖面图详见下图2和图3所示[13]。锚碇基础的冻结围护方案解决了基坑围护结构的挡土和止水问题。

4.2 基坑冻结壁变形性状

基坑开挖后, 圈梁顶向坑内方向发生位移, 且随开挖的深入而加大, 坑外地表呈下沉趋势;立柱桩则在开挖前期, 由于坑内土体的卸载、坑底土回弹等原因隆起, 随着开挖的继续, 立柱桩又有所下沉;圈梁顶在土方开挖整体趋势是向坑内方向发生位移, 详见图4-6所示[14]。

从监测成果图可以看到, 与常规基坑不同, 冻结基坑围护结构所受的侧向力主要是冻胀力和水土压力, 冻胀力还无类似工程经验借鉴。由于冻胀, 基坑未开挖前排桩与土体已产生变形, 且在积极冻结期、围护冻结期、甚至停冻期冻胀一直在发展, 最大冻胀量超过300mm, 随深度呈上大下小的趋势, 且随着开挖深度的加深最大位移点不断下移。基坑开挖后, 圈梁顶向坑内方向发生位移, 且随开挖的深入而加大, 冻结墙施工过程最大变形140.76mm;地表变形沉降约8.6mm, 位置在距基坑边约10m处;围护结构长边与短边的最大水平向变形分别在长、短边中部深约16m处, 各为32.6mm与31.9mm。

5 结论

通过变形方程的解析推导, 探讨锚碇基础冻结围护冻土壁的变形性状, 结合工程实例的应用可以得到: (1) 建立可靠的计算分析和设计施工方法、减小冻结壁的裸露深度、及时施工衬砌支撑、充分掌握地基性质并辅以信息化监测指导施工, 是减小冻结壁变形、保证施工安全的必要措施; (2) 围护结构体系充分利用人工冻结壁良好封水性能, 辅以有效的控制手

段, 冻结壁变形和温度变化都可以控制在允许的安全范围, 工程的成功应用也表明冻结围护结构技术的可靠性和优越性; (3) 冻结壁厚度要合理控制, 且冻胀力对结构体系的变形和内力的影响不可忽视, 冻胀与土层埋深有关, 且随深度逐渐减小; (4) 地下水位较高, 地下水流速不大, 上覆表土层较厚, 利用冻结法穿越表土层, 施工特大型基坑工程在技术和经济效益上都是是可行的, 既可挡土又可止水, 具有广阔的应用前景。

摘要：本文通过冻结围护锚碇基础冻结壁变形方程的解析推导, 探讨冻结围护锚碇基础的工作特征等, 工程实例的成功应用表明冻结技术的可靠性和优越性及其广阔的应用前景。

锚碇系统 篇5

1.1 桥梁结构

中缅油气管道工程澜沧江跨越主桥为280m双塔钢桁梁悬索桥。澜沧江跨越总体布置图见图1。

1.2 地形地貌

澜沧江跨越地处云贵高原西缘, 横断山脉南段的滇西纵谷地带。工程区位于古霁虹桥附近澜沧江峡谷内, 河谷呈“V”型, 地面标高1175~2379m左右。跨越工程大理岸位于澜沧江大理岸博南山山坡, 保山岸位于澜沧江右岸罗岷山陡崖之上。

1.3 锚碇结构

本悬索跨越桥均采用上、下游分离式隧洞式锚碇, 并辅助岩锚的复合式锚固系统。整个锚碇锚固体系由岩锚、锚塞体 (包括预应力系统及连接器等) 、前锚室等部分组成。

上、下游隧道锚中心线距离10m, 采用相同的结构尺寸;开挖隧道沿主缆方向, 保山岸隧洞总轴线长度为35.45m, 洞口到散索点距离3.95m;大理岸隧洞总轴线长度为38.58m, 洞口到散索点距离7.08m;两岸的散索点到相应锚碇前锚面距离为15m, 其中10m范围内为等高截面洞室, 5m为变高截面洞室, 锚塞体长15m, 后锚面后端设置1.5m厚的后锚室进行锚固系统的安装施工。隧道洞室截面采用等宽拱形截面, 截面宽4.5m, 典型截面高4.5m, 拱顶采用直径4.5的圆形拱顶, 考虑到主缆锚固系统布置等因素, 锚塞体及靠近锚塞体5m范围的洞室截面采用变高拱形截面, 高度从4.5m变到6.92m。

