伍家崗長江大橋淺埋式錨碇基礎(chǔ)承載力原位試驗(yàn)研究

周昌棟 代明凈 王晟磊 姜開渝

(1. 宜昌市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局 443000； 2. 宜昌市城市橋梁建設(shè)投資有限公司 443000；3. 中建三局投資發(fā)展公司 武漢430000； 4. 東南大學(xué)土木工程學(xué)院 南京210096)

引言

錨碇是懸索橋重要的組成部分， 為嚴(yán)格控制錨碇基礎(chǔ)的沉降和水平變位， 通常選用深埋式錨碇基礎(chǔ)。 從施工技術(shù)、 工期和工程造價(jià)方面考慮， 淺埋式錨碇基礎(chǔ)更為可取， 而國內(nèi)關(guān)于淺埋式錨碇基礎(chǔ)鮮有報(bào)道。 湖北宜昌市伍家崗長江大橋江南側(cè)采用淺埋式重力錨碇， 基底持力層為含中粗砂卵礫石層。 由于持力層分布不均勻， 上部錨碇結(jié)構(gòu)偏心受荷， 采用基底注漿的地基處理措施來提高地基承載力， 以控制地基的沉降、 不均勻沉降、 水平變位和穩(wěn)定性。 如何合理地確定加固后地基的承載力和摩阻系數(shù)是淺埋式錨碇基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

由于持力層為含中粗砂卵礫石層， 限于試樣的尺寸， 室內(nèi)試驗(yàn)難以得到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的摩阻系數(shù)和承載特性。 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)由于試驗(yàn)尺寸大、 對(duì)土體擾動(dòng)小， 可考慮注漿加固的影響， 能更好地反映持力層的承載特性。 Lv Y[1]、 Rashidyan S[2]、Qian Z Z[3]針對(duì)樁基礎(chǔ)的承載特性進(jìn)行了大量現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)； 鄒恩杰[4]開展了錨碇基底半成巖抗剪強(qiáng)度和承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)， 得到了基巖- 混凝土接觸面的摩阻力和地基承載力； 譚新[5]提出采用抗剪斷、 抗剪、 單點(diǎn)摩擦試驗(yàn)來綜合確定重力式錨碇摩阻系數(shù)， 并給出工程實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。 胡偉[6]將改進(jìn)的原位直剪設(shè)備應(yīng)用于兩個(gè)滑坡現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)， 得到了滑坡滑帶、 滑體的原位抗剪強(qiáng)度參數(shù)； 王江營[7]基于正交設(shè)計(jì)方法開展了一系列土石混填體室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)研究， 進(jìn)而確定出了不同因素對(duì)土石混填體抗剪強(qiáng)度有何影響及影響程度； 唐國藝[8]通過載荷試驗(yàn)研究了Quelo 砂的濕陷變形特點(diǎn)和不同條件下的承載力特征。

本文以宜昌市伍家崗長江大橋江南側(cè)淺埋式重力錨碇基礎(chǔ)為背景， 通過直剪試驗(yàn)研究含中粗砂卵礫石持力層與素混凝土之間的摩阻系數(shù)， 通過淺層平板載荷試驗(yàn)研究注漿加固后含中粗砂卵礫石持力層的承載力特征值， 為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也為類似工程提供數(shù)據(jù)參考。

1 工程概況

伍家崗長江大橋?yàn)橹骺?160m 的鋼箱梁懸索橋， 江北側(cè)采用隧道錨， 江南側(cè)采用淺埋式重力錨碇。 淺埋式重力錨碇基礎(chǔ)采用外徑85.0m、 高15.0m 的圓形擴(kuò)大基礎(chǔ)。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告， 含中粗砂卵礫石為基底持力層， 其承載力特征值為400kPa， 與錨碇混凝土基礎(chǔ)底面的摩阻系數(shù)μ＝0.4 ～0.5。 在最不利荷載組合作用下， 錨碇基底前趾區(qū)應(yīng)力為498.7kPa， 后趾區(qū)應(yīng)力為463.1kPa。 為滿足該大橋安全運(yùn)營的要求， 采取坑底注漿加固的措施提高持力層的承載力， 控制錨碇基礎(chǔ)不均勻沉降。

