劉家峽黃河特大橋巖體力學特性分析

張 瑜

折達二級公路起點位于臨夏市，途經永靖縣、鹽鍋峽鎮，終點位于蘭州市達川鎮。折達路布設于劉家峽水庫右岸，劉家峽黃河特大橋為跨越劉家峽水庫支溝本池溝而設，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。橋面中心設計高程1793.385 m，正常蓄水位時橋面距水面約60 m。根據前期勘察資料，施設階段對索塔區、錨碇區巖土體力學參數分析研究作為工作重點。

1 橋址區工程地質條件

1.1 地質概況

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

1.2 地層巖性

橋址區出露地層巖性為第三系上新統臨夏組泥質砂巖、砂質泥巖、第四系沖積粉土、卵石、坡積黃土及風積黃土。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。上新統臨夏組)泥質砂巖、砂質泥巖，含礫砂巖、礫巖，以泥質砂巖、砂質泥巖為主，紅褐色，泥砂質結構，厚層～巨厚層狀構造，泥質、泥鈣質膠結，含石膏結晶體，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 試驗研究

2.1 試驗布置

根據橋址區地形地質條件，在兩岸山體上各布設1個勘探平硐，對岸坡巖體及錨碇區巖體進行現場巖體試驗，并在橋址鉆孔內取巖樣進行室內巖石試驗。

2.2 試驗方案的確定及試驗成果

2.2.1 巖體變形試驗

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、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)公式計算巖體變形特性指標。試驗時采用直徑50 cm厚7 cm的鋼制圓形承壓板，試驗采用逐級循環加壓法，分五級壓力進行試驗，試驗成果見表1。

表1 巖體變形試驗成果匯總表 GPa

2.2.2 混凝土與巖體直剪試驗

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

表2 混凝土/巖抗剪(斷)強度試驗成果匯總表

2.2.3 巖/巖直剪試驗

根據本工程結構受力特征，結合工程區地質特點，試驗中測定泥質砂巖的“切層”(垂直層面)抗剪強度。試驗采用平剪方法，最大垂直壓力為2.32 MPa。

試驗成果見表3。

2.3 巖石室內試驗

工程勘察中在東西兩岸鉆孔中取巖樣進行室內巖石試驗，經測定:砂質泥巖密度2.68 g/cm3～2.69 g/cm3、單軸干燥抗壓強度10 MPa～25 MPa、單軸飽和抗壓強度 0.7 MPa ～3.3 MPa、軟化系數0.06～0.22，屬易軟化極軟巖，巖石水理性質極差。

表3 抗剪(斷)強度試驗成果匯總表

3 巖體工程特性評價

3.1 巖體變形特性分析評價

從壓力—變形關系曲線看，西岸變形試驗點的壓力—變形關系曲線以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，結構面逐漸被壓密，模量有逐漸增大的趨勢。東岸巖體為互層狀泥質砂巖和砂質泥巖，巖體層厚不穩定，表現在壓力—變形關系曲線有所差異，YB-1，YB-2兩點具有第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度特性分析

從混凝土與砂質泥巖接觸面抗剪斷試驗過程及剪應力—應變關系曲線看，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砂質泥巖，擦痕明顯。分析混凝土與基巖接觸面抗剪斷破壞機理，砂質泥巖較混凝土試體軟弱，但其層面緊密，結合較好，完整性好，因此砂質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度最低。

3.3 巖體直剪強度特性分析

從巖體抗剪斷試驗過程和剪應力—應變關系曲線看，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 巖石物理力學性質評價

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

4 建議及結論

1)巖體力學參數建議指標。結合試驗成果及工程經驗對比分析，變形參數的選取采用小值平均值或平均值，考慮一定的安全儲備，建議巖體變形參數: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档倪x取采用屈服強度的平均值，抗剪參數的選取采取小值或小值平均值，考慮一定的安全儲備，建議混凝土與砂質泥巖抗剪強度參數:抗剪斷峰值強度:f'=0.40，C=0.10 MPa，抗剪強度:f=0.33，C=0;巖體(砂質泥巖)抗剪強度參數:抗剪斷峰值強度:f'=0.66，C=0.16 MPa，抗剪強度:f=0.53，C=0。

2)橋址區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，工程設計中應更加注重結構體與巖體接觸處的抗剪設計。

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

4)通過本次試驗獲得了甘肅臨夏組紅層巖體力學參數，經與前人資料對比分析，試驗成果較為可靠，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設計規范［S］.

［2］JTJ D064-98，公路橋涵地基與基礎設計規范［S］.

［3］GB 50021-2001，巖土工程勘察規范［S］.

［4］GB/T 50266-99，工程巖體試驗方法標準［S］.

［5］SL 264-2001，水利水電工程巖石試驗規程［S］.

［6］GB 50287-99，水利水電工程地質勘察規范［S］.

［7］水利電力部水利水電規劃設計院.水利水電工程地質手冊［M］.北京:水利電力出版社，1985.