CN112926195B - 一种重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法 - Google Patents

一种重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，包括：确定锚碇地基岩土体重度、粘聚力和内摩擦角参数；将重力式锚碇简化为长方体结构，确定锚碇结构尺寸参数；确定锚碇重量、重心位置、IP点位置、主缆入射角；确定锚碇‑地基V‑M‑H破坏面方程；确定锚碇‑地基外力荷载路径方程；计算锚碇极限缆力荷载；计算重力式锚碇‑地基体系稳定安全系数；由锚碇极限缆力荷载及设计确定的运营工况缆力荷载，对荷载路径积分，求得LPD安全系数；能正确考虑锚碇周围地基岩土体对锚碇‑地基承载能力的贡献，全面反映地基岩土体物理力学性质、锚碇几何尺寸、缆力荷载路径对锚碇‑地基体系稳定性的影响；适用于重力式锚碇设计和稳定性验算。

Description

一种重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法
技术领域
本发明属于桥梁、岩土工程技术领域，具体涉及一种重力式锚碇结构-地基体系的安全系数计算方法。
背景技术
重力式锚碇-地基体系稳定性分析是重力式锚碇设计必备的一个环节。目前重力式锚碇设计和稳定性验算主要参考《公路悬索桥设计规范》、《公路桥涵地基与基础设计规范》等，规范中将基础稳定性评价指标分为地基极限承载力、抗滑安全系数、抗倾覆安全系数，并给出相应的指标判定阈值，通过计算各指标判定基础的稳定程度。然而，学者们通过模型试验和数值模拟揭示了国内外很多重力式锚碇实际承载能力远大于设计值，主要原因是依据规范方法设计未考虑锚碇周围地基岩土体对其承载力的贡献，导致设计过于保守，锚碇体积往往过于庞大，造成工程上的巨大浪费。因此，亟需在正确认识锚碇-地基相互作用机制的基础上，发展一套更为适用的锚碇-地基稳定性分析方法，使重力式锚碇工程设计安全可靠，且更为经济合理。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明目的在于提供一种重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，使重力式锚碇工程设计安全可靠，且更为经济合理。
为了实现上述目的，本发明涉及一种重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，包括如下步骤：
一种重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，包括如下步骤：
步骤1：通过测试或试验确定地基岩土体物理力学参数,包括锚碇地基岩土体重度、粘聚力和内摩擦角参数；
步骤2：将重力式锚碇简化为长方体结构，确定锚碇结构尺寸参数；
步骤3：确定锚碇受力形式参数，包括锚碇重量、重心位置、IP点位置(锚碇散索鞍处)、主缆入射角参数；
步骤4：基于提出的平面任意力系作用下结构-地基V-M-H破坏准则方程和步骤1中通过测试或试验获得的地基岩土体物理力学参数、步骤2中通过设计确定的锚碇结构尺寸参数，确定锚碇-地基V-M-H破坏面方程；
步骤5：基于步骤2得到的锚碇几何参数、步骤3得到的锚碇受力形式参数，确定锚碇-地基外力荷载路径方程；
Figure GDA0003049932620000021
式中：G为锚碇重量；P为缆力荷载；β为主缆入射角；|OE|为锚碇重心与基底形心水平距离；|OF|为IP点与基底形心水平距离；|BC|为锚碇高度；
步骤6：由步骤4、步骤5中得到的锚碇-地基V-M-H破坏面方程、锚碇-地基外力荷载路径方程，计算锚碇极限缆力荷载；
步骤7：基于提出的LPD(Load Path Dependent)安全系数表达式，计算重力式锚碇-地基体系稳定安全系数；LPD安全系数表达式为：
Figure GDA0003049932620000022
式中：FLPD为LPD安全系数；LAC为施加缆力至极限平衡状态的荷载路径；LAB为施加缆力至运营状态的荷载路径；
由步骤6所确定的锚碇极限缆力荷载及设计确定的运营工况缆力荷载、根据式(22)，对荷载路径积分，即可求得LPD安全系数，以此作为重力式锚碇结构-地基体系稳定安全系数。
进一步的：所述步骤1中锚碇地基岩土体重度的测定方法为钻孔取芯法、灌水法或环刀法。
进一步的：所述步骤1中锚碇地基岩土体粘聚力和内摩擦角的测定方法为通过常规三轴剪切试验或大型直剪试验。
进一步的：所述步骤2中锚碇结构尺寸包括横桥方向锚碇长度、顺桥方向锚碇长度、锚碇高度及锚碇埋深。
进一步的：所述步骤4中提出的平面任意力系作用下结构-地基V-M-H破坏准则方程，其表达式为：
Figure GDA0003049932620000031