2 試驗(yàn)方案

為伍家崗長江大橋工程安全施工和服役的需要， 通過原位試驗(yàn)獲得錨碇基坑基底的摩阻系數(shù)和基底持力層承載力的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)， 并進(jìn)行整理和分析， 為重力式錨碇基礎(chǔ)提供設(shè)計(jì)參數(shù)和依據(jù)。根據(jù)規(guī)范[9，10]要求， 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在注漿加固15 天后進(jìn)行。

2.1 試點(diǎn)布置

在基坑前趾和后趾各布置一組直剪試驗(yàn)點(diǎn)和一組載荷試驗(yàn)點(diǎn)。 試點(diǎn)平面布置示意如圖1 所示。 前趾試驗(yàn)區(qū)反力平臺(tái)如圖2 所示。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)平面布置示意Fig.1 Layout of test points

圖2 前趾試驗(yàn)區(qū)反力平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 The reaction platform of fore toe test area

2.2 直剪試驗(yàn)

1. 試驗(yàn)準(zhǔn)備每組直剪試驗(yàn)包括3 個(gè)試點(diǎn)， 共6 個(gè)試點(diǎn)。

為了更加準(zhǔn)確地得到持力層與混凝土的摩阻系數(shù)， 直剪試驗(yàn)點(diǎn)直接布置于錨碇基底標(biāo)高處。人工清除試驗(yàn)點(diǎn)區(qū)域松動(dòng)的巖土體， 每個(gè)試點(diǎn)面在0.5m2范圍內(nèi)大致平整， 保證試點(diǎn)面的粗糙度及地質(zhì)特征盡可能一致。

在6 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)分別現(xiàn)澆50cm ×50cm ×35cm的C30 混凝土試塊， 且要求試塊配合比、 強(qiáng)度等級(jí)等與錨碇基礎(chǔ)混凝土一致。

在試塊附近架設(shè)測(cè)量位移的基準(zhǔn)梁。

2. 試驗(yàn)過程

采用平推法進(jìn)行直剪試驗(yàn)， 每個(gè)試塊上分別施加不同的法向荷載， 其中后趾區(qū)域三個(gè)試塊施加80kN、 100kN、 120kN， 前趾三個(gè)試塊施加90kN、 110kN、 130kN。

(1)采用固結(jié)快剪法進(jìn)行試驗(yàn)， 每個(gè)試塊的法向荷載按5 級(jí)施加， 加載后立即測(cè)記沉降值，此后每5min 讀取一次， 當(dāng)5min 內(nèi)垂直變形值不超過0.05mm 時(shí)， 可施加下一級(jí)荷載， 施加最后一級(jí)荷載后按5min、 10min、 15min、 15min…的時(shí)間間隔測(cè)讀沉降值， 當(dāng)連續(xù)兩個(gè)15min 沉降累計(jì)值不超過0.05mm 時(shí)， 即認(rèn)為垂直變形已經(jīng)穩(wěn)定， 可施加剪切荷載；

(2)剪切預(yù)定荷載按照對(duì)應(yīng)的豎向荷載最大值等分10 級(jí)施加， 在施加剪切載荷所引起的剪切變形為前一級(jí)的1.5 倍及以上時(shí)， 下一級(jí)剪切荷載則減半施加；

(3)剪切荷載采用時(shí)間控制， 每30s 施加一級(jí)剪切荷載， 每級(jí)剪切荷載施加完成后， 應(yīng)立即測(cè)記沉降量、 剪切荷載和剪切變形量；

(4)當(dāng)達(dá)到剪應(yīng)力峰值或剪切變形急劇增加或剪切變形大于試樣直徑(或邊長)的1/10 時(shí)，即認(rèn)為已剪切破壞， 可終止試驗(yàn)[11]。

3. 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

以QJ-3 試點(diǎn)加載現(xiàn)場(chǎng)為例， 隨著水平向剪切荷載逐步增加， 試塊兩側(cè)逐漸出現(xiàn)裂縫， 且裂縫寬度隨著試塊水平向位移的增加而增加， 如圖3 所示。

