懸索橋巖基力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)研究

陶齊宇，李佰龍，王中豪，幸新涪，肖仕燕

(1.四川省交通運(yùn)輸廳 公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都，610041； 2.長(zhǎng)江科學(xué)院重慶分院，重慶 400026)

懸索橋是以通過(guò)索塔懸掛并錨固于兩岸的纜索作為上部結(jié)構(gòu)主要承重構(gòu)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(zhǎng)1 100 m，橋位一岸選用隧道錨。前期勘察和隧道開(kāi)挖資料顯示該岸隧道錨圍巖為蝕變二長(zhǎng)花崗巖間夾花崗巖、灰綠巖脈，巖體較為破碎，不均勻性強(qiáng)且其中發(fā)育次級(jí)斷裂構(gòu)造。最早用于承擔(dān)懸索橋纜索拉力的為重力錨，但隨著工程技術(shù)進(jìn)步，工程量更小、性價(jià)比更高且對(duì)環(huán)境影響更小的隧道錨逐漸在橋梁工程建設(shè)中取代重力錨得到廣泛應(yīng)用[1- 4]。

隧道錨將周?chē)鷰r體作為錨碇一部分，其變形與穩(wěn)定直接關(guān)系著懸索橋的安全，對(duì)兩岸錨固巖體的質(zhì)量要求較高[5-7]。不管是數(shù)值模擬，還是模型試驗(yàn)，均要以室內(nèi)及原位試驗(yàn)所獲取的巖石(體)力學(xué)參數(shù)為依據(jù)，室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)是獲取巖石(體)力學(xué)參數(shù)最基礎(chǔ)且最有效地手段[8-12]。為保證橋梁安全，需要對(duì)隧道錨圍巖進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究，獲得準(zhǔn)確的物理力學(xué)參數(shù)，為隧道錨穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。

1 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果及分析

模型錨和試驗(yàn)平洞距實(shí)體錨均在500 m范圍內(nèi)，從開(kāi)挖后的圍巖判斷，巖性均主要為蝕變二長(zhǎng)花崗巖，地質(zhì)條件與勘察資料揭示的實(shí)體錨部位基本一致，可作為代表性試驗(yàn)巖體。利用模型錨測(cè)試鉆孔巖芯分別進(jìn)行了物理性質(zhì)試驗(yàn)、單軸抗壓試驗(yàn)、變形試驗(yàn)、三軸抗壓試驗(yàn)、單軸抗拉試驗(yàn)等室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、2。

表1 巖塊室內(nèi)物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of rock mass indoor physical properties

表2 巖塊室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of rock mass indoor mechanical properties

由室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知：蝕變二長(zhǎng)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(shí)；巖塊變形模量與抗壓強(qiáng)度之比為359(小于500)，表明受壓后巖體變形占主導(dǎo)特性；巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度值在15～30 MPa之間，屬于較軟巖類(lèi)。

2 原位試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)選擇在隧道右洞與隧道錨之間的聯(lián)系洞開(kāi)展。

2.1 巖體變形試驗(yàn)結(jié)果及分析

筆者分別對(duì)蝕變二長(zhǎng)花崗開(kāi)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(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中二襯澆筑局部空洞導(dǎo)致個(gè)別頂板破壞而終止試驗(yàn)，故各變形試驗(yàn)點(diǎn)最大試驗(yàn)壓力為1.2～6.0 MPa，試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖1。

由試驗(yàn)結(jié)果可知：各巖體試點(diǎn)變形參數(shù)顯示出一定的差異，這是由于巖體變形參數(shù)多受到自身堅(jiān)硬程度、風(fēng)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(yàn)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(yàn)結(jié)果及分析

在右線連接洞選定部位進(jìn)行天然狀態(tài)下巖體直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)采用平推法，剪切方向順?biāo)淼厘^拉力方向。法向應(yīng)力范圍為0～3 MPa，試體剪斷后，在同等法向應(yīng)力下，按上述程序進(jìn)行抗剪試驗(yàn)。在整個(gè)施加剪應(yīng)力過(guò)程中保持法向應(yīng)力不變，試驗(yàn)成果曲線見(jiàn)圖2、3。

