[12-11 16:59:19] 来源：http://www.tmgc8.com 桥梁工程 阅读：3252次
键词：深基坑，有限元，反分析，支护结构
1 研究背景 近年来，随着我国桥梁事业的快速发展，在悬索桥建设过程中出现了一些超深基坑工程。如黄埔大桥南北锚碇基础圆形基坑，直径70m，开挖深度分别为25和30m。在施工过程中，地连墙的受力必须得到严格控制，目前工程上常用的方法是在地连墙的钢筋笼上预先安装钢筋应力计以监控其受力。然而钢筋应力计的数量不可能很多且数据通常很离散，难以真实反应墙体各部分应力。对于锚碇基坑这样的重大工程，必须及时提供地下连续墙的应力状况，为开挖现场提供决策依据。考虑到现场实测的墙体变形数据比较翔实，本文利用有限元方法，利用墙体变形反演了其受力特征，并在施工过程中得到了验证和应用【1】。 2 工程特点 黄埔珠江大桥南汊悬索桥为双塔悬索桥，主跨1108米，为中国华南地区第一长的公路悬索大桥，该桥建成后将成为广州市标志性建筑。本文的研究主要依据开挖深度为30m的北锚碇展开：北锚碇基础工程位于珠江波萝庙船厂段的江中的大濠沙岛上，围护结构为直径71.80m，壁厚1.2米的圆形地下连续墙，内设2.0米～2.5米钢筋混凝土内衬。顶、底板厚5m，中间为填芯混凝土。在强风化岩层厚度大于6m时，地下连续墙进入弱风化岩层深度不小于0.5m，强风化岩厚度3～6m时，嵌入弱风化岩深度不小于1.5m，强风化岩小于3m时嵌入弱风化岩不小于2.5m，开挖深度为30m，深度为34.0～43.19m。为提高基 底应力分布的均匀性，在基础前半部设置33个空隔仓。锚体尾部悬出地连墙部分地基需进行处理，设计采用Φ50cm粉喷桩进行加固处理，并在表面浇30cm厚混凝土垫层。 根据北锚碇地质情况及防洪要求，经方案比较研究，决定采用排水明挖施工方法。地下连续墙施工完成后，采用逆作法，分层开挖土体，分层施工内衬。各层施工工期由土体开挖控制，内衬及土体分层厚度为3m。采用岛式开挖法进行土体开挖。土体力学参数列于表1。 表1 地层力学参数 土层 容重KN/m3 粘聚力kPa 内摩擦角 层厚m 淤泥土 17.7 8 5 3 粉细砂 19 1 15 2 亚砂土 18.5 1 20 6 中粗砂 19.5 1 30 3 残积亚粘土 18.0 10 20 7 全风化岩 18.5 13 22 8 强风化岩 22.0 20 25 5.0 弱风化岩 24.5 3000 30 2.5 微风化岩 26.0 8000www.tmgc8.com 40 － 3 地连墙监测 地连墙监测包括：地下连续墙深层侧向变形监测(测斜)、墙体钢筋应力监测、墙体温度监测。在地下连续墙内埋设带导槽PVC塑料管，以跟踪围护结构侧向位移。针对本工程系圆形基坑的特点，均匀布设8孔，即P1～P8，其深度同墙深，PVC塑料管外径Φ70mm。如图1所示： 图1 测斜孔布置 在连续墙内布设钢筋应力测孔，在平行与垂直大桥轴线的二个方向上布设4个监测孔，在45度角位置上另布设4个监测孔，每个监测孔中分二个剖面埋设，分别为迎土、迎坑面(即G1-A、G1-B～G9-A、G9-B)。根据本工程的特点，每个监测孔埋设18只应力计，其中第1组应力计布设在墙顶向下6米处，以后布设深度依次分别为10、14、18、22、24、26、28、30米。每个剖面的同一横截面内布设两只呈对称布置应力计，因此共布设144只应力计。应力计直径与钢筋主筋相同，在埋设位置截断主筋用钢筋应力计置换。