2 锚碇开挖总体施工方案

2.1 总体施工方案简介

本跨越桥锚碇基坑开挖工作受到地形条件的限制, 施工采用耙矿绞车和人工作业结合爆破施工方案。首先采用人工辅助手持风枪钻眼爆破, 然后采用耙矿绞车弃渣, 利用挖掘机及其他设备将弃渣传送至便道处, 自卸汽车运输至弃渣厂。开挖前应做好洞口工程的防护, 洞身开挖应坚持“短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。

2.2 施工顺序

施工顺序:清理锚碇基坑周围的植被、危岩及表层土→开挖施工平台→搭设施工支架→基坑表层土加固 (小导管注浆施工) →洞口边坡仰坡防护→设置排水系统→小导管洞口周边注浆→基坑表层喷锚混凝土施工→洞身开挖→初喷混凝土→安装型钢拱架支护、安装钢筋格栅及钢筋网片施工→喷锚混凝土施工→下一循环。

3 锚碇洞口工程施工

锚碇洞口工程施工主要包括四方面内容:

1) 洞口周围表层土 (岩) 清理和加固;2) 洞口边坡仰坡防护;3) 洞口排水系统设置;4) 洞口开挖面采用小导管周边注浆预加固。

3.1 锚碇洞口周围表层土 (岩) 清理和加固

由于锚碇位于悬崖峭壁上, 在进行洞口工程施工时, 必须先开挖出工作平台, 然后在工作平台上搭设钢管支架, 利用支架进行洞口周围表层土 (岩) 清理和加固、边坡防护和开挖面小导管周边注浆预加固。根据锚碇处实际情况, 工作平台自锚碇洞口顶部以一定坡度向下开挖, 开挖后的平台直接进入锚碇内, 这样既减少了开挖量, 又为锚碇洞门测量放样、出渣等提供了方便。

锚碇洞口周围表面土层较为破碎, 属于坡积、严重风化的松软岩层, 稳定性较差, 开挖前首先对洞口周围表面土层和破碎岩层进行预加固处理, 并清理洞口边坡、仰坡上可能滑塌的表层土和危石等。加固处理主要采用长6m的φ25的中空锚杆深孔、注浆加固, 锚杆间距1.5m。注浆加固范围:横桥向以桥梁对称中心线为中心, 左右各30m;顺桥向, 以锚碇顶面中心线为中心, 上下各15m。

3.2 锚碇洞口边坡防护

洞口边坡宜逐级开挖、防护, 开挖与防护同步进行。本跨越洞口边坡采用锚喷10cm厚的C25混凝土进行防护, 其中锚杆采用φ22mm的普通砂浆锚杆, 锚杆长3m, 竖向间距1.5m, 各排错位布置, 水泥砂浆强度不小于M20;钢筋网片采用φ8mm的Q235钢, 网格尺寸200×200mm, 采用现场加工绑扎, 钢筋网片搭接长度不小于2个网格。

3.3 锚碇洞口排水系统设置

本跨越锚碇洞口排水主要通过在锚碇上方地表处设置截水沟, 拦截地表水, 锚碇两侧和拱顶上布置排水沟的方法, 通过截水、排水防止洞外雨水进入洞内。由于锚碇处均为岩石, 截、排水沟可沿洞口边坡锚喷混凝土外沿设置, 截、排水沟在进行边坡锚喷混凝土施工时一起施工。

3.4 锚碇洞口开挖面采用小导管周边注浆预加固

锚碇处表层岩石风化, 且十分破碎, 稳定性差, 为确保开挖安全, 在洞口开挖轮廓线外约50cm处, 沿开挖轮廓线采用双排长6m, Φ42×4mm小导管注浆进行预加固处理, 小导管间距50cm, 与水平方向夹角5°~10°, 水泥砂浆强度不小于M20。

4 锚碇洞身工程开挖施工

4.1 锚碇方案

锚碇洞身采用全断面和台阶开挖法, 其爆破方式采用光面爆破法。根据洞身特点, 在成洞后, 因前锚室断面尺寸不大, 可采用全断面开挖;锚塞体断面较大, 采用台阶开挖法分级进行。

