劉家峽黃河特大橋巖體力學(xué)特性分析

張 瑜

折達(dá)二級公路起點(diǎn)位于臨夏市，途經(jīng)永靖縣、鹽鍋峽鎮(zhèn)，終點(diǎn)位于蘭州市達(dá)川鎮(zhèn)。折達(dá)路布設(shè)于劉家峽水庫右岸，劉家峽黃河特大橋?yàn)榭缭絼⒓覎{水庫支溝本池溝而設(shè)，橋梁長536 m，采用單孔主跨1-536 m懸索橋、鋼管桁式加筋梁、重力式錨碇。橋面中心設(shè)計(jì)高程1793.385 m，正常蓄水位時(shí)橋面距水面約60 m。根據(jù)前期勘察資料，施設(shè)階段對索塔區(qū)、錨碇區(qū)巖土體力學(xué)參數(shù)分析研究作為工作重點(diǎn)。

1 橋址區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)概況

工程區(qū)位于青藏高原東北邊緣，地質(zhì)構(gòu)造屬中祁連隆起帶南緣，臨夏盆地北緣，橋址區(qū)附近無區(qū)域構(gòu)造通過，屬構(gòu)造相對穩(wěn)定地段。橋址區(qū)地貌屬黃土高原隴中黃土高原亞區(qū)、隴中黃河干流及支流河谷平原區(qū)。橋梁橫跨劉家峽水庫本池溝溝口，本池溝呈“U”形，溝道內(nèi)水面寬約330 m～370 m，溝岸兩側(cè)山體陡峻，岸坡較穩(wěn)定。

1.2 地層巖性

橋址區(qū)出露地層巖性為第三系上新統(tǒng)臨夏組泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、第四系沖積粉土、卵石、坡積黃土及風(fēng)積黃土。第四系地層主要分布于山頂及斜坡地帶，隨地形厚度變化較大。上新統(tǒng)臨夏組)泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，含礫砂巖、礫巖，以泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，紅褐色，泥砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層～巨厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)、泥鈣質(zhì)膠結(jié)，含石膏結(jié)晶體，巖性軟，幾種巖性呈夾層、互層狀出露，巖層近水平，局部有斜層理;巖石易軟化，失水易干裂，屬極軟巖、軟巖。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)布置

根據(jù)橋址區(qū)地形地質(zhì)條件，在兩岸山體上各布設(shè)1個(gè)勘探平硐，對岸坡巖體及錨碇區(qū)巖體進(jìn)行現(xiàn)場巖體試驗(yàn)，并在橋址鉆孔內(nèi)取巖樣進(jìn)行室內(nèi)巖石試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方案的確定及試驗(yàn)成果

2.2.1 巖體變形試驗(yàn)

采用剛性承壓板法，該法是通過剛性承壓板施力于半無限空間巖體表面，測量巖體變形，并按均勻、連續(xù)、各向同性的半無限彈性體表面受局部荷載的布西涅斯克(Boussniesq)公式計(jì)算巖體變形特性指標(biāo)。試驗(yàn)時(shí)采用直徑50 cm厚7 cm的鋼制圓形承壓板，試驗(yàn)采用逐級循環(huán)加壓法，分五級壓力進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見表1。

表1 巖體變形試驗(yàn)成果匯總表 GPa

2.2.2 混凝土與巖體直剪試驗(yàn)

試驗(yàn)采用平剪方法，最大垂直壓力為2.32 MPa，試驗(yàn)時(shí)選用混凝土試體的底面積為(50×50)cm2，高度40 cm，混凝土的強(qiáng)度等級為C30，試驗(yàn)成果見表2。

表2 混凝土/巖抗剪(斷)強(qiáng)度試驗(yàn)成果匯總表

2.2.3 巖/巖直剪試驗(yàn)

根據(jù)本工程結(jié)構(gòu)受力特征，結(jié)合工程區(qū)地質(zhì)特點(diǎn)，試驗(yàn)中測定泥質(zhì)砂巖的“切層”(垂直層面)抗剪強(qiáng)度。試驗(yàn)采用平剪方法，最大垂直壓力為2.32 MPa。

試驗(yàn)成果見表3。

2.3 巖石室內(nèi)試驗(yàn)

工程勘察中在東西兩岸鉆孔中取巖樣進(jìn)行室內(nèi)巖石試驗(yàn)，經(jīng)測定:砂質(zhì)泥巖密度2.68 g/cm3～2.69 g/cm3、單軸干燥抗壓強(qiáng)度10 MPa～25 MPa、單軸飽和抗壓強(qiáng)度 0.7 MPa ～3.3 MPa、軟化系數(shù)0.06～0.22，屬易軟化極軟巖，巖石水理性質(zhì)極差。

