青草背長(zhǎng)江大橋北錨碇摩阻力試驗(yàn)

劉 洋，趙明階，鄭升寶

（1.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074;2.水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶巖基研究中心，重慶 400074;3.重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，重慶 401121）

青草背長(zhǎng)江大橋北錨碇摩阻力試驗(yàn)

劉 洋1，2，趙明階1，鄭升寶3

（1.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074;2.水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室重慶巖基研究中心，重慶 400074;3.重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，重慶 401121）

以涪陵青草背長(zhǎng)江大橋北錨碇（重力式錨碇）為例，在北錨碇地基持力層部位進(jìn)行了原位摩阻力試驗(yàn)，結(jié)合室內(nèi)巖塊力學(xué)試驗(yàn)成果及地基持力層的工程地質(zhì)狀況，對(duì)混凝土（強(qiáng)度等級(jí)為C30）與地基持力層基巖接觸面的峰值抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)、抗剪強(qiáng)度參數(shù)以及比例界限值相對(duì)應(yīng)的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究。結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)摩阻系數(shù)的不同取值方法進(jìn)行了綜合分析，最終確定該錨碇的摩阻系數(shù)為0.58，滿足設(shè)計(jì)要求，供類似的重力式錨碇摩阻力試驗(yàn)參考。

重力式錨碇;摩阻系數(shù);原位試驗(yàn);抗剪斷;抗剪

懸索橋作為跨越能力最大的橋型，在我國(guó)被廣泛采用而進(jìn)入快速發(fā)展的階段。懸索橋按其錨固方式可以分為自錨式和地錨式懸索橋，自錨式懸索橋?qū)⒅骼|直接錨固在加勁梁的兩端，使加勁梁直接承受主纜傳來的水平分力;地錨式懸索橋使主纜通過重力式錨碇或隧道式錨碇將荷載產(chǎn)生的拉力傳遞給所錨固的巖土體。對(duì)于采用重力式錨碇的懸索橋而言，錨碇體的受力機(jī)制體現(xiàn)為作用在懸索橋的主纜上巨大的拉力通過索股與錨碇架分散傳到錨塊上，再由錨塊、基礎(chǔ)通過摩阻力傳遞到地基上，以地基的反力來抵抗錨塊、基礎(chǔ)與索股拉壓力在豎直方向的分量，而索股在水平方向的巨大拉力則由錨塊基礎(chǔ)與地基的摩阻力抵抗［1-3］。根據(jù)現(xiàn)行的錨碇在荷載作用下不發(fā)生沉降、滑移及轉(zhuǎn)動(dòng)的原則，錨碇基礎(chǔ)與基巖之間的摩阻力是影響整個(gè)懸索橋安全性的關(guān)鍵因素之一。筆者以涪陵青草背長(zhǎng)江大橋北錨碇為例，通過對(duì)原位摩阻力試驗(yàn)及室內(nèi)巖塊試驗(yàn)成果的分析，結(jié)合錨碇基礎(chǔ)底部基巖的工程地質(zhì)條件，在參考現(xiàn)行相關(guān)的規(guī)程、規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，確定了該橋北錨碇的摩阻系數(shù)。

1 工程概況

涪陵青草背長(zhǎng)江大橋是重慶三環(huán)高速公路涪陵李渡—南川雙河口段工程項(xiàng)目，主橋?yàn)閱慰?88 m懸索橋，流線型扁平鋼箱梁，門形框架索塔，鉆孔群樁基礎(chǔ);南岸引橋?yàn)?～35 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁+2～90 m預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu);北岸引橋?yàn)?7～35 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁;全橋長(zhǎng)1 719 m，見圖1。

圖1 青草背長(zhǎng)江大橋主跨788 m懸索橋橋型總體布置Fig.1 Overall layout of Qingcaobei Yangtze River Bridge with the main span of 788 m suspension bridge