4.2 光面爆破

4.2.1 光面爆破

光面爆破是沿开挖轮廓线布置间距较小的平行炮孔, 在这些光面炮孔中进行药量减少的不耦合装药, 然后同时起爆, 爆破时沿这些炮孔的中心连接线破裂成平整的光面。光面爆破可使爆破后的岩面光滑平整, 防止岩面开裂, 以减少超挖、欠挖和支护的工作量, 增加岩壁的稳定性, 减少爆破的震动作用, 进而达到控制岩体开挖轮廓的一种技术。

4.2.2 光面爆破的设计

1) 全断面钻孔数量:N=a1+a2S=32+1.1×18=51.8个; (根据泽波尔建议公式) 式中:a1、a2为岩石爆破系数, 查表取a1=32, a2=1.1;S为断面面积, 本断面面积S=18m2;经计算N=51.8个, 采用光面爆破孔数可增加20~30% (即:62个~67个) , 取N为64孔。2) 抵抗线的确定:W= (10~20) d= (10~20) ×0.5=0.5m~1.0m;式中, d为钻孔直径;取W=0.5m。3) 孔距:a= (0.6~0.8) W= (0.6~0.8) ×0.5=0.3m~0.4m;4) 装药量的确定:Q=qahw=0.25×0.4×2×0.5=0.1kg式中, q为炸药单耗, kg/m3, 一般取0.15~0.25kg/m3;h为孔深。

4.2.3 光面爆破的施工要求

为保证光面爆破的良好效果, 除根据岩层条件、工程要求, 正确选择爆破参数外, 精确地钻孔是极为重要的, 是保证光面爆破质量的前提。

对钻孔的要求是:“平、直、齐、准”。炮孔要按照以下要求施工:

1) 所有周边孔应彼此平行, 并且其深度一般不应比其他炮孔深;2) 各炮孔均应垂直工作面。实际施工时, 周边孔不可能完全与工作面垂直, 必然有一个角度, 根据炮孔深度, 一般此角度取3°~5°;3) 如果工作面不齐, 应按实际情况调整炮孔深度及装药量, 力求所有炮孔底落在同一个横断面上;4) 开孔位置要准确, 偏差值不大于30mm。周边孔开孔位置均应位于断面轮廓线上, 不允许有偏向轮廓线里面的误差。

5 锚碇出渣施工

本锚碇洞内宽度为4.5m, 且底板与水平线的夹角为21.9°, 不能直接利用装载机或挖掘机进行出渣, 所有我们利用耙矿绞车 (见图3、图4) 将洞内的弃渣清理到洞口, 然后用挖掘机将弃渣通过出渣滑槽运送到便道处, 最后用自卸车运至弃渣场。

耙矿绞车主要用于金属矿及其它矿场的坑内及露天场所, 在水平及倾斜度不大的工作面上作矿物耙运及填充工作的工具。其工作原理是:由缠绕在卷筒上的钢丝绳牵引耙斗作往返运动来耙运物料。

根据施工地形, 将耙矿绞车的牵引机部分设置在锚碇洞口区域, 在开挖面处设置转向滑轮, 以便绞车耙斗顺利地进行往返运动, 如图4所示。这样的出渣方式, 减少了劳动力的投入, 也提高了施工效率, 节约了施工成本。

6 结语

中缅油气管道工程澜沧江悬索跨越, 地形条件险峻, 地质情况复杂, 在这样的条件下, 运用此种开挖方案, 使得锚碇的开挖提前得以顺利完成, 这种开挖和出渣方案在施工中起到了关键性作用。澜沧江悬索跨越锚碇开挖施工技术可为后续同类悬索桥梁锚碇开挖、出渣施工提供借鉴。

参考文献

[1]中缅天然气管道工程 (国内段) 澜沧江跨越施工图, 第二册.锚碇工程.

[2]中华人民共和国行业标.公路桥涵施工技术规范, 2011.

[3]中华人民共和国行业标准.公路隧道施工技术规范, 2009.