表3 抗剪(斷)強(qiáng)度試驗(yàn)成果匯總表

3 巖體工程特性評價(jià)

3.1 巖體變形特性分析評價(jià)

從壓力—變形關(guān)系曲線看，西岸變形試驗(yàn)點(diǎn)的壓力—變形關(guān)系曲線以Ⅱ類曲線為主，為上凹型，符合層理明顯巖體的變形特征，它反映出隨壓力增高，結(jié)構(gòu)面逐漸被壓密，模量有逐漸增大的趨勢。東岸巖體為互層狀泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，巖體層厚不穩(wěn)定，表現(xiàn)在壓力—變形關(guān)系曲線有所差異，YB-1，YB-2兩點(diǎn)具有第V類曲線的特征，YB-3具有第Ⅲ類曲線的特征，它反映出東岸巖性、層厚的不均一性，巖體具有層理、裂隙，且隨深度的增加巖體剛度減弱，深部可能存在軟弱層。

3.2 混凝土與巖體直剪強(qiáng)度特性分析

從混凝土與砂質(zhì)泥巖接觸面抗剪斷試驗(yàn)過程及剪應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線看，其破壞特征為塑性破壞。從剪斷后的剪切面上看，試件均沿接觸面剪斷，剪切面平整，上盤混凝土剪切面上粘附有2mm～3mm砂質(zhì)泥巖，擦痕明顯。分析混凝土與基巖接觸面抗剪斷破壞機(jī)理，砂質(zhì)泥巖較混凝土試體軟弱，但其層面緊密，結(jié)合較好，完整性好，因此砂質(zhì)泥巖本身抵抗剪切破壞的能力高于混凝土與巖體接觸面的抗剪能力，也就是說混凝土與巖體接觸面處的抗剪強(qiáng)度最低。

3.3 巖體直剪強(qiáng)度特性分析

從巖體抗剪斷試驗(yàn)過程和剪應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線看，殘余變形平緩，試件的破壞形式均為塑性破壞。從試件剪斷后的剪切面上看，均沿預(yù)定剪切面剪斷，剪切面基本平整，沿剪切方向擦痕明顯，有巖屑顆粒分布，巖體剪切破壞為塑性破壞。

3.4 巖石物理力學(xué)性質(zhì)評價(jià)

從室內(nèi)試驗(yàn)成果可以看出，泥質(zhì)砂巖為易軟化巖石，屬極軟巖，水理性質(zhì)極差，工程中要充分重視巖石飽水后力學(xué)性能迅速降低惡化的特性。

4 建議及結(jié)論

1)巖體力學(xué)參數(shù)建議指標(biāo)。結(jié)合試驗(yàn)成果及工程經(jīng)驗(yàn)對比分析，變形參數(shù)的選取采用小值平均值或平均值，考慮一定的安全儲(chǔ)備，建議巖體變形參數(shù):西岸巖體:Eo=0.85 GPa，E=1.78 GPa;東岸巖體:Eo=0.31 GPa，E=0.66 GPa?？辜魯鄥?shù)的選取采用屈服強(qiáng)度的平均值，抗剪參數(shù)的選取采取小值或小值平均值，考慮一定的安全儲(chǔ)備，建議混凝土與砂質(zhì)泥巖抗剪強(qiáng)度參數(shù):抗剪斷峰值強(qiáng)度:f'=0.40，C=0.10 MPa，抗剪強(qiáng)度:f=0.33，C=0;巖體(砂質(zhì)泥巖)抗剪強(qiáng)度參數(shù):抗剪斷峰值強(qiáng)度:f'=0.66，C=0.16 MPa，抗剪強(qiáng)度:f=0.53，C=0。

2)橋址區(qū)東西兩岸巖體變形性能有明顯差異，西岸巖體變形(彈性)模量大于東岸巖體;混凝土與巖體接觸面處的抗剪能力最弱，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)更加注重結(jié)構(gòu)體與巖體接觸處的抗剪設(shè)計(jì)。

3)臨夏組紅層易軟化，屬極軟巖，水理性質(zhì)極差，工程實(shí)踐中要充分重視該類巖石飽水后力學(xué)性能迅速降低惡化的特性。

4)通過本次試驗(yàn)獲得了甘肅臨夏組紅層巖體力學(xué)參數(shù)，經(jīng)與前人資料對比分析，試驗(yàn)成果較為可靠，對同類工程具有一定借鑒參考意義。

［1］JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JTJ D064-98，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［4］GB/T 50266-99，工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［5］SL 264-2001，水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［6］GB 50287-99，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［7］水利電力部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院.水利水電工程地質(zhì)手冊［M］.北京:水利電力出版社，1985.