Figure GDA0003049932620000032
Figure GDA0003049932620000033
Figure GDA0003049932620000034
式中：M为平面任意力系作用下以结构基底形心为受力简化中心的主矩；H为主矢水平分量；V为主矢竖向分量；Vmax为结构受中心竖向荷载作用下的地基极限承载力；B为顺桥方向锚碇长度；θ为V-M-H破坏面M-H截面椭圆偏转角；a为对应于M轴的椭圆半轴长；b为对应于H轴的椭圆半轴长；li、mi、ni(i＝1、2、3)为与锚碇、地基岩土体物理力学性质有关的方程参数；
采用如下方程表达式表示结构-地基破坏准则方程中的各个参数：
Vmax＝pu·B·L (5)
Figure GDA0003049932620000041
Figure GDA0003049932620000042
Figure GDA0003049932620000043
Figure GDA0003049932620000044
Figure GDA0003049932620000045
Figure GDA0003049932620000046
n1＝n10·D (12)
Figure GDA0003049932620000047
Figure GDA0003049932620000048
n2＝n20·D (15)
Figure GDA0003049932620000049
Figure GDA00030499326200000410
Figure GDA00030499326200000411
式中：pu为单位面积地基极限承载力；L为横桥方向锚碇长度；γ为地基岩土体重度；c为地基岩土体粘聚力；
Figure GDA00030499326200000412
为地基岩土体内摩擦角；D为锚碇埋深；Nγ、Nc、Nq为地基承载力系数；sγ、sc、sq为形状修正系数；lij、mij、nij(i＝1、2、3；j＝0、1、2、3、4、5、6)为反映锚碇-地基相互作用内在规律的参数，e指自然常数。
进一步的：式(6)中的参数Nγ、Nc、Nq通过Terzaghi地基承载力系数图确定。
进一步的：式(10)～(18)中的参数lij、mij、nij(i＝1、2、3；j＝0、1、2、3、4、5、6)根据数值模拟试验得到的拟合系数表确定。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，仅需测量重力式锚碇地基岩土体物理力学参数，确定重力式锚碇概化模型几何尺寸、缆力荷载作用方式，即可计算得到锚碇-地基稳定安全系数。相较于现有规范设计验算方法，该方法能正确考虑锚碇周围地基岩土体对锚碇-地基承载能力的贡献，能全面反映地基岩土体物理力学性质、锚碇几何尺寸、缆力荷载路径对锚碇-地基体系稳定性的影响；
(2)本发明的重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，相较于模型试验、数值模拟方法，该方法简单易行、操作简便，能大大节省人力、物力和财力。较为适用于重力式锚碇设计和稳定性验算。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的重力式锚碇-地基概化模型；
图2为本发明较佳实施例的Terzaghi地基承载力系数图；
图3为本发明较佳实施例的锚碇受力图示；
表1为本发明较佳实施例的锚碇-地基V-M-H破坏面方程参数取值表；
图4为本发明用于对比核算的锚碇-地基数值仿真计算模型；
图5为数值仿真计算模型的顺桥方向中线剖面图；
图6为数值仿真试验极限缆力状态图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
一种重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，其步骤为：
步骤1：根据现场地层条件，通过钻孔取芯、灌水法或环刀法测地基岩土体重度；通过常规三轴剪切试验或大型直剪试验等，获得锚碇地基岩土体粘聚力和内摩擦角。
步骤2：将重力式锚碇简化为长方体结构，如图1所示，设计横桥方向锚碇长度、顺桥方向锚碇长度、锚碇高度、锚碇埋深等结构尺寸。
步骤3：根据设计锚碇重度初步计算锚碇重量，设计锚碇重心位置、IP点位置、主缆入射角，如图1所示。
步骤4：基于提出的平面任意力系作用下结构-地基V-M-H破坏准则方程，根据锚碇、地基岩土体物理力学参数确定锚碇-地基V-M-H破坏面方程。
其中，平面任意力系作用下结构-地基V-M-H破坏准则方程如下：
Figure GDA0003049932620000061
Figure GDA0003049932620000062
Figure GDA0003049932620000071
Figure GDA0003049932620000072