盐边鳡鱼大桥岩锚锚碇施工技术 篇6

四川省盐边县鳡鱼大桥新建工程主桥为钢筋混凝土箱形拱桥, 净跨径L0=200m, 净失跨比F0/L0=1/7, 拱轴系数m=2.268的等高截面悬链线拱, 主桥主拱圈采用挂篮悬臂浇筑法施工。

本桥拱箱为单箱双室结构, 高3.8m, 宽8m。拱箱分33个节段施工, 其中两岸各设一个拱脚搭架现浇段, 拱顶设一个吊架浇筑合龙段, 其余30个节段均为挂篮悬臂浇筑段。

鳡鱼大桥位于攀枝花市盐边县渔门镇境内, 是通向盐边县西北部地区的重要交通通道, 是共和乡、鳡鱼乡及渔门镇部分地区重要的公路通道。

根据地质调查、钻探, 该场地地层主要有:红粘土 (Q4el) 、白云岩 (Z1bd) 。岩锚的锚固段位于中风化白云岩 (2) 2中。

中风化白云岩 (2) 2:灰白色, 隐晶质微晶质结构, 中厚层及巨厚层构造, 矿物成份以白云石为主。节理裂隙发育, 裂隙面附黄褐色物质钙质及褐色铁质薄膜。溶蚀小孔发育。岩芯多呈短柱状、碎块状, 少量为长柱状。RQD值为12.22~42.24, 平均值25.00;锚碇影响段的RQD值为1.57~46.36, 平均值20.77。钻进深度为12.94~35.74m, 该层未揭穿, 分布于整个区域。

2 方案比选

经过对各种锚碇形式的比较, 本项目最终选择了岩锚锚索的锚碇形式 (见表2) 。

3 岩锚构造

本项目锚碇采用岩锚索的锚固形式, 除桥台岩锚外, 每岸锚碇区域划分为上、中、下3层。

为减小群锚效应, 岩锚索长度采用28m和36m以梅花形交错布置。所有岩锚索的锚固段长度均为12m, 其余为自由段。每束岩锚索由8根钢绞线组成。岩锚索与水平面夹角在25°左右。

上、下层岩锚索直接通过锚索连接器与塔架锚索连接, 上、下层各布置12束 (横) ×2束 (竖) =24束岩锚索, 横向间距1.5m, 竖向间距2m。

中层岩锚索通过工字钢锚梁转换后与塔架锚索连。中层岩锚索竖向以1.5m间距锚固2根12m的2I56a压梁, 每横排8根岩锚索以1.5m间距锚固压梁。压梁压住4根2.5m的2I56a锚梁。

中层岩锚采用锚梁的方式最主要的目的是使同一个锚梁能满足2种不同竖向角度的3根塔架锚索 (其中2根周转锚索、1根固定锚索) 轮流扣挂。塔架锚索受力垂直度通过楔形锚垫板来调整。

4 岩锚计算

每束岩锚索共8根准s15.2钢绞线, 总长28m与36m呈梅花形交叉布置, 分别为16m或24m自由段与12m锚固段。岩锚索的水平夹角在25°左右。塔架锚索最大受力为2000k N由4根岩锚索共同承担, 每束岩锚索设计拉力为1000k N。

(1) 预应力筋验算

式中:A———预应力筋的截面积 (mm2) ;

Nt———锚杆轴向拉力设计值 (N) ;

fptk———预应力筋抗拉强度标准值 (N/mm2) , fptk=1860MPa;

[k]———预应力筋截面设计容许安全系数, 临时锚杆取1.6, 永久锚杆取1.8。此处当做永久锚杆取K=1.8。

(2) 锚固长度的验算

以水泥结石体与岩石孔壁之间产生的握裹力来计算抗拔安全系数时, 用下公式:

以水泥结石体与钢绞线之间产生的握裹力来计算抗拔安全系数时, 用下公式:

式中:La———锚固段长度 (mm) ;

Nt———锚杆轴向拉力设计值 (N) ;

[K]———容许安全系数。按危害性大, 服务小于2年取K=1.8;

D———锚固体直径 (mm) , D=140mm;

d———单根钢绞线直径 (mm) , d=15.2mm;

n———钢绞线根数, n=8;

qr———水泥结石体与岩石孔壁间粘结强度设计值, 取0.8倍标准值。标准值取0.7MPa, 得qr=0.80.6=0.48MPa;

qs———水泥结石体与钢绞线间的粘结强度设计值, 取0.8倍标准值。标准值取3MPa, 得qr=0.83=2.4MPa;