圖3 直剪試驗(yàn)加載現(xiàn)場(chǎng)(QJ-3 點(diǎn))Fig.3 Loading site of shear test (point QJ-3)

2.3 載荷試驗(yàn)

1. 試驗(yàn)準(zhǔn)備

前趾區(qū)載荷試驗(yàn)包括3 個(gè)試點(diǎn)， 后趾區(qū)載荷試驗(yàn)包括2 個(gè)試點(diǎn)， 共5 個(gè)試點(diǎn)。

為了更加準(zhǔn)確地得到基底持力層的承載性能， 載荷試驗(yàn)點(diǎn)直接布置于錨碇實(shí)際受力面上；保持試驗(yàn)土層的原狀結(jié)構(gòu)和天然濕度， 試壓表面用粗砂或中砂層找平， 其厚度不超過20mm； 承壓板采用直徑800mm、 厚度20mm 的圓形鋼板，其面積約為0.5m2， 將3 ～4 塊承壓板疊加在一起以保證承壓板的剛度， 減少承壓板的變形帶來的誤差。

由鋼筋+砂袋堆載形成豎向反力系統(tǒng)， 通過軸力計(jì)測(cè)量加載值， 四個(gè)0 ～50mm 量程的百分表對(duì)稱安裝在承壓板上測(cè)量沉降值。

2. 試驗(yàn)過程

在加載前對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行初步穩(wěn)定讀數(shù)觀測(cè)， 每10min 讀數(shù)一次， 連續(xù)三次讀數(shù)不變即可開始試驗(yàn)； 試驗(yàn)加載過程中， 豎向應(yīng)力采用分級(jí)維持荷載沉降相對(duì)穩(wěn)定法(常規(guī)慢速法)。

注漿加固后基底持力層承載力特征值擬達(dá)到600kPa。 載荷試驗(yàn)的最大加載值不小于承載力特征值的2 倍， 即不小于1200kPa。

(1)荷載按單循環(huán)逐級(jí)遞增加載直至預(yù)定荷載， 采用千斤頂加載， QZ -3 試點(diǎn)分12 級(jí)加載，QZ-3 試點(diǎn)荷載分級(jí)為: 100kN、150kN、200kN、250kN、 300kN、 350kN、 400kN、 450kN、 500kN、550kN、600kN、 650kN；QZ - 1、QZ - 2、HZ - 7、HZ-8 試點(diǎn)分10 級(jí)加載，荷載分級(jí)為:120kN、180kN、 240kN、 300kN、 360kN、 420kN、 480kN、540kN、600kN、660kN。

(2)加載后立即進(jìn)行沉降量測(cè)讀， 之后每隔10min、 10min、 10min、 15min 和15min 測(cè)讀， 以后每隔半小時(shí)測(cè)讀一次沉降量。 當(dāng)連續(xù)2h 以內(nèi)，每小時(shí)沉降量小于0.1mm 時(shí)， 即認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定，可進(jìn)行下一級(jí)荷載加載；

(3) 當(dāng)出現(xiàn)下述現(xiàn)象之一， 即終止加載:①承壓板周圍的土明顯地側(cè)向擠出； ②沉降S急劇增大， 荷載- 沉降(P-S)曲線出現(xiàn)陡降段；③在某一級(jí)荷載下， 24h 內(nèi)沉降速率不能達(dá)到穩(wěn)定； ④沉降量與承壓板直徑之比大于或等于0.06； ⑤達(dá)到預(yù)計(jì)的加載值， 但未出現(xiàn)上述情況。 當(dāng)滿足前三種情況之一時(shí)， 其對(duì)應(yīng)的前一級(jí)荷載定為極限荷載[12]。

3. 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

以HZ-7 試點(diǎn)加載現(xiàn)場(chǎng)為例， 當(dāng)豎向荷載加載至960kPa 時(shí)， 載荷板沉降量較大， 達(dá)到47.29mm， 承壓板周圍出現(xiàn)環(huán)狀裂紋， 如圖4所示。

