软土地区悬索桥重力式锚碇稳定性和变位研究

摘要

随着交通建设事业的快速发展，近年来不断有悬索桥重力式锚碇需要建在软土地基上，然而软土地基的特性与目前悬索桥重力式锚碇设计准则之间存在很大差距，因此，在软土地基上设计锚碇时，不仅需要对常规悬索桥重力式锚碇整体稳定性验算方法进行适当修正，而且需要进行锚碇变位验算。本文以此为背景，采用相似模型试验、解析分析和数值模拟三种手段相互验证的方法从整个施工、运营过程对悬索桥重力式锚碇进行了较系统的研究。这些研究成果，不但加深了对锚碇工作机理的认识，总结了软土地基上锚碇整体稳定和变位的一些规律，而且提出了适合软土地区重力式锚碇整体稳定性和变位分析的理论方法。可以归纳如下： (一)锚碇及周围土体稳定性和变位规律从基坑开挖到基础形成，从锚体浇筑到全桥运营，地基先由均匀受压到后倾偏心受压再到前倾偏心受压，锚碇则经历了从后倾向前倾的变化。 在巨大的锚碇自重作用下，对于强度低、压缩性高的软土地基，锚碇前趾的沉降不能忽视。而锚碇前趾的沉降使得锚碇转动轴的位置不再是传统锚碇设计理论中假定的锚碇前趾部位，而是相对偏后，在锚碇基底范围内部，锚碇转动轴前面的地基承载力能够对锚碇抗倾覆稳定发挥一定的作用。 从锚碇发生失稳破坏的整个过程来看，随着基坑开挖、混凝土浇筑和主缆拉力的逐渐增加，锚碇侧面塑性区从锚碇附近地表逐渐向远处、向深处发展扩大，最后和锚碇底部塑性区贯通，形成完整连续的滑动面，引起锚碇失稳。 基坑开挖，锚碇结构周围土体向坑内位移，坑底土体隆起，锚碇下部地基由于受到基坑开挖卸载的扰动影响，强度降低。锚碇结构施工后，锚碇下部地基在锚碇基底压力作用下产生再压缩沉降。随着主缆拉力的施加，锚碇前侧土体出现竖向和水平向位移。土体竖向和水平向位移随主缆拉力、测点距离等因素的变化而变化。 锚碇结构四周接触面外侧的围护结构和土体均有助于锚碇结构保持稳定、减少变位，但各接触面作用力发挥作用的大小随主缆拉力的变化而变化。从这点来看，在软土地基上设计下埋重力式锚碇时，可以适当考虑前侧土体的抗力作用，但由于实际土压力非常复杂，土压力到底取多少需慎重分析研究确定。 (二)锚碇稳定性分析锚碇基坑开挖结束，基础浇筑之前是比较危险的工况之一，而且锚碇施工中基坑开挖卸载等因素对基底土层产生了扰动影响，降低了地基承载能力，本文进行地基稳定性分析时考虑这种扰动影响，对地基承载力进行适当折减。 锚碇周围介质对锚碇稳定性和变位的影响非常明显，但考虑到悬索桥对锚碇位移的限制一般较严格，锚碇前侧围护结构不可能达到极限平衡状态，需要分析能够考虑围护结构最大容许位移的抗力，本文采用弹性地基梁理论推导了围护结构抗力和锚碇位移的关系式。 软土地基上锚碇转动轴并非传统设计中假定的锚碇前趾点，在软土地区设计锚碇需考虑锚碇下地基承载力对锚碇稳定性的影响。本文采用魏锡克极限承载力公式推导了锚碇下转动轴前面地基承载力所能提供的抗倾覆力矩。在对上述3个方面分析的基础上，对常规重力式锚碇设计时整体稳定性验算公式进行了部分修正。 (三)锚碇变位分析根据静力平衡条件，推导了能够考虑锚碇结构各接触面上土与结构相互作用的变位分析模型。在此基础上，假定锚碇周围土体为线弹性体，得到了锚碇结构任意点变位的解析解，并给出了算例。 基于Mindlin、Cerruti应力解和分层总和法，提出了锚碇的沉降计算方法。该方法吸取了分层总和法可以充分考虑场地土层分布的优点，又改进了规范中分层总和法采用解确定附加应力场的局限性。 对锚碇变位的非线性分析进行了简单讨论，提出了采用接触面双曲线本构关系分析锚碇变位的初步框架。 本文通过对相似模型试验、解析分析和三维数值模拟三种成果相互验证，综合研究锚碇结构与土体的相互作用机理和稳定性、变形规律，无疑有助于加深对软土地区重力式锚碇设计的适用性和安全度的认识，研究得到的规律、成果对悬索桥重力式锚碇的设计、施工有参考价值。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1引言