ξ———采用2根或2根以上钢绞线时, 介面粘结强度降低系数, 取0.6~0.85, 取ξ=0.6;

L———设计锚固长度为12m。

(3) 整体稳定性验算

锚区及上方被整体看成重力式锚。

抗倾覆稳定性验算:

上拔力安全系数:

抗滑稳定性验算:

式中:KM———抗倾覆稳定系数;

Ky———上拔安全系数;

KH———抗滑稳定系数;

G———重力, 只取锚区V=10551m3, G=21101T;

P———锚索合力, P=2534T;

b———重力抗倾覆力臂, b=20.85m;

L———倾覆力臂, L=4.35m;

β———锚索合力与水平面夹角;

Vp———锚索合力的竖直分力;

F———抗滑摩阻系数, 取0.3

5 岩锚施工

5.1 施工工艺流程

岩锚定位→岩锚钻孔→锚索安装→岩锚注浆→岩锚张拉、压浆、补浆和封锚→岩锚试验→中层岩锚安装锚梁、压梁→验收、投入使用。

5.2 锚索制作安装

锚索制作工艺流程包括:钢绞线下料→安装导向帽, 架线环和紧箍环→安装注浆管→钢绞线穿束。

在平整场地上按照设计长度对钢绞线进行下料。下料长度=自由端长度+锚固段长度+锚梁长度+工作长度。

5.3 岩锚注浆及效果分析

注浆采用高压注浆机, 高压压浆管, 浆体采用拌合楼拌合, 用水泥罐车运输到现场。压浆机安放在公路边, 用高压管将砂浆压到孔口进行压浆施工。浆体要严格按照实验室提供的配合比搅拌均匀。在初凝前完成压浆, 注意严防浆体混入石头等杂物堵塞压浆管。

单索岩锚理论压浆方量为0.45m3。实际压浆情况为:50%压浆量在0.4~0.5m3之间、20%压浆量在0.5~1m3之间, 20%压浆量在1~2m3之间, 10%压浆量大于2m3。引起部分岩锚孔压浆量偏大的主要原因为山体较为破碎。

5.4 制作、安装压锚梁

压梁的作用是把锚具的集中荷载通过垫墩传递到岩面和调整岩面受力方向。中层锚区垫墩的上表面尽量在一个平面上, 以确保垫墩外表面与压梁的下表面紧密贴合。并且保证压梁的上表面与岩锚索轴线垂直。压梁采用在工厂加工, 加工后运到现场安装。

5.5 岩锚张拉

上、中、下层岩锚施工完成后完成后进行张拉, 所有拉力皆为1100k N。张拉过程分5级循环加荷, 加荷等级和观测时间按照规范执行。上、下层岩锚张拉后对其进行放张等待钢绞线对接。

5.6 张拉、试拉结果分析

岩锚张拉至1100k N拉力时钢绞线伸长值情况为:20%伸长值正常、80%伸长值偏小 (-6~-12%) 。通过分析确定引起伸长量偏小的主要原因为:浆体回流至岩锚的部分自由段内引起自由段减小。虽然伸长值偏小, 但并不影响岩锚扣力大小。

5.7 岩锚区整体注浆加固

整个岩锚锚碇施工完毕后, 应对锚区周围的岩体缝隙进行注浆孔注浆加固。注浆加固孔的孔径与岩锚孔径一致, 长度为28m。上 (下) 、中层锚区之间上下游各取1个孔位进行注浆加固, 严格监控水泥砂浆的用量, 如果压浆方量超出理论方量较多时就应在附近另外开孔注浆, 直到实际方量与理论方量基本一致时方可完成注浆加固。

6 结语

岩锚锚碇对环境影响较小、施工简便、受力明确, 适用于地质条件较好地方的锚碇设计。即使地质条件稍差也可通过增加灌浆孔对锚碇体进行加固, 确保工程施工安全。希望本文介绍能为同类工程起到借鉴作用。

摘要：在桥梁工程中, 锚碇常常作为永久结构或临时结构被广泛应用。在这些锚碇中工艺较为成熟及常用的有:重力式锚、桩锚、隧道锚等。盐边鳡鱼大桥的临时锚碇采用岩锚锚碇, 通过钢绞线对接的方式把扣索钢绞线的力传递至岩锚钢绞线。

关键词：锚碇,岩锚,扣索,钢绞线对接

参考文献

[1]《锚杆喷射混凝土支护技术规范》 (GB50086-2001) [S].