圖4 載荷試驗(yàn)加載現(xiàn)場(chǎng)(HZ-7 試點(diǎn))Fig.4 Site of loading test (point HZ-7)

3 試驗(yàn)分析

3.1 直剪試驗(yàn)

1. 實(shí)測(cè)曲線

根據(jù)2.2 節(jié)的試驗(yàn)方法， 可得試點(diǎn)的豎向應(yīng)力與沉降的關(guān)系曲線、 切向應(yīng)力與切向位移關(guān)系曲線， 分別如圖5、 圖6 所示。 由圖5 可知， 由于豎向荷載較小， 地基處于彈性狀態(tài)受荷，P-S曲線呈直線關(guān)系， 但錨碇基礎(chǔ)范圍內(nèi)， 地基存在較大的離散性， 前趾區(qū)的地基剛度明顯大于后趾區(qū)。 圖6 表明， 試件在固定豎向荷載作用下， 隨著剪切應(yīng)力的增加， 剪切應(yīng)力與水平剪切位移的關(guān)系分別經(jīng)歷線彈性、 彈塑性階段， 最終達(dá)到峰值抗剪強(qiáng)度， 進(jìn)而發(fā)生剪切破壞。 試件達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)的剪切位移約10mm ～15mm。

2. 參數(shù)擬合

基于最小二乘法可得直剪試驗(yàn)的強(qiáng)度參數(shù)擬合結(jié)果， 如圖7 所示。

由圖7 可知， 含中粗砂卵礫石持力層與混凝土接觸面的抗剪摩阻系數(shù)為0.496， 粘聚力為9.47kPa。

圖5 直剪試驗(yàn)豎向應(yīng)力與沉降曲線Fig.5 Vertical stress and settlement curve of direct shear test

圖6 直剪試驗(yàn)切向應(yīng)力與位移曲線關(guān)系Fig.6 Curve of shear stress and displacement in direct shear test

圖7 直剪試驗(yàn)強(qiáng)度參數(shù)擬合Fig.7 Fitting diagram of strength parameters in direct shear test

3. 破壞面形態(tài)

試驗(yàn)結(jié)束后， QJ -3、 QJ -2 試點(diǎn)的剪切破壞面如圖8 所示。

圖8 試體剪切破壞面Fig.8 Shear failure surface of specimen

通過試體剪切破壞面可知， 由于法向荷載的作用， 剪切破壞面沒有發(fā)生在含中粗砂卵礫石持力層與混凝土膠結(jié)面， 而是位于含中粗砂卵礫石持力層內(nèi)部， 呈曲面形式。 也即含中粗砂卵礫石持力層與混凝土膠結(jié)面不是最薄弱結(jié)構(gòu)面， 膠結(jié)面的摩阻系數(shù)大于試驗(yàn)結(jié)果0.496。

3.2 載荷試驗(yàn)

完整的P-S曲線呈彈性階段、 彈塑性階段、塑性階段和破壞階段。 如2.3 節(jié)所述， 由于測(cè)試目的僅在于確定地基是否滿足設(shè)計(jì)要求， 即載荷試驗(yàn)為設(shè)計(jì)值的2 倍， 因此， 根據(jù)2.3 節(jié)的試驗(yàn)方法， 可得試點(diǎn)荷載-沉降的關(guān)系曲線， 如圖9所示， 該P(yáng)-S曲線基本呈直線分布， 說明地基在加載階段均處于線彈性階段。

該工程在基坑開挖至坑底后， 按照注漿加固方案對(duì)前趾、 后趾試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行注漿加固， 15 天之后首先對(duì)前趾區(qū)QZ -3、 QZ -2、 QZ -1 試點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)， 當(dāng)QZ-3 試點(diǎn)加載至最后一級(jí)荷載時(shí)，由于下雨導(dǎo)致后續(xù)QZ-2、 QZ -1 試點(diǎn)所測(cè)得的沉降量較QZ-3 試點(diǎn)有所增加， 但三個(gè)試點(diǎn)的最終沉降量均小于48mm(載荷板直徑的0.06 倍)且P-S曲線均呈線性變化， 因此前趾區(qū)三個(gè)試點(diǎn)的極限承載力均大于所施加的最大荷載值。