圖2 蝕變二長(zhǎng)花崗巖巖體抗剪斷試驗(yàn)τ-σ關(guān)系曲線Fig. 2 τ-σ relation curve of the altered adamellite in shearing resistance test

圖3 蝕變二長(zhǎng)花崗巖巖體抗剪試驗(yàn)τ-σ關(guān)系曲線Fig. 3 τ-σ relation curve of the altered adamellite in shearing resistance test

天然狀態(tài)下，各個(gè)試點(diǎn)受到蝕變程度不同，巖體抗剪強(qiáng)度受巖體結(jié)構(gòu)影響所致，蝕變二長(zhǎng)花崗巖的τ-σ關(guān)系較為離散。在試驗(yàn)的幾個(gè)點(diǎn)中，將抗剪強(qiáng)度高的點(diǎn)作為單獨(dú)一組繪制抗剪強(qiáng)度與正壓力關(guān)系曲線，抗剪強(qiáng)度低的點(diǎn)作為另一組繪制抗剪強(qiáng)度與正壓力關(guān)系曲線，按庫(kù)侖表達(dá)式確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)。得到高值抗剪斷峰值強(qiáng)度參數(shù)為f′=1.12，c′=0.62 MPa；低值抗剪斷峰值強(qiáng)度參數(shù)為f′=0.79，c′=0.28 MPa；高值抗剪峰值強(qiáng)度參數(shù)為f=1.01，c=0.52 MPa；低值抗剪峰值強(qiáng)度參數(shù)為f=0.68，c=0.23 MPa。

2.3 砼巖接觸面直剪試驗(yàn)結(jié)果及分析

筆者進(jìn)行了兩組混凝土與蝕變二長(zhǎng)花崗巖接觸面在天然狀態(tài)下的原位直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)采用平推法，剪切面的面積為50 cm×50 cm，剪切方向與實(shí)體錨受力方向基本一致，施加最高正應(yīng)力為3 MPa。試驗(yàn)成果曲線見(jiàn)圖4。

圖4 混凝土與蝕變二長(zhǎng)花崗巖接觸面直剪試驗(yàn)τ-σ關(guān)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(yàn)τ-σ關(guān)系曲線可知：τh1組混凝土與蝕變二長(zhǎng)花崗巖接觸面的τ-σ關(guān)系曲線規(guī)律性較好，抗剪斷峰值強(qiáng)度為f′=1.02，c′=0.37 MPa；抗剪峰值強(qiáng)度為f=0.67，c=0.31 MPa。進(jìn)行τh2混凝土與蝕變二長(zhǎng)花崗巖接觸面的τ-σ關(guān)系曲線規(guī)律性相對(duì)較差，抗剪斷強(qiáng)度為f′=1.08，c′=0.5 MPa；抗剪強(qiáng)度為f=0.74，c=0.38 MPa。兩組摩擦系數(shù)f′和f與黏聚力c′和c都較為接近，τh2組的摩擦系數(shù)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(shù)受到巖體堅(jiān)硬程度、風(fēng)化程度、完整程度的影響。試驗(yàn)巖體屬于中風(fēng)化，主要受巖體堅(jiān)硬程度和完整程度的影響，試驗(yàn)區(qū)域的蝕變二長(zhǎng)花崗巖巖體由于各個(gè)位置蝕變程度不同，各個(gè)巖體試樣的所含石英、長(zhǎng)石等礦物組份不同，各個(gè)巖體試點(diǎn)變形參數(shù)顯示出一定的差異。試驗(yàn)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(jiān)硬程度，鉛直向加載下的巖體試樣蝕變程度更高，長(zhǎng)石類(lèi)礦物成分占的比例更大。

