龍灘特大橋巖體力學(xué)特性研究

黃家華，羅 彥，米德才，羅偉斌，韋景麒

(1.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交通工程檢測(cè)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(kù)庫(kù)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(zhì)邊坡，巖性為由粉砂質(zhì)泥巖與砂巖組成的層狀巖體，在庫(kù)區(qū)水位周期性升降作用下，原本結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體物理性質(zhì)逐漸劣化，巖體變形及強(qiáng)度降低。對(duì)于處在復(fù)雜特殊地質(zhì)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(shè)及安全運(yùn)營(yíng)的重大工程地質(zhì)問題。巖體變形參數(shù)和強(qiáng)度指標(biāo)作為評(píng)價(jià)巖基及岸坡穩(wěn)定的重要因素，其巖體力學(xué)參數(shù)取值對(duì)于拱座巖體變形穩(wěn)定和橋基巖體抗滑穩(wěn)定計(jì)算與評(píng)價(jià)具有重要理論價(jià)值和意義，將直接影響工程設(shè)計(jì)方案和工程造價(jià)。為此，本文針對(duì)龍灘特大橋巖體力學(xué)特性進(jìn)行深入分析研究。

縱觀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，前人對(duì)水電工程巖體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了較多研究，取得了大量用于工程實(shí)踐的研究成果[1-5]。原位試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)是獲取巖體力學(xué)參數(shù)或研究巖體力學(xué)特性最直接有效的方法，已經(jīng)取得較多研究成果并應(yīng)用于壩基工程中。但對(duì)于公路橋梁工程巖體力學(xué)特性及參數(shù)開展深入分析的研究鮮有報(bào)道。因工程巖體存在各向異性，加上缺乏對(duì)其的深入系統(tǒng)研究，導(dǎo)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(nèi)廣泛分布大量的泥巖、砂巖組成的層狀巖體，因其力學(xué)特性存在各向異性，地基變形、邊坡失穩(wěn)等災(zāi)害成為工程界亟待解決的難題，但目前關(guān)于廣西特大橋巖基力學(xué)特性及參數(shù)的研究較少。基于此，為完善巖體力學(xué)特性理論并提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，揭示其在荷載作用下變形破壞機(jī)理，本文依托龍灘特大橋，選取下老岸層狀巖體為研究對(duì)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(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)與原位巖體力學(xué)試驗(yàn)研究，深入分析巖體變形及強(qiáng)度特性，提出巖體力學(xué)參數(shù)的合理取值建議，對(duì)于指導(dǎo)巖基及岸坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)具有重要的研究?jī)r(jià)值和意義。

1 工程概況與巖體結(jié)構(gòu)特征

在建的龍灘特大橋位于廣西天峨縣龍灘水庫(kù)庫(kù)區(qū)，為南丹至天峨下老高速公路(以下簡(jiǎn)稱“南天路”)的控制性工程，主橋?yàn)橛?jì)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(zhǎng)2 548 m，主墩、交界墩為矩形空心墩，拱座采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。下老岸拱座基礎(chǔ)寬40 m、長(zhǎng)40 m、高37 m，基底呈斜坡狀和水平狀，基礎(chǔ)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(zhì)泥巖與灰黃色砂巖構(gòu)成，整個(gè)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(cè)試揭示，強(qiáng)風(fēng)化巖體的縱波波速VP=2 388～3 249 m/s，中風(fēng)化較破碎巖體的縱波波速VP=3 385～4 085 m/s，中風(fēng)化較完整巖體的縱波波速VP=4 318～4 810 m/s，中風(fēng)化完整巖體的縱波波速VP=4 810～5 300 m/s。

2 室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)

2.1 巖石物理性質(zhì)試驗(yàn)

巖石物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果表明(下頁(yè)表1)，無(wú)論是天然還是飽和狀態(tài)，砂巖與粉砂質(zhì)泥巖的巖塊密度標(biāo)準(zhǔn)值較為相近，略高于2.70 g·cm-3。

2.2 巖石力學(xué)試驗(yàn)

巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明(下頁(yè)表1、表2)，砂巖天然單軸抗壓強(qiáng)度為52.0 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為41.8 MPa，軟化系數(shù)為0.78；粉砂質(zhì)泥巖天然單軸抗壓強(qiáng)度為44.6 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為35.8 MPa，軟化系數(shù)為0.84。砂巖的抗拉強(qiáng)度介于2.01～3.02 MPa，粉砂質(zhì)泥巖的抗拉強(qiáng)度介于0.87～1.25 MPa，粉砂質(zhì)泥巖的抗拉強(qiáng)度是砂巖的2.6倍。砂巖的內(nèi)摩擦角和粘聚力分別介于46.5°～60.8°和1.56～5.83 MPa，粉砂質(zhì)泥巖分別介于39.8°～58.1°和1.98～5.12 MPa，砂巖的抗剪斷強(qiáng)度略高于粉砂質(zhì)泥巖。砂巖與粉砂質(zhì)泥巖的抗剪強(qiáng)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(dòng)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(zhì)泥巖的靜彈性模量、動(dòng)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(zhì)試驗(yàn)結(jié)果表

表2 巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表

3 原位巖體力學(xué)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

3.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

本項(xiàng)目共進(jìn)行巖體變形試驗(yàn)3組，巖體直剪和巖體/混凝土接觸面直剪試驗(yàn)各1組，巖基載荷試驗(yàn)1組，以及巖體回彈強(qiáng)度230組。巖體變形試驗(yàn)及巖基載荷試驗(yàn)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(gè)方向的變形及載荷試驗(yàn)。巖體直剪試驗(yàn)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(cè)定，儀器采用2.207J型回彈儀。試驗(yàn)按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[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(yàn)成果及分析

