云南某高速大橋隧道錨圍巖現場直剪試驗研究*

楊建成，趙武章，韓自強

(云南交投麗江投資開發有限公司，云南 麗江 674100)

0 引言

隧道錨作為大跨度懸索橋的一種重要構造形式，具有土方開挖量小、環境擾動小、性價比高、工程量小等優點，因此被廣泛應用[1]。如美國的喬治華盛頓大橋、英國的福斯公路橋、重慶萬州長江二橋、重慶鵝公巖長江大橋、湖北四渡河大橋、宜昌伍家崗長江大橋、重慶油溪長江大橋等均采用隧道錨[2-6]。隧道錨方案的確定及優化，關鍵在于隧道錨圍巖參數和巖體-混凝土接觸面強度參數的合理取值[7]。由于直剪試驗具有最直觀、最準確的巖石力學數據，能最準確地反映混凝土體原地不動力學特征，獲取的成果可靠性較高，在實際施工中應用廣泛。王艷芬等[8]結合西堠門大橋錨碇進行了基巖承載能力及摩阻系數的原位試驗；周昌棟等[9]結合伍家崗長江大橋研究含中粗砂卵礫石持力層與素混凝土間的摩阻系數；鄔愛清等[10]通過原位試驗對四渡河特大橋隧道錨圍巖等級進行了評價，由此得到隧道錨的承載能力；盧陽等[11]通過開展幾江長江大橋隧道錨原位巖體力學試驗，提出隧道錨圍巖力學參數試驗建議值；鄒恩杰等[12]對馬普托大橋錨碇基礎進行了半成巖抗剪強度和承載力現場試驗，得到巖體-混凝土接觸面的摩擦阻力和承載力。上述原位直剪試驗均根據GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》(2009年版)[13]的規定采用多點法進行，但大量工程實踐表明，多點法受試驗場地條件的限制，試樣制作耗時長、經濟效益差[14-16]。張景德等[17]采用單點抗剪強度試驗方法，僅用1個試件完成原位直剪試驗，獲得巖土體黏聚力c、內摩擦角φ等力學參數。該方法避免了多點法的弊端，在現場試驗中得到廣泛應用。

本文依托云南某高速大橋隧道錨工程，采用單點法進行隧道錨圍巖、圍巖-混凝土直剪試驗，通過分析試驗數據，為該類橋梁錨碇設計、建造提供技術依據。

1 工程地質概況

根據地質勘察結果，選擇在云南某高速大橋隧道錨工程右岸索塔岸坡處開展平硐試驗，右岸2號平硐方位如圖1所示。

圖1 右岸2號平硐方位示意

右岸2號平硐原為揭示隧道錨層位巖性而設置，平硐進深20m，均為杏仁狀玄武巖，呈灰綠色、灰色，強風化，斑狀結構，杏仁構造，局部氣孔構造，節理裂隙發育。硐內自0～5m為中風化巖體，5～20m為強風化巖體，巖體整體較破碎。巖體內少量石英脈發育。充填物主要為風化泥及后期鐵錳質浸染，充填于寬大裂隙內，以紅褐色為主。在較大剪切帶的X形節理處由石英塊充填，白色。強卸荷帶寬度>20m。

2 原位單點法直剪試驗

平硐勘探發現，基巖為上二疊統玄武巖組上段(P2β3)，由玄武巖、杏仁玄武巖、火山角礫巖熔巖和凝灰巖組成。因此依據GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》進行巖土的剪切摩擦試驗。

2.1 放樣及試樣制備

根據大橋結構特點和結構設計要求，選擇隧道錨所在層位布置平硐，直剪試驗點布置如圖2所示。

圖2 平硐試驗點布置

先找平試驗所需的巖土地基面，預澆50cm×50cm×25cm混凝土塊或預制混凝土塊放于巖土地基面上，將傳力鋼板放置在混凝土塊上，用水平尺將其調平，然后依次放置輥排、鋼板、液壓千斤頂、傳力柱、頂鋼板等(根據具體情況也可放置托輥排)。巖體剪切試驗及混凝土-巖體摩擦剪切試驗裝置如圖3,4所示。