[2]《岩土锚杆 (索) 技术规程》 (CECS22:2005) [S].

[3]《钢结构设计规范》 (GB50017-2003) [S].

锚碇系统 篇7

悬索吊桥是古老、美观和实用的优越桥型, 锚碇是悬索吊桥的主要结构。在悬索吊桥中, 通常使用的重力式锚碇体积大和造价高, 严重阻碍了悬索吊桥的使用和发展。而其它形式的锚碇, 需要具备充分的地形和地质条件。

1.1 重力式锚碇

重力式锚碇是悬索吊桥的主要形式, 它是依靠锚碇的巨大重量与地基的摩擦力而获得稳定, 也是安全可靠的。但是, 重力式锚碇体积巨大、造价很高, 使悬索吊桥失去了竞争的优势, 一般是使用在难以跨越的特大跨径江河和海峡上。

1.2 隧道锚碇

由于悬索吊桥主索的拉力巨大, 在地形和地质条件具备时, 利用山体重量和岩石的抗剪能力, 做锚碇是经济和合理的。但是, 隧道锚碇对地质条件要求较高。由于岩层的破碎裂缝情况很复杂, 也无规律可寻, 要作定性的安全评定是困难的。故对于隧道锚碇的使用, 其安全性也是有争议的, 在使用中都是做得很保守的。

1.3 桩式锚碇

在基岩上做嵌岩桩的桩式锚碇, 也是一些人行吊桥和缆索吊装中经常采用的。由于拉力较小, 桩式锚碇也是经济、合理的。

1.4 复合型锚碇

利用基岩作掩体 (即坑槽) 作较小的锚碇体, 并与钢筋锚杆或预应力锚索相结合, 形成复合型锚碇。这实质是变化的应用隧道锚碇, 利用岩体重量和岩石抗剪能力的作用原理。在悬索吊桥中有实践应用, 也是经济、合理的。

在非岩石的地基中, 采用重力式锚碇加抗滑板桩的复合型锚碇, 可以减小重力式锚碇的体积;利用加设的抗滑板桩, 能够利用地基的土抗力, 获得锚碇抗滑动和倾覆稳定的需要, 比较经济、合理。

2 重力—抗滑桩复合锚碇的原理和特点

重力式锚碇的抗滑稳定原理, 是利用锚碇与地基的摩擦力来获得的, 即锚碇重量与地基的摩擦系数相乘, 再考虑较大的安全系数。碎石类土和软质岩地基的摩擦系数为0.5, 抗滑动和倾覆稳定的安全系数为1.3倍, 故水平拉力为H0.5x1.3G。所以, 重力式锚碇的体积很大, 造价较高。即使是在基底作阶梯、齿坎, 其作用是有限的, 也存在阶梯、齿坎的算法不便和不清楚的问题。

采用较小的重力或箱式锚碇, 加抗滑板 (墙式) 桩 (或矩形桩) 的复合锚碇, 可以减小锚碇的圬工数量, 降低锚碇的造价。由于重力锚碇与抗滑板桩的结构刚度都很大, 二者结合所形成的复合锚碇, 形如铁路道钉形式, 结构刚度很大, 抗弯、剪能力都很大。当其发生转动时, 可以利用和发挥锚碇前、后地基的土抗力, 锚碇下的板桩前土体被挤密实, 板桩后土抗力能获得很大的抗滑动和倾覆稳定性, 独具特点, 很适合用于土基和软质岩地基。在拱桥的无支架缆索吊装施工中, 抗滑桩复合锚碇用作缆索的临时地锚, 具有显著的经济效益。只是地基土为弹形体, 有一定微小的变形。重力—抗滑桩复合锚碇的刚度很大, 并不会发生滑动, 锚碇的抗滑稳定性可考、安全。

3 重力—抗滑桩复合锚碇的计算

重力—抗滑桩复合锚碇的形状特殊, 简化的计算无法反映出真实的情况, 尤其是刚性道钉形复合锚碇转动时的弹性土抗力作用。简化的计算尽管也是偏于安全的, 只是物理概念不清楚, 因而是不科学的。