該懸索橋錨碇均為重力式錨碇，其中北錨碇屬于LJ 16施工段，位于重慶市涪陵區(qū)李渡鎮(zhèn)玉屏村，為擴(kuò)大基礎(chǔ)三角框架式混凝土重力錨體。北錨碇結(jié)構(gòu)長(zhǎng)64 m，寬48.7 m，高51.5 m，混凝土總量達(dá) 56 968.7 m3。錨碇基礎(chǔ)位于中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖上，頂面高程為255.212 m，基底前趾高程為208.212 m，后趾高程為 203.712 m，地面標(biāo)高為 228.000～234.000，基礎(chǔ)埋深平均為25.0 m，開挖深度為22～28 m。錨體由基礎(chǔ)、錨塊、散索鞍墩、后錨塊、錨室組成。根據(jù)設(shè)計(jì)要求北錨基礎(chǔ)落在新鮮的中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖上，基底摩阻系數(shù)不小于0.5。為了確定錨碇基礎(chǔ)的摩阻系數(shù)是否滿足要求，在錨碇基底開挖高程進(jìn)行原位摩阻系數(shù)試驗(yàn)。

北錨區(qū)地貌總體屬長(zhǎng)江岸坡地貌，該區(qū)為緩坡地形，地形坡角5～10°，丘陵地貌，北東高南西低，地面標(biāo)高230.0 ～233.0 m，相對(duì)高差 3.0 m。上覆第四系全新統(tǒng)堆積（Qme4）的填筑土，厚0.00～1.50 m，第四系全新統(tǒng)殘坡積（Qel+dl4）的黏土，厚0.00～2.20 m，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組（J2s）粉砂質(zhì)泥巖及砂巖，強(qiáng)風(fēng)化層厚1.20～2.50 m。地質(zhì)構(gòu)造位處茍家場(chǎng)背斜南西翼，地層產(chǎn)狀236°∠10°，區(qū)內(nèi)巖體較完整。北錨區(qū)內(nèi)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，未發(fā)現(xiàn)斷層通過;地下水貧乏，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。錨碇基礎(chǔ)底面座落在中風(fēng)化至微風(fēng)化紫紅色粉砂質(zhì)泥巖上，為粉砂泥質(zhì)結(jié)構(gòu);厚層狀構(gòu)造，主要由黏土礦物組成，局部夾少量灰綠色砂質(zhì)團(tuán)塊及條帶，巖石較完整，呈柱狀及少量碎塊狀，質(zhì)硬。

2 原位摩阻力試驗(yàn)

2.1 試樣制作

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在錨碇后部混凝土與前部混凝土2 m分縫處上游側(cè)分塊和下游側(cè)分塊位置各制備1組（每組6個(gè)）混凝土試件。混凝土試件底面尺寸為50 cm×50 cm，高為40 cm。先在選定地點(diǎn)人工鑿制成70 cm×80 cm的水平面，起伏差控制在0.6～1.2 cm內(nèi)。混凝土的標(biāo)號(hào)及配比與實(shí)橋錨碇一致，按C30等級(jí)人工現(xiàn)場(chǎng)配制。澆筑前，將試點(diǎn)面清洗干凈，進(jìn)行地質(zhì)描述。試點(diǎn)面上鋪一層2 cm厚的砂漿，再澆筑混凝土，分層進(jìn)行振搗?，F(xiàn)場(chǎng)2組混凝土試體一次性澆筑完成，同時(shí)澆筑12個(gè)15 cm×15 cm×15 cm標(biāo)準(zhǔn)試件?；炷翗?biāo)準(zhǔn)試件與混凝土試體在相同條件下養(yǎng)護(hù)，待達(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度等級(jí)后開始試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)加載及量測(cè)系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)摩阻試驗(yàn)系統(tǒng)由加載系統(tǒng)及量測(cè)系統(tǒng)組成:加載系統(tǒng)中正應(yīng)力反力由“錨桿-鋼梁”組成，剪應(yīng)力反力采用預(yù)埋工字鋼作為反力后座，正應(yīng)力和剪應(yīng)力出力設(shè)備均采用1個(gè)1 500 kN的巖石專用千斤頂;混凝土試件澆筑時(shí)埋入4個(gè)量測(cè)標(biāo)點(diǎn)，每個(gè)標(biāo)點(diǎn)上安裝一個(gè)鉛直向和水平向的百分表，用于監(jiān)測(cè)混凝土試件剪切破壞過程中的位移變化情況。具體見圖2。