3.2 強(qiáng)度特性

3.2.1 巖體剪切強(qiáng)度

對(duì)蝕變二長(zhǎng)花崗巖巖體本身進(jìn)行兩組天然狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)，巖體強(qiáng)度參數(shù)受到巖體堅(jiān)硬程度、風(fēng)化程度、剪切面結(jié)構(gòu)裂隙的影響。試驗(yàn)巖體屬于中風(fēng)化，主要受巖體的堅(jiān)硬程度和剪切面結(jié)構(gòu)裂隙的影響，試驗(yàn)區(qū)域的蝕變二長(zhǎng)花崗巖巖體蝕變程度不同，各個(gè)巖體試樣的所含的石英、長(zhǎng)石等礦物組份的不同，且試樣發(fā)育的微裂隙也不同，各個(gè)試點(diǎn)的強(qiáng)度參數(shù)顯示出一定的差異，其強(qiáng)度參數(shù)綜合比較見(jiàn)表3。

表3 蝕變二長(zhǎng)花崗巖巖體直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)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(qiáng)度

對(duì)混凝土與蝕變二長(zhǎng)花崗巖接觸面進(jìn)行了兩組天然狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)。兩組峰值強(qiáng)度參數(shù)摩擦系數(shù)f′和f與黏聚力c′和c都較為接近，τh2組摩擦系數(shù)和黏聚力都稍比τh1組大，對(duì)τh1組和τh2組試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析，其強(qiáng)度參數(shù)綜合比較見(jiàn)表4。混凝土與蝕變二長(zhǎng)花崗巖接觸面的抗剪斷峰值強(qiáng)度參數(shù)為f′=1.03，c′=0.46 MPa；抗剪峰值強(qiáng)度參數(shù)為f=0.69，c=0.36 MPa。

表4 混凝土與蝕變二長(zhǎng)花崗巖接觸面剪切強(qiáng)度參數(shù)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(qiáng)度比較

蝕變二長(zhǎng)花崗巖巖體本身抗剪斷峰值強(qiáng)度參數(shù)為f′=0.79～1.12，c′=0.28～0.62 MPa；抗剪峰值強(qiáng)度參數(shù)為f=0.68～1.01?；炷僚c蝕變二長(zhǎng)花崗巖接觸面抗剪斷峰值強(qiáng)度參數(shù)為f′=1.03，c′=0.46 MPa；抗剪峰值強(qiáng)度參數(shù)為f=0.69。兩者抗剪斷峰值強(qiáng)度參數(shù)和抗剪峰值強(qiáng)度參數(shù)較為接近，反映了強(qiáng)度較高的混凝土與較軟巖接觸面抗剪強(qiáng)度受下部巖體強(qiáng)度影響較大，下盤(pán)巖體相對(duì)上盤(pán)混凝土強(qiáng)度低些，剪切破壞時(shí)，多沿預(yù)剪面或者局部下盤(pán)巖體剪斷破壞，這與剪切試驗(yàn)完成后的地質(zhì)描述結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

3.3 巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)建議值

筆者以室內(nèi)及原位試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合工程巖體風(fēng)化、完整程度等地質(zhì)條件，提出該工程巖體力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)建議值，如表5。

表5 蝕變二長(zhǎng)花崗巖巖體物理力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)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(jié) 論

筆者通過(guò)懸索橋一岸隧道錨碇巖體力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

1) 試驗(yàn)按相關(guān)規(guī)程規(guī)范實(shí)施，試驗(yàn)成果可靠，基本反映了該懸索橋隧道錨碇岸區(qū)工程巖體的力學(xué)特征。

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

3) 錨碇區(qū)蝕變二長(zhǎng)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(qiáng)度參數(shù)為f′=0.79～1.12，c′=0.28～0.62 MPa；抗剪強(qiáng)度參數(shù)為f=0.68～1.01?；炷僚c蝕變二長(zhǎng)花崗巖抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)為f′=1.02～1.08，c′=0.37～0.50 MPa；抗剪強(qiáng)度參數(shù)為f=0.67～0.75。

4) 提出了該工程巖體力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)建議值，為類(lèi)似巖性的工程設(shè)計(jì)提供參考。

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