云南紅河特大橋淺埋重力式錨錠基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

徐茂，姜開渝

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210017；2.重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院，重慶 404020）

1 引言

淺埋重力式錨碇基礎(chǔ)相比于深埋重力式基礎(chǔ)可顯著減少基坑支護(hù)工程量、工期和造價(jià)，已逐漸成為特大型懸索橋梁的基礎(chǔ)方案[1]。巖土組合淺埋地基[2]剛度分布不均，錨碇基礎(chǔ)在自重和主纜拉力作用下易出現(xiàn)過(guò)大的不均勻沉降和水平變位，因此，淺埋式錨碇基礎(chǔ)+剛性樁復(fù)合地基作為一種新型的地基組合設(shè)計(jì)方案逐漸受到重視并應(yīng)用于工程，但其在上部組合荷載作用下的承載特性和變位機(jī)理研究鮮有報(bào)道，其中，地基參數(shù)的合理取值更是錨碇基礎(chǔ)變位分析的關(guān)鍵[3-4]。

本文以云南紅河特大橋淺埋重力式錨錠基礎(chǔ)為背景，通過(guò)載荷試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、單樁載荷試驗(yàn)研究中風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖的地基承載力，探索持力層與素混凝土之間的摩阻系數(shù)，分析單樁承載力特征值，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)，為類似工程提供參考。

2 工程概況

紅河特大橋位于云南省紅河流域南沙水電站庫(kù)區(qū)，主橋?yàn)?00 m 簡(jiǎn)支鋼箱梁懸索橋。建水側(cè)錨碇基礎(chǔ)底平面為矩形，縱向長(zhǎng)62.0 m，橫向?qū)?8.0 m。為增強(qiáng)錨碇基礎(chǔ)的抗滑移穩(wěn)定性，基底呈前高后低布置，中部為直線漸變段，基底下設(shè)10 cm厚墊層（見圖1）。

圖1 錨碇基礎(chǔ)及地基加固示意圖（單位：m）

項(xiàng)目采用剛性樁復(fù)合地基對(duì)前趾區(qū)域的強(qiáng)風(fēng)化板巖進(jìn)行加固處理。其中，灌注樁樁徑d=1.2 m，樁間距為4.5 m，呈梅花形布置，樁長(zhǎng)隨巖土分界面變化。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，經(jīng)剛性樁地基加固處理后，中風(fēng)化板巖地基承載力特征值fak≥1 200 kPa，強(qiáng)風(fēng)化板巖fak≥800 kPa。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

當(dāng)錨碇基坑開挖至基底標(biāo)高時(shí)開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。在基底中風(fēng)化板巖和強(qiáng)風(fēng)化板巖加固區(qū)域分別進(jìn)行了3 組直剪試驗(yàn)、3組載荷試驗(yàn)，在強(qiáng)風(fēng)化板巖區(qū)域?qū)? 組剛性樁單樁進(jìn)行了載荷試驗(yàn)?？紤]到在錨碇基礎(chǔ)下剛性樁加固區(qū)域設(shè)置碎石墊層，因此，分別針對(duì)中風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖碎石墊層進(jìn)行了直剪試驗(yàn)。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于確定地基加固后中風(fēng)化板巖和強(qiáng)風(fēng)化板巖區(qū)域碎石墊層的地基承載力及變形參數(shù)，校核其是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1 中風(fēng)化板巖區(qū)域載荷試驗(yàn)

試驗(yàn)采用面積為0.3 m2的圓形剛性承壓板，其直徑B0≈0.62 m。如前所述，要求中風(fēng)化板巖的fak≥1 200 kPa，因此，現(xiàn)場(chǎng)最大加載量取2fak，即2 400 kPa。試驗(yàn)過(guò)程中，將最大加載量分為9 級(jí)并逐級(jí)加載，3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的Q-s（荷載-沉降）曲線如圖2 所示。由圖2 可知：（1）當(dāng)3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)加載至2 400 kPa 時(shí)，載荷板的沉降均穩(wěn)定收斂；（2）沉降允許值由載荷板直徑的0.06 倍確定，即0.037 m，3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的最終沉降均小于規(guī)范允許值，地基尚未達(dá)到極限狀態(tài)。因此，中風(fēng)化板巖的fak≥1 200 kPa。

圖2 平板載荷試驗(yàn)Q-s 曲線

3.2 強(qiáng)風(fēng)化板巖加固區(qū)域載荷試驗(yàn)

試驗(yàn)采用方形剛性板，邊長(zhǎng)B0=1 m。設(shè)計(jì)要求強(qiáng)風(fēng)化板巖加固后的fak≥800 kPa，因此，試驗(yàn)最大加載量取為1 600 kPa。3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的Q-s 曲線如圖3 所示。從圖3 可知：（1）3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)加載至1 600 kPa 時(shí)，載荷板的沉降均穩(wěn)定；（2）Q-s 曲線上均無(wú)比例界限點(diǎn)，且沉降均小于0.06 m（沉降允許值為載荷板邊長(zhǎng)的0.06 倍），因此，地基處理后的強(qiáng)風(fēng)化板巖地基的fak≥800 kPa。

