楊建成，趙武章，韓自強(qiáng)

(云南交投麗江投資開發(fā)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(gòu)造形式，具有土方開挖量小、環(huán)境擾動(dòng)小、性價(jià)比高、工程量小等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用[1]。如美國(guó)的喬治華盛頓大橋、英國(guó)的福斯公路橋、重慶萬州長(zhǎng)江二橋、重慶鵝公巖長(zhǎng)江大橋、湖北四渡河大橋、宜昌伍家崗長(zhǎng)江大橋、重慶油溪長(zhǎng)江大橋等均采用隧道錨[2-6]。隧道錨方案的確定及優(yōu)化，關(guān)鍵在于隧道錨圍巖參數(shù)和巖體-混凝土接觸面強(qiáng)度參數(shù)的合理取值[7]。由于直剪試驗(yàn)具有最直觀、最準(zhǔn)確的巖石力學(xué)數(shù)據(jù)，能最準(zhǔn)確地反映混凝土體原地不動(dòng)力學(xué)特征，獲取的成果可靠性較高，在實(shí)際施工中應(yīng)用廣泛。王艷芬等[8]結(jié)合西堠門大橋錨碇進(jìn)行了基巖承載能力及摩阻系數(shù)的原位試驗(yàn)；周昌棟等[9]結(jié)合伍家崗長(zhǎng)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(shù)；鄔愛清等[10]通過原位試驗(yàn)對(duì)四渡河特大橋隧道錨圍巖等級(jí)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，由此得到隧道錨的承載能力；盧陽等[11]通過開展幾江長(zhǎng)江大橋隧道錨原位巖體力學(xué)試驗(yàn)，提出隧道錨圍巖力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)建議值；鄒恩杰等[12]對(duì)馬普托大橋錨碇基礎(chǔ)進(jìn)行了半成巖抗剪強(qiáng)度和承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(yàn)均根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)[13]的規(guī)定采用多點(diǎn)法進(jìn)行，但大量工程實(shí)踐表明，多點(diǎn)法受試驗(yàn)場(chǎng)地條件的限制，試樣制作耗時(shí)長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益差[14-16]。張景德等[17]采用單點(diǎn)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法，僅用1個(gè)試件完成原位直剪試驗(yàn)，獲得巖土體黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ等力學(xué)參數(shù)。該方法避免了多點(diǎn)法的弊端，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用。

本文依托云南某高速大橋隧道錨工程，采用單點(diǎn)法進(jìn)行隧道錨圍巖、圍巖-混凝土直剪試驗(yàn)，通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為該類橋梁錨碇設(shè)計(jì)、建造提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)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(yàn)，右岸2號(hào)平硐方位如圖1所示。

圖1 右岸2號(hào)平硐方位示意

右岸2號(hào)平硐原為揭示隧道錨層位巖性而設(shè)置，平硐進(jìn)深20m，均為杏仁狀玄武巖，呈灰綠色、灰色，強(qiáng)風(fēng)化，斑狀結(jié)構(gòu)，杏仁構(gòu)造，局部氣孔構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育。硐內(nèi)自0～5m為中風(fēng)化巖體，5～20m為強(qiáng)風(fēng)化巖體，巖體整體較破碎。巖體內(nèi)少量石英脈發(fā)育。充填物主要為風(fēng)化泥及后期鐵錳質(zhì)浸染，充填于寬大裂隙內(nèi)，以紅褐色為主。在較大剪切帶的X形節(jié)理處由石英塊充填，白色。強(qiáng)卸荷帶寬度>20m。

2 原位單點(diǎn)法直剪試驗(yàn)

平硐勘探發(fā)現(xiàn)，基巖為上二疊統(tǒng)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?guī)r組成。因此依據(jù)GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行巖土的剪切摩擦試驗(yàn)。

2.1 放樣及試樣制備

根據(jù)大橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，選擇隧道錨所在層位布置平硐，直剪試驗(yàn)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 平硐試驗(yàn)點(diǎn)布置

先找平試驗(yàn)所需的巖土地基面，預(yù)澆50cm×50cm×25cm混凝土塊或預(yù)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(diào)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(jù)具體情況也可放置托輥排)。巖體剪切試驗(yàn)及混凝土-巖體摩擦剪切試驗(yàn)裝置如圖3,4所示。