1.2本课题的研究历史及现状

1.2.1稳定性方面的研究

1.2.2变位方面的研究

1.2.3锚碇体设计方面的研究

1.2.4施工方面的研究

1.2.5结构抗震方面的研究

1.3本文的主要工作

1.4论文的主要创新点

第2章悬索桥及锚碇基本知识

2.1悬索桥

2.2锚碇

2.2.1锚碇的基本概念和分类

2.2.2锚碇选型原则

2.2.3重力式锚碇的构成

2.2.4重力式锚碇设计要点、方法

第3章锚碇与土体相互作用机理

3.1概述

3.2锚碇与土接触面剪切变形规律

3.2.1接触面剪切摩擦机理

3.2.2接触面剪切变形的研究内容、方法

3.2.3接触面剪切变形的影响因素

3.2.4接触面剪切破坏面位置

3.2.5接触面变形的形式

3.2.6接触面本构关系

3.2.7小结

3.3锚碇侧面土压力与变形规律

3.3.1软土地区锚碇考虑前侧土压力的意义

3.3.2影响土压力的因素

3.3.3经典土压力理论

3.3.4土压力理论的改进

3.3.5小结

第4章宁波庆丰大桥锚碇模型试验

4.1概述

4.2模型试验基本概念

4.2.1模型试验发展概述

4.2.2相似模型试验基本原理

4.3工程概况

4.4试验目的、内容

4.5试验设计

4.5.1相似材料

4.5.2相似常数

4.5.3模拟范围的确定

4.5.4模型试验结构设计

4.5.5加荷和量测

4.5.6试验步骤

4.6试验成果分析

4.6.1锚碇结构的变位规律

4.6.2碇结构相邻土层的位移

4.6.3锚碇结构周围土体中压力变化

4.6.4锚碇周围覆土影响

4.6.5锚碇基底加固对锚碇稳定的影响

4.6.6基坑围护结构影响

4.6.7锚碇变位时效分析

4.6.8锚碇安全度评价

4.7小结

第5章锚碇稳定性解析分析

5.1概述

5.2施工扰动对地基承载力的影响

5.2.1引起地基强度降低的因素

5.2.2卸载对地基强度的影响

5.2.2卸载后强度的确定

5.3前侧围护结构对锚碇稳定性影响

5.3.1围护结构抗力发挥机理

5.3.2围护结构变位形式

5.3.3围护结构抗力主要计算方法

5.3.4弹性围护结构抗力分析

5.4地基承载力对锚碇抗倾覆稳定性的影响

5.5基底抗滑力分析

5.6锚碇稳定性评价

5.6.1地基承载力评价

5.6.2抗滑移稳定性评价

5.6.3抗倾覆稳定性评价

5.7小结

第6章锚碇变位解析分析

6.1概述

6.2锚碇变位分析基本方程

6.2.1基本假定

6.2.2分析模型

6.2.3几何关系

6.2.4本构关系

6.2.5平衡方程

6.2.6控制方程

6.3锚碇线弹性变位分析

6.3.1线弹性基床系数

6.3.2接触面相互作用力

6.3.3线弹性控制方程

6.3.4线弹性理论解

6.3.5算例

6.4锚碇沉降分析

6.4.1采用Mindlin解研究锚碇沉降的意义

6.4.2简化分析模型

6.4.3地基附加应力

6.4.4锚碇最终沉降量

6.4.5计算参数

6.4.6算例

6.5非线性弹性变位分析

6.6小结

第7章锚碇工作机理的数值分析

7.1概述

7.2软件简介

7.2.1 FLAC3D的特点

7.2.2FLAC3D计算分析一般步骤

7.3锚碇数值模型的建立

7.3.1差分网格及边界条件

7.3.2本构关系

7.3.3计算参数

7.3.4初始条件

7.3.5接触面

7.4模拟结果

7.4.1锚碇及周围土体位移场

7.4.2锚碇结构失稳发展过程

7.4.3锚碇周围接触面作用力

7.4.4各接触面对主缆拉力的分配

7.5数值解和模型试验、解析解的对比

7.6小结

第8章结论与展望

8.1总结与结论

8.1.1锚碇及周围土体稳定性和变位规律

8.1.2锚碇稳定性和变位的理论分析方法

8.2进一步工作的方向

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果