采用计算机程序的平面应力有限单元法, 将复合锚碇结构和4m范围内的地基土, 都离散成为0.5x0.5的单元, 可以模拟计算出复合锚碇和周围地基的实际受力状况。采用有限单元法计算的结果来校验简化的计算, 是科学、合理的, 可以使物理概念更为直观和清楚。

4 设计示例

4.1 工程实例

XX水电站水库人行、牧道吊桥方案, 是电站赔偿牧民生产用桥梁, 要求满足畜群过桥的需要, 也要经久耐用, 避免养护麻烦。由于地形和地质条件特殊的限制, 桥位无选择余地。采用设墩、塔的双孔钢管混凝土桁架加劲的钢筋混凝土桥面, 主孔跨径160m, 矢跨比F/L=1/12, 主缆水平拉力H=5275k N;付孔半跨桥面竖直力V=1550k N。西岸地质为较破碎的软质岩, 采用重力—钢筋锚杆复合锚碇。东岸地质为坡积碎石土, 采用箱形重力—抗滑板桩复合锚碇。

4.2 计算方法

4.2.1 简化计算

假定不考虑箱形重力—抗滑板桩复合锚碇转动时的前、后土抗力影响作用, 只考虑复合锚碇前面的侧向土抗力作用, 假定竖直和水平方向的地基强度都相同。

锚碇重量G=365.89x25+2.87x7x3x18=10232 k N

摩擦抗滑力Hf= (10232+1480) x0.5=5856 k N

侧向土抗力Ht= (6+2) x6x40=1920 k N

碎石土的容许抗力[σ]=400k PA

抗滑稳定K= (5856+1920) /5941=1.3=[K]=1.3

4.2.2 平面应力有限单元法

计算建模:将复合锚碇结构和4m范围内的地基土, 都离散成为0.5x0.5的矩形单元。采用不同的材料、弹模和厚度, 地基土是弹性的, 只是弹模很小, 估计不会影响很远, 故作简化为固定边界处理。

计算图示:采用“迈达斯”程序的壳模型, 修改成平面应力厚板单元。将悬索集中压力V和水平拉力H, 分别加于单元结点上。

计算结果:计算结果采用计算的数值和应力云图表示。

A.边界节点反力:计算合力所加的外力相平衡, 说明建模和计算正确, 证明锚碇体有转动发生, 明显具有抗滑桩基的特点。自重力产生的云图, 推力引起的。

B.模型变形:外加集中力在锚碇体中和地基土体的内力也扩散减小。

C.模型内力:Fxx锚碇体前、下和板桩后压力大, 锚碇发生转动, 抗滑桩作用明显。

Fm ax板桩后压力很大, 起抗滑作用。Fm in板桩下压力很小大。

D.模型应力:Sig-xx和Sig-m ax锚碇体前、下和板桩后压应力大, 锚碇发生转动, 起抗滑作用。Sig-zz锚碇体内局部压应力大, 应该配钢筋份散应力。Sig-min板桩下压应力小。

5 结论

1) 重力—抗滑板桩复合锚碇的结构形式合理, 比单一结构形式的锚碇受力优越, 结构简单实用、安全可靠、经济合理。

2) 采用计算机程序的平面应力有限单元法, 可以模拟计算重力—抗滑板桩复合锚碇和周围地基的实际受力状况, 物理概念直观、清楚, 证明锚碇周围土基都有重要作用。

3) 重力—抗滑板桩复合锚碇的特点, 是充分利用了地基的土抗力, 有微小的有限变位发生;但是不会影响抗滑稳定和安全, 悬索的锚固位置降低, 可以减小锚定的变位。

4) 采用重力—抗滑板桩复合锚碇不受地形和地质的限制, 可以降低锚碇的造价, 扩大中、小跨径悬索吊桥的使用范围。

5) 采用重力—抗滑板桩复合锚碇, 可以作为自锚式悬索吊桥的施工和安全保险作用;便于按照传统的悬索施工方法, 先架设缆索和加劲梁, 利用锚碇的微小有限变位, 实现拉力锚固的传递转换, 形成复合型锚固, 对自锚式悬索吊桥的发展具有重要的意义。