圖2 加載及量測(cè)系統(tǒng)Fig.2 Loading and measurement system

2.3 試驗(yàn)方法及步驟

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法采用平推法，剪切面面積50 cm×50 cm，剪切方向與錨碇工程實(shí)際受拉的方向一致，按設(shè)計(jì)要求施加的最大正應(yīng)力為1.5 MPa，按等差級(jí)數(shù)分配到每個(gè)試件。即每1組的6個(gè)試件所施加的最大正應(yīng)力分別為 1.50，1.20，0.90，0.60 ，0.30 MPa 和0.00 MPa。

原位摩阻力試驗(yàn)主要按以下步驟進(jìn)行:

1）首先對(duì)混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，并計(jì)算混凝土抗壓強(qiáng)度，待其抗壓強(qiáng)度達(dá)到C30強(qiáng)度時(shí)再進(jìn)行混凝土與巖體接觸面直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)前對(duì)每個(gè)試點(diǎn)的下覆基巖性狀進(jìn)行地質(zhì)描述。

2）據(jù)各點(diǎn)的最大正應(yīng)力的分布情況，分3～5級(jí)施加。施加時(shí)采用時(shí)間控制，即加載后立即測(cè)讀法向位移，5分鐘后再測(cè)讀一次，直至加到預(yù)定的荷載。在最后一級(jí)加載時(shí)，當(dāng)連續(xù)2次發(fā)向位移之差不大于0.01 mm時(shí)，開始施加水平剪切荷載［4-6］。

3）剪切荷載按預(yù)估（經(jīng)驗(yàn)）的8～10級(jí)施加。當(dāng)剪切位移增量為前級(jí)位移增量的1.5倍時(shí)，荷載級(jí)差減半。荷載施加的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)采用時(shí)間控制，即加載后立即測(cè)位移，5分鐘后再測(cè)讀一次，直至加到試體被剪斷。在試體被剪斷后，調(diào)整設(shè)備，與上述同樣的方法進(jìn)行抗剪（摩擦）試驗(yàn)。

4）試驗(yàn)完成后，翻開混凝土試件，對(duì)上盤混凝土試件以及下盤基巖的破壞情況再進(jìn)行詳細(xì)地描述。

3 摩阻系數(shù)的取值

3.1 原位摩阻試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)測(cè)資料分別計(jì)算各試點(diǎn)剪切面上法向應(yīng)力和剪應(yīng)力，得到現(xiàn)場(chǎng)所進(jìn)行的2組混凝土與錨碇基礎(chǔ)底部基巖（粉砂質(zhì)泥巖）接觸面直剪試驗(yàn)的成果見表1。

表1 混凝土與基巖（粉砂質(zhì)泥巖）接觸面直剪試驗(yàn)成果Tab.1 Direct shear test results on interface of concrete and bedrock（sandy mudstone）

根據(jù)表1中的抗剪斷峰值強(qiáng)度成果，按最小二乘法作出的τ～σ關(guān)系曲線如圖3;根據(jù)表1中的抗剪（摩擦）峰值強(qiáng)度成果，按最小二乘法作出的τ～σ關(guān)系曲線如圖4;上述試驗(yàn)的剪應(yīng)力τ與切向位移us及法向位移un的關(guān)系曲線如圖5。

圖4 抗剪試驗(yàn)τ～σ關(guān)系曲線Fig.4 Curve of shearing stress and normal stress

圖5 τ～u關(guān)系曲線Fig.5 Curve of shearing stress and displacement

由圖5可以看出，抗剪斷試驗(yàn)中，試件具有明顯的脆性破壞的特征，表明本次試驗(yàn)混凝土與基巖的膠結(jié)程度較好。根據(jù)抗剪斷試驗(yàn)的τ～us及τ～un關(guān)系曲線確定相應(yīng)的比例界限點(diǎn)，然后按最小二乘法作出的τ～σ關(guān)系曲線如圖6。