应力计导线在钢筋笼内用软绳统一固定在主筋上，引出地面，在连续墙顶部用钢套管保护，接入接线盒内保护，不受施工破坏。如图2所示。 图2 钢筋应力监测孔布置 考虑到全文篇幅，本文只取P5孔的变形监测结果以及开挖结束后的钢筋应力监测结果。 图3 地连墙实测变形 图4 地连墙外侧钢筋应力 图5 地连墙内侧钢筋应力 图3给出了施工阶段地连墙的变形，图4和图5给出了开挖结束后地连墙纵向钢筋的应力，可见钢筋的应力水平都很低，在大部分部位拉应力和压应力都不超过5Mpa，最大拉应力不超过20Mpa，说明拱效应有效地减少了地下连续墙的竖向受力。测点在嵌岩位置应力明显增大，这与该处地下连续墙的受力与变形相协调的。即基岩的顶面地连墙有的应力集中现象。 4 地连墙应力反分析 4．1支护结构位移数据拟合 由于测斜管的工作环境、温度变化、测量仪器精度等诸多因素的影响，实测得到的位移数据离散很大，考虑到变形的连续性，在用于内力分析前应该对其进行拟合处理。由于测量数据有一定误差，如果采用样条函数拟合曲线会使得曲线中继续保留测量误差，因而本文采用基于最小二乘法的多项式函数进行实测数据处理，其实质是离散情况下的最佳平方逼进，当然这种拟合强调的是数据变化的趋势而不是每一点的精确位移。 4．2有限元模型的建立 计算采用通用软件ANSYS[3]，计算模型选取P5测斜孔位置处一幅地连墙，取半结构进行计算，采用分离式建模方法，将混凝土和钢筋分别划分单元。钢筋采用Link8杆单元；混凝土采用能够考虑开裂作用的Solid65实体单元；土体和岩石采用Solid45单元。钢筋和地连墙通过共用节点连接，不考虑二者之间的粘结滑移。混凝土本构关系采用Saenz公式【4】，破坏准则采用Willam & Warnke五参数准则；土体材料采用D-P模型。 4.3计算结果 图6给出了各工况下地连墙外侧钢筋的应力水平，图7给出了开挖结束后地连墙的裂缝分布。可见计算的钢筋应变值与实测值较为吻合；混凝土的裂缝基本集中在嵌岩位置处，这与支护结构的变形特征和应力特征是吻合的，同时在基坑开挖过程时未发现地连墙有严重的渗漏现象，说明支护结构有足够的安全储备。 图6 地连墙外侧钢筋应力计算值 图7 地连墙嵌岩位置裂缝 5 结论 深基坑工程是岩土工程研究的热点问题之一，本文所探讨的黄埔大桥北锚工程是目前国内罕见的特大基坑，在施工过程中仅仅通过实测钢筋应力和肉眼观测裂缝是难以全面反应支护结构的受力特征的。基于实测位移对支护结构内力进行反演的方法可以在一定程度上弥补传统方法的不足，从而为基坑开挖的信息化施工提供条件。 参考文献 [1] 林鸣，张鸿，徐伟,润扬长江公路大桥北索塔北锚碇工程施工技术.中国建筑工业出版社,2003. www.tmgc8.com [2] 郭慧光，刘玉涛，徐伟，阳逻长江公路大桥南锚碇基础深基坑开挖模拟与实测分析[J]桥梁建设，20004（3） [3] ANSYS公司，ANSYS分析指南[R].北京：ANSYS公司北京办事处，1999. [4] 吕西林，金国芳，吴晓涵，钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用，同济大学出版社，1996 作者简介： 谢军：1966.10，大学本科，道路与桥梁工程专业，高级工程师。 工作单位：广州珠江黄埔大桥建设有限公司，工程部经理 电话：13725450038 82050362 ；传真：82050419 82050362 邮箱：djxiejun@sina.com