龍灘特大橋巖體力學特性研究

黃家華，羅 彥，米德才，羅偉斌，韋景麒

(1.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交通工程檢測有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

龍灘特大橋橋址區(qū)位于龍灘水庫庫區(qū)升降水位影響范圍的深切峽谷岸坡上，下老岸屬巖層產(chǎn)狀為359°/NE∠40°的順傾巖質邊坡，巖性為由粉砂質泥巖與砂巖組成的層狀巖體，在庫區(qū)水位周期性升降作用下，原本結構面發(fā)育的巖體物理性質逐漸劣化，巖體變形及強度降低。對于處在復雜特殊地質條件下的這類大型工程，拱座巖基穩(wěn)定(基底變形及抗滑穩(wěn)定、墻背變形穩(wěn)定)和岸坡穩(wěn)定(拱座上方與下方邊坡)成為制約工程規(guī)劃建設及安全運營的重大工程地質問題。巖體變形參數(shù)和強度指標作為評價巖基及岸坡穩(wěn)定的重要因素，其巖體力學參數(shù)取值對于拱座巖體變形穩(wěn)定和橋基巖體抗滑穩(wěn)定計算與評價具有重要理論價值和意義，將直接影響工程設計方案和工程造價。為此，本文針對龍灘特大橋巖體力學特性進行深入分析研究。

縱觀國內外研究現(xiàn)狀，前人對水電工程巖體力學參數(shù)進行了較多研究，取得了大量用于工程實踐的研究成果[1-5]。原位試驗與室內試驗是獲取巖體力學參數(shù)或研究巖體力學特性最直接有效的方法，已經(jīng)取得較多研究成果并應用于壩基工程中。但對于公路橋梁工程巖體力學特性及參數(shù)開展深入分析的研究鮮有報道。因工程巖體存在各向異性，加上缺乏對其的深入系統(tǒng)研究，導致其研究成果仍存在明顯的區(qū)域局限性[6]。

隨著廣西交通工程的飛速發(fā)展，橋梁穿越區(qū)域內廣泛分布大量的泥巖、砂巖組成的層狀巖體，因其力學特性存在各向異性，地基變形、邊坡失穩(wěn)等災害成為工程界亟待解決的難題，但目前關于廣西特大橋巖基力學特性及參數(shù)的研究較少。基于此，為完善巖體力學特性理論并提供基礎數(shù)據(jù)，揭示其在荷載作用下變形破壞機理，本文依托龍灘特大橋，選取下老岸層狀巖體為研究對象，以拱座巖基主要承受鉛垂和水平荷載作用為條件，開展一系列的室內巖石力學試驗與原位巖體力學試驗研究，深入分析巖體變形及強度特性，提出巖體力學參數(shù)的合理取值建議，對于指導巖基及岸坡穩(wěn)定評價具有重要的研究價值和意義。

1 工程概況與巖體結構特征

在建的龍灘特大橋位于廣西天峨縣龍灘水庫庫區(qū)，為南丹至天峨下老高速公路(以下簡稱“南天路”)的控制性工程，主橋為計算跨徑600 m的勁性骨架混凝土拱橋，建成后將成為世界上最大跨度的拱橋。該橋全長2 548 m，主墩、交界墩為矩形空心墩，拱座采用明挖擴大基礎。下老岸拱座基礎寬40 m、長40 m、高37 m，基底呈斜坡狀和水平狀，基礎采用C40混凝土。

下老岸地層由三疊系下統(tǒng)(T1)厚層狀的灰黑色粉砂質泥巖與灰黃色砂巖構成，整個巖體層面產(chǎn)狀為354°/NE∠40°，主要發(fā)育有2組節(jié)理：J1產(chǎn)狀為66° ∠67°，J2產(chǎn)狀為344° ∠68°。物探測試揭示，強風化巖體的縱波波速VP=2 388～3 249 m/s，中風化較破碎巖體的縱波波速VP=3 385～4 085 m/s，中風化較完整巖體的縱波波速VP=4 318～4 810 m/s，中風化完整巖體的縱波波速VP=4 810～5 300 m/s。