式中：M为平面任意力系作用下以结构基底形心为受力简化中心的主矩；H为主矢水平分量；V为主矢竖向分量；Vmax为结构受中心竖向荷载作用下的地基极限承载力；B为顺桥方向锚碇长度；θ为V-M-H破坏面M-H截面椭圆偏转角；a为对应于M轴的椭圆半轴长；b为对应于H轴的椭圆半轴长；li、mi、ni(i＝1、2、3)为与锚碇、地基岩土体物理力学性质有关的方程参数。
锚碇-地基V-M-H破坏准则方程参数根据式(5)～(18)确定：
Vmax＝pu·B·L (5)
Figure GDA0003049932620000073
Figure GDA0003049932620000074
Figure GDA0003049932620000075
Figure GDA0003049932620000076
Figure GDA0003049932620000077
Figure GDA0003049932620000078
n1＝n10·D (12)
Figure GDA0003049932620000079
Figure GDA00030499326200000710
n2＝n20·D (15)
Figure GDA00030499326200000711
Figure GDA0003049932620000081
Figure GDA0003049932620000082
式中：pu为单位面积地基极限承载力；L为横桥方向锚碇长度；γ为地基岩土体重度；c为地基岩土体粘聚力；
Figure GDA0003049932620000083
为地基岩土体内摩擦角；D为锚碇埋深；Nγ、Nc、Nq为地基承载力系数；sγ、sc、sq为形状修正系数；lij、mij、nij(i＝1、2、3；j＝0、1、2、3、4、5、6)为反映锚碇-地基相互作用内在规律的参数。
式(6)中的参数Nγ、Nc、Nq根据Terzaghi(太沙基)地基承载力系数(图2)确定。
式(10)～(18)中的参数lij、mij、nij(i＝1、2、3；j＝0、1、2、3、4、5、6)根据表1确定，表1数据来自根据数值模拟试验。
表1
Figure GDA0003049932620000084
Figure GDA0003049932620000091
将步骤1中通过测试或试验获得的地基岩土体物理力学参数、步骤2中通过设计确定的锚碇结构尺寸参数代入结构-地基V-M-H破坏准则方程，即得到锚碇-地基V-M-H破坏面方程，此时方程中只含有3个未知变量V、M、H。
步骤5：请参考图3，根据步骤2、步骤3设计的参数，确定锚碇-地基外力荷载路径方程。
锚碇-地基外力荷载路径方程根据式(19)～(21)确定：
V＝G-Psinβ (19)
M＝G·|OE|+P(|OF|·sinβ-|BC|·cosβ) (20)
H＝Pcosβ (21)
式中：G为锚碇重量；P为缆力荷载；β为主缆入射角；|OE|为锚碇重心与基底形心水平距离；|OF|为IP点与基底形心水平距离；|BC|为锚碇高度。
将步骤2和步骤3中通过设计确定的锚碇几何参数、受力形式参数代入式(19)～(21)，即可完全确定锚碇-地基外力荷载路径方程，方程为V、M、H关于P的参数方程。
步骤6：通过联立步骤4所确定的锚碇-地基V-M-H破坏面方程、步骤5所确定的锚碇-地基外力荷载路径方程，即可计算得到任意荷载路径下锚碇极限缆力荷载。
步骤7：基于提出的LPD(Load Path Dependent)安全系数表达式，计算重力式锚碇-地基体系稳定安全系数。
LPD(Load Path Dependent)安全系数表达式根据式(22)确定：
Figure GDA0003049932620000101
式中：FLPD为LPD安全系数；LAC为施加缆力至极限平衡状态的荷载路径；LAB为施加缆力至运营状态的荷载路径。
由设计确定的运营工况缆力荷载、步骤6所确定的锚碇极限缆力荷载，根据式(22)，对荷载路径积分，即可求得LPD安全系数，以此作为重力式锚碇结构-地基体系稳定安全系数。
计算对比实例：
为对本方案计算方法的准确度进行核算，下面展示了本方案计算方法和数值仿真试验计算结果的对比，实例工况参数见表2；数值仿真计算见图4-图6的数值模拟过程图：
表2
Figure GDA0003049932620000102
本计算方法与数值仿真试验结果对比见表3
表3
Figure GDA0003049932620000103
本专利方法所计算重力式锚碇-地基体系安全系数比数值仿真试验值低3.8％，计算结果具有较高的准确度，表明本专利方法可代替成本大、操作复杂的物理模型试验和数值仿真试验，便于推广应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：通过测试或试验确定地基岩土体物理力学参数,包括锚碇地基岩土体重度、粘聚力和内摩擦角参数；
步骤2：将重力式锚碇简化为长方体结构，确定锚碇结构尺寸参数；