圖9 荷載-沉降曲線Fig.9 Load settlement curve

前趾區(qū)的試驗(yàn)時(shí)間共計(jì)7 天， 試驗(yàn)完成之后再進(jìn)行后趾區(qū)試驗(yàn)。 根據(jù)對(duì)基底范圍內(nèi)土層的顆粒級(jí)配分析可知， 前趾區(qū)卵礫石土層含中粗砂較多， 而后趾區(qū)的卵礫石土層含粘性土較多， 因此后趾試驗(yàn)區(qū)在注漿前先澆筑20cm 厚墊層， 并在其周邊設(shè)置排水溝， 以保證注漿效果和減小雨水對(duì)試驗(yàn)的影響。

圖9 中， 前趾試驗(yàn)區(qū)QZ -3、 QZ -2、 QZ -1試點(diǎn)和后趾試驗(yàn)區(qū)HZ -7、 HZ -8 試點(diǎn)分別是在相同的注漿工藝和注漿條件下完成， 前趾區(qū)和后趾區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)出較大的離散性， 即在注漿工藝相同的條件下， 注漿效果與土層的顆粒級(jí)配、 孔隙的空間分布有較大的關(guān)系。 另一方面，從前后趾試點(diǎn)P-S曲線的斜率可判斷前后趾地基的變形模量有較大差別， 與前期的顆粒級(jí)配分析結(jié)果一致。

根據(jù)規(guī)范[8]要求， 地基承載力特征值可取為P-S曲線的比例界限和極限承載力一半的較小值。 因此載荷試驗(yàn)點(diǎn)的地基承載力特征值fa取值如表1 所示。

表1 載荷試驗(yàn)點(diǎn)地基承載力特征值Tab.1 Characteristic value of foundation bearing capacity at load test point

從表1 中可知， QZ - 1、 QZ - 2、 QZ - 3、HZ-8 試驗(yàn)點(diǎn)的承載力特征值不小于600kPa， 滿足設(shè)計(jì)要求， HZ-7 試驗(yàn)點(diǎn)的承載力特征值小于600kPa， 需再次補(bǔ)注漿以滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

錨碇基礎(chǔ)與持力層之間的摩阻系數(shù)， 以及持力層的承載力、 壓縮性能是淺埋式重力錨碇基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。 結(jié)合伍家崗長江大橋江南側(cè)錨碇工程， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)含中粗砂卵礫石持力層的淺層平板載荷試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究， 并制定了合理的試驗(yàn)方案。 結(jié)果表明:

1. 在固定豎向荷載作用下， 試件底面隨著剪切應(yīng)力的增加， 剪切應(yīng)力與水平剪切位移的關(guān)系分別經(jīng)歷線彈性、 彈塑性階段， 最終達(dá)到峰值抗剪強(qiáng)度， 進(jìn)而發(fā)生剪切破壞。 試件達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)的剪切位移約10mm ～15mm。

2. 根據(jù)最小二乘法擬合的直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 含中粗砂卵礫石持力層與混凝土接觸面的抗剪摩阻系數(shù)為0.496。

3. 根據(jù)本項(xiàng)目5 個(gè)載荷試驗(yàn)試點(diǎn)的P-S曲線分析以及規(guī)范要求， QZ -1、 QZ -2、 QZ -3、HZ-8 試驗(yàn)點(diǎn)的承載力特征值不小于600kPa， 滿足設(shè)計(jì)要求， HZ-7 試驗(yàn)點(diǎn)的承載力特征值小于600kPa， 不滿足設(shè)計(jì)要求， 需再次補(bǔ)注漿以滿足設(shè)計(jì)要求。

4. 基坑長時(shí)間暴露和積水對(duì)持力層的承載性能影響較大， 建議基坑開挖至坑底后應(yīng)盡快澆筑墊層減少持力層土體的擾動(dòng)， 同時(shí)應(yīng)做好基坑的防排水措施。