圖6 τ～σ關(guān)系曲線（比例界限）Fig.6 Curve of shearing stressand normal stress

3.2 室內(nèi)巖塊力學(xué)性質(zhì)分析

在2組混凝土與基巖接觸面直剪試點(diǎn)附近各取一組巖樣，每組均進(jìn)行天然和飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及變形試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見表2。在進(jìn)行原位摩阻力試驗(yàn)之前，先進(jìn)行混凝土立方體試塊的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其成果見表3。

表2 室內(nèi)巖塊力學(xué)試驗(yàn)成果Tab.2 Results of indoor rock mechanics test

表3 混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度成果Tab.3 Results of compressive strength of concrete specimen

根據(jù)GB/T 50107—2010《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》，采用非統(tǒng)計(jì)方法評(píng)定混凝土強(qiáng)度:同時(shí)滿足①平均值為 35.3 MPa，大于 1.15 ×30=34.5 MPa;②最小值為 33.5 MPa，大于 0.95 ×30=28.5 MPa 2個(gè)條件，表明現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土試體在進(jìn)行原位摩阻力試驗(yàn)之前達(dá)到C30強(qiáng)度等級(jí)的要求。

由混凝土試件的強(qiáng)度及室內(nèi)巖塊的強(qiáng)度成果可以看出，錨碇基礎(chǔ)底部基巖為較軟巖體［7-9］，其強(qiáng)度低于上部混凝土試件強(qiáng)度，因此接觸面的膠結(jié)強(qiáng)度及下部粉砂質(zhì)泥巖體的強(qiáng)度是決定現(xiàn)場(chǎng)摩阻力大小的關(guān)鍵因素。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后試件的破壞形態(tài)來看，基本上是沿混凝土與基巖（粉砂質(zhì)泥巖）接觸面剪斷破壞的，可見本次試驗(yàn)?zāi)ψ枇Φ拇笮≈饕Q于混凝土與基巖（粉砂質(zhì)泥巖）接觸面的膠結(jié)程度。

3.3 原位摩阻試驗(yàn)?zāi)ψ柘禂?shù)的確定

按峰值參加統(tǒng)計(jì)，對(duì)于抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)，將2組試驗(yàn)值進(jìn)行綜合分析，采用最小二乘法，按照GB 50287—2006《水利發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》以小值平均值作為抗剪斷參數(shù)的取值依據(jù);對(duì)于抗剪強(qiáng)度參數(shù)，將2組試驗(yàn)值進(jìn)行綜合分析，以最小二乘法得出的值作為抗剪參數(shù)的取值依據(jù)。按比例界限值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將2組比例界限點(diǎn)對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)值進(jìn)行綜合分析，以最小二乘法得出的值作為抗剪參數(shù)的取值依據(jù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 混凝土與基巖（粉砂質(zhì)泥巖）接觸面直剪試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistical direct shear test results on interface of concrete and bedrock（sandy mudstone）

1）按照J(rèn)TJ 024—85《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于試驗(yàn)極限值與允許值取值關(guān)系的處理辦法［f摩］=0.5f極限，結(jié)合本次試驗(yàn)，取極限摩阻系數(shù)為1.23，則得到本次摩阻力試驗(yàn)的摩阻系數(shù)允許值應(yīng)為［f摩］=0.5f極限=0.5 ×1.16=0.58;

2）若按照將比例值乘以相應(yīng)類別的系數(shù)作為允許值，將比例摩阻系數(shù)乘以JTJ 024—85《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》采用的γb/γc=0.76（工作條件系數(shù) γb為0.95，混凝土安全系數(shù) γc為1.25），以此作為摩阻系數(shù)基準(zhǔn)值，取比例摩阻系數(shù)為1.15，則得到本次摩阻力試驗(yàn)的摩阻系數(shù)允許值為:［f摩］=0.76 ×1.15=0.87;