步骤3：确定锚碇受力形式参数，包括锚碇重量、重心位置、IP点位置、主缆入射角参数；
步骤4：基于提出的平面任意力系作用下结构-地基V-M-H破坏准则方程和步骤1中通过测试或试验获得的地基岩土体物理力学参数、步骤2中通过设计确定的锚碇结构尺寸参数，确定锚碇-地基V-M-H破坏面方程；
步骤5：基于步骤2得到的锚碇几何参数、步骤3得到的锚碇受力形式参数，确定锚碇-地基外力荷载路径方程；
Figure FDA0003540389850000011
式中：G为锚碇重量；P为缆力荷载；β为主缆入射角；|OE|为锚碇重心与基底形心水平距离；|OF|为IP点与基底形心水平距离；|BC|为锚碇高度；
步骤6：由步骤4、步骤5中得到的锚碇-地基V-M-H破坏面方程、锚碇-地基外力荷载路径方程，计算锚碇极限缆力荷载；
步骤7：基于提出的LPD安全系数表达式，计算重力式锚碇-地基体系稳定安全系数；LPD安全系数表达式为：
Figure FDA0003540389850000021
式中：FLPD为LPD安全系数；LAC为施加缆力至极限平衡状态的荷载路径；LAB为施加缆力至运营状态的荷载路径；
由步骤6所确定的锚碇极限缆力荷载及设计确定的运营工况缆力荷载、根据式(22)，对荷载路径积分，即可求得LPD安全系数，以此作为重力式锚碇结构-地基体系稳定安全系数。
2.根据权利要求1所述的重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，其特征在于：所述步骤1中锚碇地基岩土体重度的测定方法为钻孔取芯法、灌水法或环刀法。
3.根据权利要求1所述的重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，其特征在于：所述步骤1中锚碇地基岩土体粘聚力和内摩擦角的测定方法为通过常规三轴剪切试验或大型直剪试验。
4.根据权利要求1所述的重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，其特征在于：所述步骤2中锚碇结构尺寸包括横桥方向锚碇长度、顺桥方向锚碇长度、锚碇高度及锚碇埋深。
5.根据权利要求1所述的重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，其特征在于：所述步骤4中提出的平面任意力系作用下结构-地基V-M-H破坏准则方程，其表达式为：
Figure FDA0003540389850000031
式中：M为平面任意力系作用下以结构基底形心为受力简化中心的主矩；H为主矢水平分量；V为主矢竖向分量；Vmax为结构受中心竖向荷载作用下的地基极限承载力；B为顺桥方向锚碇长度；θ为V-M-H破坏面M-H截面椭圆偏转角；a为对应于M轴的椭圆半轴长；b为对应于H轴的椭圆半轴长；li、mi、ni为与锚碇、地基岩土体物理力学性质有关的方程参数，i＝1、2、3；
采用如下方程表达式表示结构-地基破坏准则方程中的各个参数：
Vmax＝pu·B·L (5)
Figure FDA0003540389850000032
Figure FDA0003540389850000033
Figure FDA0003540389850000034
Figure FDA0003540389850000035
Figure FDA0003540389850000036
Figure FDA0003540389850000037
n1＝n10·D (12)
Figure FDA0003540389850000038
Figure FDA0003540389850000041
n2＝n20·D (15)
Figure FDA0003540389850000042
Figure FDA0003540389850000043
Figure FDA0003540389850000044
式中：pu为单位面积地基极限承载力；L为横桥方向锚碇长度；γ为地基岩土体重度；c为地基岩土体粘聚力；
Figure FDA0003540389850000045
为地基岩土体内摩擦角；D为锚碇埋深；Nγ、Nc、Nq为地基承载力系数；sγ、sc、sq为形状修正系数；lij、mij、nij为反映锚碇-地基相互作用内在规律的参数，e指自然常数，i＝1、2、3；j＝0、1、2、3、4、5、6。
6.根据权利要求5所述的重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，其特征在于,式(6)中的参数Nγ、Nc、Nq通过Terzaghi地基承载力系数图确定。
7.根据权利要求5所述的重力式锚碇结构地基体系的安全系数计算方法，其特征在于,式(10)～(18)中的参数lij、mij、ni根据数值模拟试验得到的拟合系数表确定。
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