某非對稱懸索橋錨碇摩阻系數原位試驗研究

陳 文

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

重力式錨碇懸索橋主纜上的拉力由混凝土錨塊和基巖表面的摩擦阻力抵抗。錨碇混凝土與基巖表面的摩擦阻力不足容易影響懸索橋主纜受力，進而威脅橋梁安全。根據規范要求[1]，在承受主纜拉力作用下，懸索橋錨碇與基巖之間不能出現沉降、相對滑移等情況。因此，在錨碇設計完成后需要對其基坑底面巖基摩阻系數進行原位試驗。

本文以某特大橋錨碇混凝土與巖體接觸面直剪試驗為例，介紹了該非對稱懸索橋混凝土錨碇與基巖之間摩阻系數試驗，并對試驗的結果進行了分析，可為該類橋梁錨碇設計、施工提供技術參考。

1 工程概況

某非對稱懸索橋全長1 056 m，其主跨為650 m。大橋采用U型重力式錨碇，錨碇基礎為明挖擴大基礎結構形式。設計以中風化巖層為基礎持力層，錨碇基礎地基容許承載力應≥1.6 MPa，錨碇抗滑移按基底摩擦系數μ≥0.55。

2 試驗簡介

2.1 試驗原理

混凝土與巖體接觸面直剪試驗以抗剪強度理論和庫倫準則為理論依據，錨碇混凝土與基巖接觸面在極限狀態下所受的剪應力τ和正應力σ滿足庫倫準則：

τ=σtanφ+c

(1)

式中：c——接觸面的粘聚力；

φ——接觸面的摩擦角，摩擦系數為f=tanφ。

首先對每個試塊施加多級豎向荷載，每級豎向荷載穩定后，在此基礎上施加水平(剪切)荷載，使得混凝土與基巖接觸面剪切變形，最終導致其破壞。通過試驗測試數據，得到每個混凝土塊在抗剪斷和抗剪(摩擦)臨界狀態下的剪應力τ和正應力σ，然后根據庫倫準則確定結構面抗剪的c、φ值。

2.2 測點布置

根據設計要求，擬定在待開挖錨碇基礎的基底地層、地質狀況具有代表性的部位，開挖一條基槽。基槽開挖尺寸為10m×1.2m×0.2m。具體制備一組(4個)混凝土試件。采用人工開鑿的方法將基巖表面鑿除平整，平整度控制在3cm以內。鑿除平整后墊承壓鋼板，承壓鋼板與巖基之間采用砂漿找平，將承壓鋼板蓋在找平層后多次擠壓，將多余砂漿擠出來。待承壓鋼板固定好以后，在一側槽壁內澆筑一根混凝土枕梁，該混凝土枕梁用來施加水平力。枕梁側面同樣設置一塊承壓鋼板。在試驗加載過程中，施加在混凝土試件上水平力的方向應與其長邊方向一致，作用水平力的點與巖基表面高度約為7cm。

根據規范[1]要求，本次試驗采用正方形底面的混凝土試塊，邊長為50cm，高度為40cm。采用現場配置的C30混凝土澆筑試件，其配比與標號應與實橋錨碇所用混凝土相同。在澆筑混凝土之前，應將測點范圍基巖表面清理干凈。在測點范圍內基巖表面鋪上砂漿，厚度約為2cm。本次測試的4個混凝土試件必須一次性澆筑，采用同批次混凝土澆筑10個標準試件(15cm×15cm×15cm)。混凝土試件和標準試件養護條件一致，當混凝土待達到設計強度后開始試驗。測點布置如圖1所示：

圖1 摩阻試驗混凝土試件布置示意圖

2.3 試驗裝置

錨碇混凝土與基巖表面摩阻系數原位試驗系統由以下兩部分組成。

(1)加載系統：加載系統主要由“錨桿+鋼反力梁+千斤頂”組成。本試驗中錨桿采用了φ32mm的二級螺紋鋼筋，錨桿一端植入基巖表面以下3m，采用2根64a的工字鋼組成鋼反力梁。豎向荷載和水平荷載千斤頂與巖基之間采用直徑為300mm的Q235圓形鋼板，厚度為30mm。剪應力采用基槽壁作為反力后座，正應力采用500kN千斤頂，剪應力采用1 000kN的千斤頂，剪應力千斤頂加載方向與錨碇受拉方向一致。為了減小試件在水平力作用下豎向荷載造成的混凝土試件與反力梁摩擦阻力的影響，在施加豎向荷載的千斤頂和反力梁之間放置一副8φ80mm的鋼滾軸，滾軸上下加墊厚度為20mm的鋼墊板。

(2)測試系統：為了得到混凝土試件在水平剪切力作用下破壞過程中其位移的變化情況，在混凝土試件底部位置堆成布置兩個測點，每個測點設置一個豎向和一個水平的百分表(精度0.01mm)。百分表采用2根長4m的28a槽鋼固定，槽鋼固定在穩定的位置。百分表與測點之間保持一些距離，避免加載過程中造成損壞。試驗所需儀器設備如表1所示，現場布置如圖2所示。