圖3 巖體剪切試驗裝置

圖4 混凝土-巖體摩擦剪切試驗裝置

2.2 試驗方法

本次剪切試驗采用單點法，按《工程巖體試驗方法標準》進行，按最大剪切荷載的10%分級施加，每5min加荷1次，并測得每級荷載施加前、后的變形。在第1級法向應力恒荷載下，當施加剪應力的比例達到極限時，降低剪切位移速率，當施加剪應力達到峰值時，可觀察到τ-μ變形曲線出現明顯拐彎，說明此時已十分接近峰值或認為已達到峰值，停止施加剪應力，并卸載進入第2級法向應力下的剪切試驗，直至在第4級或第5級法向荷載下完成剪斷試驗，一個試塊的單點法直剪試驗全部完成。

3 試驗結果分析

3.1 原巖直剪試驗結果分析

原巖直剪試驗數據如表1所示，對應τ-σ曲線如圖5所示，結果如表2所示。

由圖5和表2可知，試驗點2，4，6 3組原巖剪切摩擦τ-σ關系曲線規律性較好，摩擦系數f分別為0.724 3，0.692 2，0.639 8。試驗點最大黏聚力為146.98kPa，最小為51.30kPa，內摩擦角試驗結果差異不大。其中試驗點2，6巖體整體較破碎，直剪強度參數黏聚力c值較接近，內摩擦角φ值相差不大，試驗點4得到較高的黏聚力參數，說明試驗點4與試驗點2，6相比，結構面巖體具有較強的直剪力學特征。建議內摩擦角取平均值34.40°，黏聚力取平均值95.25kPa。

圖5 原巖剪切摩擦τ-σ曲線

表2 原巖直剪試驗結果匯總

3.2 接觸面直剪試驗

混凝土-巖體接觸面直剪試驗數據如表3所示，對應τ-σ曲線如圖6所示。結果如表4所示。

由圖6和表4可知，試驗點1，3，5 3組混凝土-巖體剪切摩擦關系曲線規律性較好，摩擦系數分別為0.351 5，0.789 4，0.365 2。試驗點3的最大內摩擦角為38.29°，現場剪切試驗完成后發現混凝土平臺底部破壞形式為局部玄武巖剪切破壞，因混凝土澆筑時與基底黏結良好，剪切作用使混凝土-巖體界面的摩擦破壞向基巖內發展，故導致其內摩擦角較其他混凝土-巖體試驗值大。試驗點1的摩擦系數和黏聚力較低，主要因為巖體破碎填滿泥漿，混凝土-巖體接觸面多為巖渣，導致其φ，c值較低。

表3 混凝土-巖體直剪試驗數據

圖6 混凝土-巖體接觸面剪切摩擦τ-σ曲線

表4 混凝土-巖體直剪試驗結果匯總

根據上述分析，舍棄3號點數據，對1，5號點數據取平均值，得到黏聚力為126.09kPa，內摩擦角為19.71°。

4 結語

1)以云南某高速大橋隧道錨原位測試為例進行單點法直剪試驗，根據試驗結果得到圍巖抗剪強度建議參數，即黏聚力c為95.25kPa，內摩擦角φ為34.40°；建議巖體-混凝土接觸面的黏聚力c為126.09kPa，內摩擦角φ為19.71°。

2)通過原位試驗結果分析發現，同一試驗點試坑內的不同巖體試樣，通過原位直剪試驗得到的力學參數也存在較大差異，說明平硐內巖體性質存在空間受限的大截面鋼構件。在本工程應用過程中，總結了一系列的偏差標準，受力鋼筋沿長度方向全長的凈尺寸偏差控制在10mm以內，地腳螺栓(錨栓)位移偏差不得超過2mm，只有保證施工偏差在上述允許范圍內，多腔體鋼柱在實際施工中質量和安裝效率才會得到保障。

3)對于多點法而言，試驗點巖體性質越不均勻，通過多點法得到的試驗結果越分散，直接影響結果的精度。相較于多點法，單點法的優勢明顯，通過多個單點法試驗能客觀反映巖體的抗剪強度。