圖3 平板載荷試驗(yàn)Q-s 曲線

3.3 剛性樁靜載荷試驗(yàn)

基樁的原位試驗(yàn)則可以考慮樁土界面性質(zhì)、樁身質(zhì)量等因素的影響，是地基承載特性分析的重要手段。針對(duì)剛性樁復(fù)合地基的2 根單樁開展靜載荷試驗(yàn)，以確定單樁的承載力特征值。2 根單樁的樁長(zhǎng)均為9.3 m。設(shè)計(jì)要求單樁fak≥3 500 kN，因此結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范[5]，最大加載量定為7 000 kN。試驗(yàn)加載采用慢速維持荷載法，如圖4 所示的Q-s 曲線可知，當(dāng)加載至7 000 kN 時(shí)，曲線無(wú)陡降段且穩(wěn)定，表明單樁并未達(dá)到極限載荷，因此單樁的極限載荷Pu＞7 000 kN，fak≥3 500 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 單樁載荷試驗(yàn)Q-s 曲線

3.4 直剪試驗(yàn)

共進(jìn)行了2 組原位直剪試驗(yàn)，分別位于中風(fēng)化板巖區(qū)域（3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)）和強(qiáng)風(fēng)化板巖加固碎石墊層區(qū)域（3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)）。試驗(yàn)采用面積為0.6 m2，長(zhǎng)寬比2∶1 的長(zhǎng)方形現(xiàn)澆C30 混凝土試塊，試塊高350 mm，水平力與長(zhǎng)邊平行，著力點(diǎn)離地面50～100 mm。每個(gè)試點(diǎn)面在0.5 m2范圍內(nèi)大致整平，保證試點(diǎn)面的粗糙度及地質(zhì)特征盡可能一致。由堆載平臺(tái)提供豎向反力，現(xiàn)澆混凝土平臺(tái)提供水平反力，通過(guò)在試塊頂面布置滾軸以保證加載過(guò)程中試塊與豎向千斤頂自由滾動(dòng)變位。結(jié)合相關(guān)規(guī)范的試驗(yàn)方法，可得各試點(diǎn)的豎向應(yīng)力與沉降、切向應(yīng)力與切向位移的關(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，地基仍處于彈性狀態(tài)且中風(fēng)化板巖區(qū)域的地基剛度明顯大于強(qiáng)風(fēng)化板巖區(qū)域。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，界面剪切應(yīng)力與剪切位移經(jīng)歷了線彈性、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。

圖5 直剪試驗(yàn)豎向荷載與沉降曲線

圖6 切向應(yīng)力與水平位移曲線

根據(jù)2 組試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于最小二乘法擬合可得抗剪摩阻系數(shù)。中風(fēng)化板巖與基礎(chǔ)的摩阻系數(shù)為0.60，強(qiáng)風(fēng)化板巖碎石墊層與基礎(chǔ)的摩阻系數(shù)為0.55，該摩阻系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，可保證錨碇基礎(chǔ)在施工期及運(yùn)營(yíng)期的抗滑移穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)論

云南紅河特大橋建水側(cè)為淺埋重力式錨碇基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)后趾區(qū)域坐落在中風(fēng)化板巖，前趾區(qū)域坐落在強(qiáng)風(fēng)化板巖上且強(qiáng)風(fēng)化板巖的下臥基巖面呈傾斜分布。采用非等長(zhǎng)樁體復(fù)合地基加固基礎(chǔ)前趾區(qū)域的強(qiáng)風(fēng)化板巖。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，分別對(duì)在中風(fēng)化板巖和強(qiáng)風(fēng)化板巖加固區(qū)域進(jìn)行了3組直剪試驗(yàn)、3 組載荷試驗(yàn)，對(duì)剛性樁進(jìn)行了2 組單樁載荷試驗(yàn)。主要結(jié)論如下：

1）中風(fēng)化板巖區(qū)域的Q-s 曲線表明，3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)測(cè)得的地基承載力特征值fak≥1 200 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求；

2）強(qiáng)風(fēng)化板巖加固區(qū)域的Q-s 曲線表明，3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)測(cè)得的地基承載力特征值fak≥800 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求；

3）單樁載荷試驗(yàn)的Q-s 曲線表明，兩根單樁的承載力特征值不小于3 500 kN，滿足設(shè)計(jì)要求；

4）直剪試驗(yàn)表明中風(fēng)化板巖與基礎(chǔ)的摩阻系數(shù)為0.60，強(qiáng)風(fēng)化板巖加固后碎石墊層與基礎(chǔ)的摩阻系數(shù)為0.55，該摩阻系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，可保證錨碇基礎(chǔ)在施工期及運(yùn)營(yíng)期的抗滑移穩(wěn)定性要求。