3.2.1 巖體變形及載荷試驗(yàn)

巖體變形試驗(yàn)成果(表3)表明，強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖的彈性模量和變形模量標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖的彈性模量和變形模量標(biāo)準(zhǔn)值在水平方向上分別為0.63 GPa和0.38 GPa?？梢?，不論是強(qiáng)風(fēng)化較破碎巖體還是中風(fēng)化較完整巖體，其變形參數(shù)在鉛垂荷載下均要遠(yuǎn)高于水平荷載。相同受力條件下，395 m標(biāo)高巖體裂隙發(fā)育，風(fēng)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(biāo)高巖體明顯低。另外，強(qiáng)風(fēng)化較破碎巖體的變形曲線均呈上凹型(塑-彈性)，中風(fēng)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(fēng)化程度高、結(jié)構(gòu)面發(fā)育，低壓裂隙被壓密，高壓巖體變形小。

巖基載荷試驗(yàn)成果(表3)表明，強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)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(yuǎn)高于水平受力。

表3 巖體變形及載荷試驗(yàn)結(jié)果表

3.2.2 巖體直剪試驗(yàn)

試點(diǎn)為強(qiáng)風(fēng)化較破碎粉砂質(zhì)泥巖，層面為剛性結(jié)構(gòu)面，剪切力與層面成40°。剪切過程受結(jié)構(gòu)面控制，試件先沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移，再沿預(yù)剪切面發(fā)生整體剪斷。風(fēng)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(guān)系曲線呈拋物線型，為塑性破壞。

試驗(yàn)結(jié)果表明(表4)，強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖的抗剪斷峰值強(qiáng)度參數(shù)摩擦系數(shù)為0.895、粘聚力為0.934 MPa，抗剪峰值強(qiáng)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(qiáng)度比值為0.82。

3.2.3 巖體/混凝土接觸面直剪試驗(yàn)

試點(diǎn)為較破碎強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，試點(diǎn)面起伏差為0.6～1.5 cm。據(jù)剪切破壞特征及τ-ε關(guān)系曲線，試件沿巖體與混凝土接觸面剪切破壞，破壞時(shí)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(qiáng)度等級(jí)為C40，天然和飽和工況泥巖單軸抗壓強(qiáng)度分別為44.6 MPa和35.8 MPa。

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

表4 巖體與巖體/混凝土接觸面直剪試驗(yàn)結(jié)果表

3.2.4 巖體回彈強(qiáng)度

本次現(xiàn)場(chǎng)巖體回彈強(qiáng)度測(cè)試共完成230個(gè)測(cè)試點(diǎn)，依據(jù)前人研究成果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?；貜梼x“⊥”層面的回彈強(qiáng)度：完整、較破碎、破碎粉砂質(zhì)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(qiáng)度：完整粉砂質(zhì)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(yàn)破壞模式

前人對(duì)層狀巖體的各向異性力學(xué)特性開展了室內(nèi)單軸及三軸壓縮試驗(yàn)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(qiáng)度隨層理傾角的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，呈U型，在傾角為40°～60°時(shí)達(dá)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(fù)合張剪破壞(中等傾角)。

研究區(qū)層狀粉砂質(zhì)泥巖傾角為40°，根據(jù)實(shí)際工程荷載作用(鉛垂、水平)，通過原位巖體變形及強(qiáng)度、巖基載荷試驗(yàn)研究，其力學(xué)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(qiáng)度比值處于0.2～0.6，層狀粉砂質(zhì)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(fù)合張剪破壞。其結(jié)果與室內(nèi)單軸及三軸壓縮試驗(yàn)研究成果相近。

5 巖體力學(xué)參數(shù)取值

受巖性、應(yīng)力狀態(tài)、完整性(受結(jié)構(gòu)面及風(fēng)化程度控制)及含水狀態(tài)等因素影響，需以室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)及原位巖體力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合本工程巖體結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)參照相關(guān)規(guī)范手冊(cè)，并類比龍灘水電站壩址巖基的泥巖和砂巖力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值[6]，提出龍灘特大橋拱座巖基巖體力學(xué)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(yàn)建議值一覽表

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)龍灘特大橋拱座巖基主要巖體工程地質(zhì)問題(拱座巖基變形及抗滑穩(wěn)定)，通過開展一系列的室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)與原位巖體力學(xué)試驗(yàn)研究，參照國(guó)內(nèi)外研究成果對(duì)試驗(yàn)資料進(jìn)行歸納總結(jié)，得出了以下結(jié)論：

(1)巖體受力狀態(tài)及其完整性(受結(jié)構(gòu)面及風(fēng)化程度控制)對(duì)巖體力學(xué)特性起到關(guān)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(qiáng)度比值處于0.2～0.6。

(2)三疊系下統(tǒng)(T1)粉砂質(zhì)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(fù)合張剪破壞。

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

表6 龍灘特大橋巖體強(qiáng)度試驗(yàn)建議值一覽表

(4)基于層狀巖體力學(xué)特性及破壞模式的各向異性，不論是室內(nèi)或原位力學(xué)試驗(yàn)，應(yīng)充分考慮實(shí)際工程層理弱面及其受力關(guān)系對(duì)巖體力學(xué)特性的影響。