3）對(duì)混凝土試件與巖基接觸面的摩阻試驗(yàn)所測(cè)的滑動(dòng)摩阻系數(shù)，作為抗滑穩(wěn)定的基本控制值，該值除以抗滑安全系數(shù)1.3作為摩阻系數(shù)的最低控制界限，取滑動(dòng)摩阻系數(shù)為0.81，則得到本次摩阻力試驗(yàn)的摩阻系數(shù)允許值為［f摩］=0.81/1.3=0.62;

4）根據(jù)GB 50007—2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］中的規(guī)定，摩阻系數(shù)對(duì)于軟質(zhì)巖取 0.40 ～0.60，根據(jù) JTG D 63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］中的規(guī)定，對(duì)于軟巖（極軟巖～較軟巖），摩阻系數(shù)取0.40 ～0.60。

將上述值進(jìn)行綜合分析，取小值，則將0.58作為本次摩阻力試驗(yàn)的摩阻系數(shù)，且均滿足上述要求。

4 結(jié)語

通過對(duì)青草背長(zhǎng)江大橋北錨碇地基持力層部位所進(jìn)行的原位摩阻力試驗(yàn)成果的分析，得到如下結(jié)論:

1）由抗剪斷試驗(yàn)的剪應(yīng)力與位移關(guān)系曲線中可以看出，混凝土試件具有明顯的脆性破壞的特征，表明本次試驗(yàn)混凝土與基巖的膠結(jié)程度較好。

2）由混凝土立方體試塊及室內(nèi)巖塊的抗壓強(qiáng)度成果可以看出，混凝土試件的強(qiáng)度高于下覆基巖的強(qiáng)度。從摩阻力試驗(yàn)的破壞形態(tài)來看，混凝土試件基本上是沿著混凝土與基巖接觸面剪斷破壞的。由此可以得出混凝土試件的強(qiáng)度最高，下覆基巖的強(qiáng)度次之，混凝土與基巖接觸面的膠結(jié)程度最低。因此，混凝土與基巖接觸面的膠結(jié)程度是決定本次摩阻力試驗(yàn)的關(guān)鍵因素。

3）摩阻系數(shù)的取值是在摩阻力試驗(yàn)的峰值抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)、峰值抗剪強(qiáng)度參數(shù)以及比例界限值相對(duì)應(yīng)的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)這3個(gè)參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用不同的取值方法進(jìn)行綜合比較分析得出的，最終確定該錨碇的摩阻系數(shù)為0.58，具有充分的取值依據(jù)，可供類似的重力式錨碇摩阻力試驗(yàn)參考。

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Test Study on the Friction Resistance of the North Concrete Anchor of Qingcaobei Yangtze River Bridge

LIU Yang1，2，ZHAO Ming-jie1，ZHENG Sheng-bao3
（1.Key Laboratory of Ministry of Education on Hydraulic and Water Transport Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;2.Chongqing Rock Foundation Research Center，Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Chongqing 400074，China;3.Chongqing Transportation Planning Survey and Design Institute，Chongqing 401121，China）

Taking the north concrete anchor（gravity concrete anchor）at Qingcaobei Yangtze River Bridge as an example，insitu friction resistance test was conducted in the north concrete anchor bearing stratum，based on the indoor test results of rock mechanics and the engineering geological condition of bearing stratum，shear strength parameters and shear parameters of peak value and shear strength parameters of proportional limit value on the surface of concrete（strength grade of C30）and bearing stratum were studied in detail.According to current norms，procedures and industry standards，comprehensive analysis was done.Finally the friction resistance coefficient was 0.58.The value could meet the design requirements.The above test could provide reference for friction resistance test on other gravity concrete anchors.

gravity concrete anchor;friction resistance coefficient;in-situ test;shear strength;shear

TU459+.9

A

1674-0696（2011）05-0911-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.05.006

2010-11-03;

2011-01-10

劉 洋（1982-），男，河南南陽人，博士研究生，主要從事巖石力學(xué)試驗(yàn)研究方面的工作。E-mail:liuyang99132@yahoo.com.cn。