2 室內巖石力學試驗

2.1 巖石物理性質試驗

巖石物理性質試驗結果表明(下頁表1)，無論是天然還是飽和狀態(tài)，砂巖與粉砂質泥巖的巖塊密度標準值較為相近，略高于2.70 g·cm-3。

2.2 巖石力學試驗

巖石力學試驗結果表明(下頁表1、表2)，砂巖天然單軸抗壓強度為52.0 MPa，飽和單軸抗壓強度為41.8 MPa，軟化系數(shù)為0.78；粉砂質泥巖天然單軸抗壓強度為44.6 MPa，飽和單軸抗壓強度為35.8 MPa，軟化系數(shù)為0.84。砂巖的抗拉強度介于2.01～3.02 MPa，粉砂質泥巖的抗拉強度介于0.87～1.25 MPa，粉砂質泥巖的抗拉強度是砂巖的2.6倍。砂巖的內摩擦角和粘聚力分別介于46.5°～60.8°和1.56～5.83 MPa，粉砂質泥巖分別介于39.8°～58.1°和1.98～5.12 MPa，砂巖的抗剪斷強度略高于粉砂質泥巖。砂巖與粉砂質泥巖的抗剪強度相差不大，摩擦系數(shù)分別為0.63和0.55，粘聚力分別為0.04 MPa和0.03 MPa。砂巖的靜彈性模量、動彈性模量和泊松比分別介于1.6～3.0 MPa、1.7～3.3 MPa和0.22～0.27，粉砂質泥巖的靜彈性模量、動彈性模量和泊松比分別介于1.8～4.0 MPa、1.9～4.1 MPa和0.19～0.27。

表1 巖石物理性質試驗結果表

表2 巖石力學試驗結果表

3 原位巖體力學試驗

3.1 試驗方案

3.1.1 試驗內容及方法

本項目共進行巖體變形試驗3組，巖體直剪和巖體/混凝土接觸面直剪試驗各1組，巖基載荷試驗1組，以及巖體回彈強度230組。巖體變形試驗及巖基載荷試驗采用剛性承壓板法，承壓板直徑為30 cm，考慮到拱座的受力條件，開展水平和鉛垂兩個方向的變形及載荷試驗。巖體直剪試驗均采用平推法，人工制備試件巖體/混凝土規(guī)格分別為50 cm×50 cm×25 cm或50 cm×50 cm×40 cm。巖體表面硬度采用回彈法測定，儀器采用2.207J型回彈儀。試驗按照相關規(guī)范標準[7]執(zhí)行。

3.1.2 反力系統(tǒng)

法向加壓系統(tǒng)采用錨樁法，通過螺栓將錨桿頂部與鋼梁連接而形成法向反力系統(tǒng)；水平加壓系統(tǒng)通過巖壁提供反力。

3.2 試驗成果及分析

3.2.1 巖體變形及載荷試驗

巖體變形試驗成果(表3)表明，強風化粉砂質泥巖的彈性模量和變形模量標準值在鉛垂方向上分別為1.18和0.64，兩者在水平方向分別降為0.20和0.07，中風化粉砂質泥巖的彈性模量和變形模量標準值在水平方向上分別為0.63 GPa和0.38 GPa?？梢?，不論是強風化較破碎巖體還是中風化較完整巖體，其變形參數(shù)在鉛垂荷載下均要遠高于水平荷載。相同受力條件下，395 m標高巖體裂隙發(fā)育，風化程度較高，巖體較破碎，其變形參數(shù)較之較完整-完整的365 m標高巖體明顯低。另外，強風化較破碎巖體的變形曲線均呈上凹型(塑-彈性)，中風化較完整巖體的變形曲線均呈近直線型(彈性)，前者較之后者風化程度高、結構面發(fā)育，低壓裂隙被壓密，高壓巖體變形小。

巖基載荷試驗成果(表3)表明，強風化粉砂質泥巖的巖基承載力基本容許值在鉛垂和水平方向上分別為1.14和0.60，其承載力在鉛垂受力下要遠高于水平受力。

表3 巖體變形及載荷試驗結果表

3.2.2 巖體直剪試驗

試點為強風化較破碎粉砂質泥巖，層面為剛性結構面，剪切力與層面成40°。剪切過程受結構面控制，試件先沿結構面發(fā)生滑移，再沿預剪切面發(fā)生整體剪斷。風化程度高的試件剪切面較為平整，起伏高差約為1～5 cm，沿剪切方向增大，較硬試件剪切破壞面成“鋸齒”型起伏，起伏差約為5～10 cm。τ-ε關系曲線呈拋物線型，為塑性破壞。

試驗結果表明(表4)，強風化粉砂質泥巖的抗剪斷峰值強度參數(shù)摩擦系數(shù)為0.895、粘聚力為0.934 MPa，抗剪峰值強度參數(shù)摩擦系數(shù)為0.733、粘聚力為0.085 MPa。抗剪/抗剪斷峰值強度比值為0.82。

3.2.3 巖體/混凝土接觸面直剪試驗

試點為較破碎強風化粉砂質泥巖，試點面起伏差為0.6～1.5 cm。據(jù)剪切破壞特征及τ-ε關系曲線，試件沿巖體與混凝土接觸面剪切破壞，破壞時伴有清脆響聲，巖體試件呈脆性破壞型，剪切破壞面起伏高差約為1～8 cm，擦痕明顯；混凝土面伴有不等大小巖塊，基巖面均附有混凝土粘膜，占70%以上。試件混凝土強度等級為C40，天然和飽和工況泥巖單軸抗壓強度分別為44.6 MPa和35.8 MPa。

