懸索橋巖基力學參數試驗研究

陶齊宇，李佰龍，王中豪，幸新涪，肖仕燕

(1.四川省交通運輸廳 公路規劃勘察設計研究院，四川 成都，610041； 2.長江科學院重慶分院，重慶 400026)

懸索橋是以通過索塔懸掛并錨固于兩岸的纜索作為上部結構主要承重構件的橋梁。作為連接深山峽谷或跨大江大河的典型橋梁，某懸索橋主跨長1 100 m，橋位一岸選用隧道錨。前期勘察和隧道開挖資料顯示該岸隧道錨圍巖為蝕變二長花崗巖間夾花崗巖、灰綠巖脈，巖體較為破碎，不均勻性強且其中發育次級斷裂構造。最早用于承擔懸索橋纜索拉力的為重力錨，但隨著工程技術進步，工程量更小、性價比更高且對環境影響更小的隧道錨逐漸在橋梁工程建設中取代重力錨得到廣泛應用[1- 4]。

隧道錨將周圍巖體作為錨碇一部分，其變形與穩定直接關系著懸索橋的安全，對兩岸錨固巖體的質量要求較高[5-7]。不管是數值模擬，還是模型試驗，均要以室內及原位試驗所獲取的巖石(體)力學參數為依據，室內試驗和原位試驗是獲取巖石(體)力學參數最基礎且最有效地手段[8-12]。為保證橋梁安全，需要對隧道錨圍巖進行力學性質試驗研究，獲得準確的物理力學參數，為隧道錨穩定性分析提供依據。

1 室內試驗結果及分析

模型錨和試驗平洞距實體錨均在500 m范圍內，從開挖后的圍巖判斷，巖性均主要為蝕變二長花崗巖，地質條件與勘察資料揭示的實體錨部位基本一致，可作為代表性試驗巖體。利用模型錨測試鉆孔巖芯分別進行了物理性質試驗、單軸抗壓試驗、變形試驗、三軸抗壓試驗、單軸抗拉試驗等室內巖石力學試驗，試驗結果見表1、2。

表1 巖塊室內物理性質試驗結果Table 1 Experimental results of rock mass indoor physical properties

表2 巖塊室內力學試驗結果Table 2 Experimental results of rock mass indoor mechanical properties

由室內試驗結果可知：蝕變二長花崗巖巖石含水率、孔隙率和飽水率都很小，顆粒密度、天然密度、飽和密度及烘干密度均介于2.57～2.78 g/cm3之間，相差不大，表明其組成礦物排列較整齊、密實；巖塊變形模量與抗壓強度之比為359(小于500)，表明受壓后巖體變形占主導特性；巖塊的飽和單軸抗壓強度值在15～30 MPa之間，屬于較軟巖類。

2 原位試驗

現場原位試驗選擇在隧道右洞與隧道錨之間的聯系洞開展。

2.1 巖體變形試驗結果及分析

筆者分別對蝕變二長花崗開展1組垂直方向和1組水平方向的剛性承壓板法變形試驗，試驗過程中二襯澆筑局部空洞導致個別頂板破壞而終止試驗，故各變形試驗點最大試驗壓力為1.2～6.0 MPa，試驗曲線見圖1。

由試驗結果可知：各巖體試點變形參數顯示出一定的差異，這是由于巖體變形參數多受到自身堅硬程度、風化程度、完整程度的影響；水平向加載下的變形模量和彈性模量均大于鉛直向加載下的變形模量和彈性模量。

圖1 承壓板法巖體變形試驗P-W典型曲線Fig. 1 P-W typical curve of rock mass deformation test with the bearing plate method

2.2 巖體直剪試驗結果及分析

在右線連接洞選定部位進行天然狀態下巖體直剪試驗，試驗采用平推法，剪切方向順隧道錨拉力方向。法向應力范圍為0～3 MPa，試體剪斷后，在同等法向應力下，按上述程序進行抗剪試驗。在整個施加剪應力過程中保持法向應力不變，試驗成果曲線見圖2、3。

圖2 蝕變二長花崗巖巖體抗剪斷試驗τ-σ關系曲線Fig. 2 τ-σ relation curve of the altered adamellite in shearing resistance test

圖3 蝕變二長花崗巖巖體抗剪試驗τ-σ關系曲線Fig. 3 τ-σ relation curve of the altered adamellite in shearing resistance test

天然狀態下，各個試點受到蝕變程度不同，巖體抗剪強度受巖體結構影響所致，蝕變二長花崗巖的τ-σ關系較為離散。在試驗的幾個點中，將抗剪強度高的點作為單獨一組繪制抗剪強度與正壓力關系曲線，抗剪強度低的點作為另一組繪制抗剪強度與正壓力關系曲線，按庫侖表達式確定抗剪強度參數。得到高值抗剪斷峰值強度參數為f′=1.12，c′=0.62 MPa；低值抗剪斷峰值強度參數為f′=0.79，c′=0.28 MPa；高值抗剪峰值強度參數為f=1.01，c=0.52 MPa；低值抗剪峰值強度參數為f=0.68，c=0.23 MPa。

2.3 砼巖接觸面直剪試驗結果及分析

筆者進行了兩組混凝土與蝕變二長花崗巖接觸面在天然狀態下的原位直剪試驗。試驗采用平推法，剪切面的面積為50 cm×50 cm，剪切方向與實體錨受力方向基本一致，施加最高正應力為3 MPa。試驗成果曲線見圖4。

圖4 混凝土與蝕變二長花崗巖接觸面直剪試驗τ-σ關系曲線Fig. 4 τ-σ relation curve of contact surface between the concrete and altered adamellite in the direct shear test