圖3 巖體剪切試驗(yàn)裝置

圖4 混凝土-巖體摩擦剪切試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)方法

本次剪切試驗(yàn)采用單點(diǎn)法，按《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，按最大剪切荷載的10%分級(jí)施加，每5min加荷1次，并測(cè)得每級(jí)荷載施加前、后的變形。在第1級(jí)法向應(yīng)力恒荷載下，當(dāng)施加剪應(yīng)力的比例達(dá)到極限時(shí)，降低剪切位移速率，當(dāng)施加剪應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，可觀察到τ-μ變形曲線出現(xiàn)明顯拐彎，說明此時(shí)已十分接近峰值或認(rèn)為已達(dá)到峰值，停止施加剪應(yīng)力，并卸載進(jìn)入第2級(jí)法向應(yīng)力下的剪切試驗(yàn)，直至在第4級(jí)或第5級(jí)法向荷載下完成剪斷試驗(yàn)，一個(gè)試塊的單點(diǎn)法直剪試驗(yàn)全部完成。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 原巖直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

原巖直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，對(duì)應(yīng)τ-σ曲線如圖5所示，結(jié)果如表2所示。

由圖5和表2可知，試驗(yàn)點(diǎn)2，4，6 3組原巖剪切摩擦τ-σ關(guān)系曲線規(guī)律性較好，摩擦系數(shù)f分別為0.724 3，0.692 2，0.639 8。試驗(yàn)點(diǎn)最大黏聚力為146.98kPa，最小為51.30kPa，內(nèi)摩擦角試驗(yàn)結(jié)果差異不大。其中試驗(yàn)點(diǎn)2，6巖體整體較破碎，直剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c值較接近，內(nèi)摩擦角φ值相差不大，試驗(yàn)點(diǎn)4得到較高的黏聚力參數(shù)，說明試驗(yàn)點(diǎn)4與試驗(yàn)點(diǎn)2，6相比，結(jié)構(gòu)面巖體具有較強(qiáng)的直剪力學(xué)特征。建議內(nèi)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(yàn)結(jié)果匯總

3.2 接觸面直剪試驗(yàn)

混凝土-巖體接觸面直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，對(duì)應(yīng)τ-σ曲線如圖6所示。結(jié)果如表4所示。

由圖6和表4可知，試驗(yàn)點(diǎn)1，3，5 3組混凝土-巖體剪切摩擦關(guān)系曲線規(guī)律性較好，摩擦系數(shù)分別為0.351 5，0.789 4，0.365 2。試驗(yàn)點(diǎn)3的最大內(nèi)摩擦角為38.29°，現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)完成后發(fā)現(xiàn)混凝土平臺(tái)底部破壞形式為局部玄武巖剪切破壞，因混凝土澆筑時(shí)與基底黏結(jié)良好，剪切作用使混凝土-巖體界面的摩擦破壞向基巖內(nèi)發(fā)展，故導(dǎo)致其內(nèi)摩擦角較其他混凝土-巖體試驗(yàn)值大。試驗(yàn)點(diǎn)1的摩擦系數(shù)和黏聚力較低，主要因?yàn)閹r體破碎填滿泥漿，混凝土-巖體接觸面多為巖渣，導(dǎo)致其φ，c值較低。

表3 混凝土-巖體直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)

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(yàn)結(jié)果匯總

根據(jù)上述分析，舍棄3號(hào)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)1，5號(hào)點(diǎn)數(shù)據(jù)取平均值，得到黏聚力為126.09kPa，內(nèi)摩擦角為19.71°。

4 結(jié)語

1)以云南某高速大橋隧道錨原位測(cè)試為例進(jìn)行單點(diǎn)法直剪試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到圍巖抗剪強(qiáng)度建議參數(shù)，即黏聚力c為95.25kPa，內(nèi)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(nèi)摩擦角φ為19.71°。

2)通過原位試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，同一試驗(yàn)點(diǎn)試坑內(nèi)的不同巖體試樣，通過原位直剪試驗(yàn)得到的力學(xué)參數(shù)也存在較大差異，說明平硐內(nèi)巖體性質(zhì)存在空間受限的大截面鋼構(gòu)件。在本工程應(yīng)用過程中，總結(jié)了一系列的偏差標(biāo)準(zhǔn)，受力鋼筋沿長(zhǎng)度方向全長(zhǎng)的凈尺寸偏差控制在10mm以內(nèi)，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(nèi)，多腔體鋼柱在實(shí)際施工中質(zhì)量和安裝效率才會(huì)得到保障。

3)對(duì)于多點(diǎn)法而言，試驗(yàn)點(diǎn)巖體性質(zhì)越不均勻，通過多點(diǎn)法得到的試驗(yàn)結(jié)果越分散，直接影響結(jié)果的精度。相較于多點(diǎn)法，單點(diǎn)法的優(yōu)勢(shì)明顯，通過多個(gè)單點(diǎn)法試驗(yàn)?zāi)芸陀^反映巖體的抗剪強(qiáng)度。