試驗結果表明(表4)，混凝土與強風化粉砂質泥巖接觸面的抗剪斷峰值強度參數(shù)摩擦系數(shù)為1.187、粘聚力為0.578 MPa，殘余強度的摩擦系數(shù)為0.899、粘聚力為0.377 MPa，二次剪峰值強度參數(shù)摩擦系數(shù)為0.713、粘聚力為0.302 MPa。殘余強度/抗剪斷峰值強度比值為0.76；二次峰值/抗剪斷峰值強度比值為0.60。

表4 巖體與巖體/混凝土接觸面直剪試驗結果表

3.2.4 巖體回彈強度

本次現(xiàn)場巖體回彈強度測試共完成230個測試點，依據(jù)前人研究成果進行數(shù)據(jù)處理。回彈儀“⊥”層面的回彈強度：完整、較破碎、破碎粉砂質泥巖分別為57.1 MPa、52.5 MPa、44.6 MPa，完整砂巖為58.5 MPa；回彈儀“∥”層面的回彈強度：完整粉砂質泥巖為67.7 MPa，完整砂巖為68.2 MPa?！啊汀?“∥”比值為0.84，較破碎/完整巖體比值為0.76，破碎/完整巖體比值為0.60。

4 原位巖體試驗破壞模式

前人對層狀巖體的各向異性力學特性開展了室內單軸及三軸壓縮試驗研究，并取得較好的研究成果[8-10]：

(1)層狀巖樣的變形模量、抗壓及抗剪強度隨層理傾角的增大呈先減小后增大的趨勢，呈U型，在傾角為40°～60°時達到最小值。

(2)巖樣破壞模式主要表現(xiàn)為：①劈裂張拉破壞(緩傾角)；②沿層理面剪切滑移破壞(陡傾角)；③劈裂張拉與沿層理面剪切滑移的復合張剪破壞(中等傾角)。

研究區(qū)層狀粉砂質泥巖傾角為40°，根據(jù)實際工程荷載作用(鉛垂、水平)，通過原位巖體變形及強度、巖基載荷試驗研究，其力學特性和破壞模式為：

(1)水平變形模量及承載力僅為鉛垂的0.2～0.5倍，“⊥”層理巖體回彈值為“∥”的0.8倍，破碎/完整的巖體變形及強度比值處于0.2～0.6，層狀粉砂質泥巖各向異性特性明顯。

(2)變形破壞模式：①變形特性為塑性破壞；②接觸面抗剪為脆性破壞；③巖體變形及抗剪破壞模式為先沿層理面剪切滑移、后劈裂張拉的復合張剪破壞。其結果與室內單軸及三軸壓縮試驗研究成果相近。

5 巖體力學參數(shù)取值

受巖性、應力狀態(tài)、完整性(受結構面及風化程度控制)及含水狀態(tài)等因素影響，需以室內巖石力學試驗及原位巖體力學試驗結果為基礎，結合本工程巖體結構特征，同時參照相關規(guī)范手冊，并類比龍灘水電站壩址巖基的泥巖和砂巖力學參數(shù)經(jīng)驗值[6]，提出龍灘特大橋拱座巖基巖體力學參數(shù)建議值，見表5～6。

表5 龍灘特大橋巖體變形參數(shù)試驗建議值一覽表

6 結語

針對龍灘特大橋拱座巖基主要巖體工程地質問題(拱座巖基變形及抗滑穩(wěn)定)，通過開展一系列的室內巖石力學試驗與原位巖體力學試驗研究，參照國內外研究成果對試驗資料進行歸納總結，得出了以下結論：

(1)巖體受力狀態(tài)及其完整性(受結構面及風化程度控制)對巖體力學特性起到關鍵性作用，主要表現(xiàn)為：水平變形參數(shù)及承載力僅為鉛垂的0.2～0.5倍，“⊥”層理巖體回彈值為“∥”的0.8倍，破碎/完整的巖體變形及強度比值處于0.2～0.6。

(2)三疊系下統(tǒng)(T1)粉砂質泥巖變形破壞模式：①變形特性為塑性破壞；②接觸面抗剪破壞模式為脆性破壞；③巖體變形及抗剪破壞模式為先沿層理面剪切滑移、后劈裂張拉的復合張剪破壞。

(3)提出了三疊系下統(tǒng)粉砂質泥巖和中統(tǒng)砂巖的力學參數(shù)試驗建議值，為龍灘特大橋巖體力學參數(shù)提供設計依據(jù)，為類似地質條件下巖體力學參數(shù)取值提供借鑒。

表6 龍灘特大橋巖體強度試驗建議值一覽表

(4)基于層狀巖體力學特性及破壞模式的各向異性，不論是室內或原位力學試驗，應充分考慮實際工程層理弱面及其受力關系對巖體力學特性的影響。