由直剪試驗τ-σ關系曲線可知：τh1組混凝土與蝕變二長花崗巖接觸面的τ-σ關系曲線規律性較好，抗剪斷峰值強度為f′=1.02，c′=0.37 MPa；抗剪峰值強度為f=0.67，c=0.31 MPa。進行τh2混凝土與蝕變二長花崗巖接觸面的τ-σ關系曲線規律性相對較差，抗剪斷強度為f′=1.08，c′=0.5 MPa；抗剪強度為f=0.74，c=0.38 MPa。兩組摩擦系數f′和f與黏聚力c′和c都較為接近，τh2組的摩擦系數和黏聚力都稍比τh1組大。

3 綜合分析

3.1 變形特性

巖體變形參數受到巖體堅硬程度、風化程度、完整程度的影響。試驗巖體屬于中風化，主要受巖體堅硬程度和完整程度的影響，試驗區域的蝕變二長花崗巖巖體由于各個位置蝕變程度不同，各個巖體試樣的所含石英、長石等礦物組份不同，各個巖體試點變形參數顯示出一定的差異。試驗表明：水平向加載下的變形模量為3.04～4.93 GPa，平均值為3.81 GPa，彈性模量為5.28～6.96 GPa，平均值為6.24 GPa，變形模量與彈性模量之比為0.61；在鉛直向加載下的變形模量為0.97～2.84 GPa，平均值為1.87 GPa，彈性模量為2.24～5.05 GPa，平均值為3.46 GPa，變形模量與彈性模量之比為0.54。水平向加載下的變形模量(彈性模量)比鉛直向加載下的變形模量(彈性模量)大，這主要由巖體試樣的礦物組份的不同影響了其堅硬程度，鉛直向加載下的巖體試樣蝕變程度更高，長石類礦物成分占的比例更大。

3.2 強度特性

3.2.1 巖體剪切強度

對蝕變二長花崗巖巖體本身進行兩組天然狀態下的直剪試驗，巖體強度參數受到巖體堅硬程度、風化程度、剪切面結構裂隙的影響。試驗巖體屬于中風化，主要受巖體的堅硬程度和剪切面結構裂隙的影響，試驗區域的蝕變二長花崗巖巖體蝕變程度不同，各個巖體試樣的所含的石英、長石等礦物組份的不同，且試樣發育的微裂隙也不同，各個試點的強度參數顯示出一定的差異，其強度參數綜合比較見表3。

表3 蝕變二長花崗巖巖體直剪試驗抗剪強度參數Table 3 Shear strength parameters of rock mass of altered adamellite in the direct shear test

3.2.2 接觸面剪切強度

對混凝土與蝕變二長花崗巖接觸面進行了兩組天然狀態下的直剪試驗。兩組峰值強度參數摩擦系數f′和f與黏聚力c′和c都較為接近，τh2組摩擦系數和黏聚力都稍比τh1組大，對τh1組和τh2組試驗點進行分析，其強度參數綜合比較見表4。混凝土與蝕變二長花崗巖接觸面的抗剪斷峰值強度參數為f′=1.03，c′=0.46 MPa；抗剪峰值強度參數為f=0.69，c=0.36 MPa。

表4 混凝土與蝕變二長花崗巖接觸面剪切強度參數Table 4 Shear strength parameters of contact surface between the concrete and altered adamellite

3.2.3 巖體直剪和接觸面剪切強度比較

蝕變二長花崗巖巖體本身抗剪斷峰值強度參數為f′=0.79～1.12，c′=0.28～0.62 MPa；抗剪峰值強度參數為f=0.68～1.01。混凝土與蝕變二長花崗巖接觸面抗剪斷峰值強度參數為f′=1.03，c′=0.46 MPa；抗剪峰值強度參數為f=0.69。兩者抗剪斷峰值強度參數和抗剪峰值強度參數較為接近，反映了強度較高的混凝土與較軟巖接觸面抗剪強度受下部巖體強度影響較大，下盤巖體相對上盤混凝土強度低些，剪切破壞時，多沿預剪面或者局部下盤巖體剪斷破壞，這與剪切試驗完成后的地質描述結果相對應。

3.3 巖石力學參數試驗建議值

筆者以室內及原位試驗結果為依據，結合工程巖體風化、完整程度等地質條件，提出該工程巖體力學參數試驗建議值，如表5。

表5 蝕變二長花崗巖巖體物理力學參數試驗建議值Table 5 The test proposed values of the physical and mechanical parameters of the rock mass of the altered adamellite

4 結 論

筆者通過懸索橋一岸隧道錨碇巖體力學性質試驗研究，得到如下結論：

1) 試驗按相關規程規范實施，試驗成果可靠，基本反映了該懸索橋隧道錨碇岸區工程巖體的力學特征。

2) 錨碇區的巖石為蝕變二長花崗巖，巖塊的飽和單軸抗壓強度值在15～30 MPa以內，屬于較軟巖。

3) 錨碇區蝕變二長花崗巖變形模量平均值為2.84 GPa，彈性模量平均值為4.85 GPa。巖體抗剪斷強度參數為f′=0.79～1.12，c′=0.28～0.62 MPa；抗剪強度參數為f=0.68～1.01。混凝土與蝕變二長花崗巖抗剪斷強度參數為f′=1.02～1.08，c′=0.37～0.50 MPa；抗剪強度參數為f=0.67～0.75。

4) 提出了該工程巖體力學參數試驗建議值，為類似巖性的工程設計提供參考。

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