[博士]软土地区悬索桥重力式锚碇稳定性和变位研究

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内容简介

　　[博士]软土地区悬索桥重力式锚碇稳定性和变位研究　　学科专业：结构工程　　授予学位： 博士　　学位授予单位：同济大学　　学位年度：2006　　 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旋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锭设计准则之间存在很大差距，因此，在软土地基上设计锚旋时，不仅需要对常规悬索桥重力式锚旋整体稳定性验算方法进行适当修正，而且需要进行锚旋变位验算。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旋进行了较系统的研究。这些研究成果，不但加深了对锚锭工作机理的认识，总结了软土地基上锚旋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旋整体稳定性和变位分析的理论方法。可以归纳如下:　　 (一)锚锭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，锚旋则经历了从后倾向前倾的变化。　　 在巨大的锚锭自重作用下，对于强度低、压缩性高的软土地基，锚旋前趾的沉降不能忽视。而锚旋前趾的沉降使得锚碳转动轴的位置不再是传统锚碗设计理论中假定的锚碳前趾部位，而是相对偏后，在锚锭基底范围内部，锚旋转动轴前面的地基承载力能够对锚锭抗倾覆稳定发挥一定的作用。　　 从锚锭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，锚旋侧面塑性区从锚旋附近地表逐渐向远处、向深处发展扩大，最后和锚旋底部塑性区贯通，形成完整连续的滑动面，引起锚旋失稳。　　 基坑开挖，锚旋结构周围土体向坑内位移，坑底土体隆起，锚旋下部地基由于受到基坑开挖卸载的扰动影响，强度降低。锚旋结构施工后，锚旋下部地基在锚旋基底压力作用下产生再压缩沉降。随着主缆拉力的施加，锚旋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。　　 锚锭结构四周接触面外侧的围护结构和土体均有助于锚旋结构保持稳定、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锭时，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，士压力到底取多少需慎重分析研究确定。 　　 (二)锚旋稳定性分析　　 锚旋基坑开挖结束，基础浇筑之前是比较危险的工况之一，而且锚旋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。　　 锚旋周围介质对锚锭稳定性和变位的影响非常明显，但考虑到悬索桥对锚旋位移的限制一般较严格，锚旋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旋位移的关系式。　　 软土地基上锚旋转动轴并非传统设计中假定的锚锭前趾点，在软土地区设计锚旋需考虑锚旋下地基承载力对锚锭稳定性的影响。本文采用魏锡克极限承载力公式推导了锚旋下转动轴前面地基承载力所能提供的抗倾援力矩。　　 在对上述3个方面分析的基础上，对常规重力式锚旋设计时整体稳定性验算公式进行了部分修正。　　 (三)锚旋变位分析　　 根据静力平衡条件，推导了能够考虑锚锭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，假定锚旋周围土体为线弹性体，得到了锚旋结构任意点变位的解析解，并给出了算例。　　 基于Miundlin, Cerniti应力解和分层总和法，提出了锚旋的沉降计算方法。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。　　 对节旋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碗变位的初步框架。　　 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，综合研究锚旋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旋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旋的设计、施工有参考价值。

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