表1 試驗儀器設備一覽表

圖2 巖基摩阻系數試驗加載示意圖

2.4 加載工況

本試驗采用平推法，混凝土試件與巖基表面剪切面的面積為50cm×50cm，水平應力施加方向和實際橋梁錨碇受拉的方向相同。混凝土試件的加載按照如下步驟進行：

(1)采用控制加載時間的方法來施加豎向荷載，每一級荷載間隔時間約為3min，待荷載穩定后讀取百分表記錄的豎向位移，靜置3min后再讀一次。數據記錄完成后繼續施加荷載。當豎向荷載施加到預定值，且豎向位移的兩次讀數差值<0.1mm時，即開始實施水平剪力荷載加載。

(2)施加水平剪切荷載分為0.4MPa一級進行，每3min施加一級，每級荷載施加前后各讀一次讀數。接近剪斷時，密切觀察荷載以及相應位移的變化。

(3)混凝土試件被剪斷后，豎向荷載不變，按照步驟(2)進行摩擦試驗，以剪斷時的剪力為準，分為8～10級加載，并記錄數據。

(4)試驗結束后拆卸加載裝置，翻轉試塊查看剪切面。

3 試驗結果分析

3.1 試件破壞特征

觀察發現，在水平推力逐漸增大的過程中，混凝土塊與錨碇巖基表面逐漸出現微小的裂縫，裂縫隨著水平推力的增大呈加速增長趨勢，直到出現破壞為止。對比四個試件可知，隨著混凝土試塊承受的豎向荷載的增大，剪應力峰值也在增大，且破壞更為嚴重。

綜合四個測點的破壞情況和加載工況設置，可以分析該測點的破壞特征為：隨著施加的水平推力的逐漸增大，混凝土試塊在巖基表面慢慢開始滑動，隨著滑動程度的增加，混凝土試塊和錨碇巖石基面發生剪切破壞。

3.2 試驗結果

本試驗采用平推法，根據以下公式計算豎向荷載和水平荷載下的正應力和剪應力：

(2)

(3)

式中：P——作用在混凝土試件上的豎向荷載(N)；

Q——作用在混凝土試件上的水平荷載(N)；

A——混凝土試塊和巖基表面的有效接觸面積(mm2)。

由所測的數據(見表2)來計算每個測點剪切面上正應力和剪應力以及對應的位移，繪制剪應力τ和水平位移us關系曲線圖，根據剪應力與剪切位移關系曲線，確定每個試件在各級豎向荷載作用下水平剪應力的峰值，τ-σ關系如表2和圖3、圖4所示。

表2 混凝土試塊與基巖表面摩阻試驗結果表

圖3 抗剪斷試驗τ-σ關系曲線圖

圖4 抗剪試驗τ-σ關系曲線圖

采用最小二乘法擬合τ-σ關系，可得抗剪斷試驗擬合結果為：τ=1.264σ+0.051 2，抗剪試驗擬合結果為：τ=0.66σ+0.053 3。

混凝土與巖基膠結面抗剪參數為：

(4)

(5)

式中：c——混凝土與巖基表面粘聚力(MPa)；

φ——摩擦角(°)；

σi——混凝土塊承受豎向應力的值(MPa)；

τi——混凝土塊承受水平應力的值(MPa)。

結合式(1)，可以得到抗剪斷時混凝土與巖基表面粘聚力c=0.512MPa；摩擦系數f=1.26；抗剪(摩擦)時混凝土與巖基表面粘聚力c=0.057MPa；摩擦系數f=0.66。計算結果大于設計取值，滿足設計要求。

4 結語

重力式錨碇懸索橋主纜上拉力的水平分力由錨塊基礎和地基的摩阻力抵抗。錨碇混凝土與基巖表面的摩擦阻力不足容易影響懸索橋主纜受力，進而威脅橋梁安全。采用錨碇巖石地基摩阻系數原位試驗是驗證錨碇基底抗滑移摩擦系數是否滿足設計取值的有效方法。本文介紹了某非對稱懸索橋錨碇摩阻系數原位試驗，分析了試驗結果，得到以下結論：

(1)由試件破壞特征可以看出，混凝土試件與基巖表面之間的剪切破壞面是它們之間的膠結面，表明該錨碇基巖具有較高的強度，巖體完整性比較好。

(2)在加載過程中，水平應力與水平位移開始呈線性變化，在即將達到抗剪破壞峰值強度開始屈服，在達到以后，水平應力下降迅速，位移也迅速增大。最后達到定值，該定值即為殘余強度。

(3)用最小二乘法對測試數據進行擬合，結合庫倫準則，最終確定混凝土與巖基表面粘聚力c=0.512MPa；摩擦系數f=1.26，本試驗結果大于該橋錨碇設計值，滿足設計要求。本試驗可為該類橋梁錨碇設計、施工提供技術參考。