超大跨徑拱橋原位巖基承載力試驗(yàn)研究

摘要：文章聚焦于超大跨徑拱橋在不均勻地基條件下的承載力研究，依托廣西某待建超大跨徑拱橋項(xiàng)目，對(duì)該地粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖進(jìn)行了原位平板載荷試驗(yàn)，揭示這兩種基巖在受力作用下的變形規(guī)律，明確了兩者的巖基承載力特征值分別為1.2 MPa和1.6 MPa。試驗(yàn)結(jié)果表明，受巖基的不均勻性和前期勘察精度限制的影響，現(xiàn)場(chǎng)原位平板載荷試驗(yàn)獲得的巖體彈性模量可能偏低于前期勘察的推薦值，因此為了確保超大跨徑拱橋的安全性，必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)證地基的實(shí)際承載力是否滿(mǎn)足拱座基礎(chǔ)的受力要求。研究為超大跨徑拱橋在不均勻地基條件下的承載力研究提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：粉砂質(zhì)泥巖；粉砂巖；平板載荷試驗(yàn)；變形性能；承載力特征值

中圖分類(lèi)號(hào)：U446" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）06-0017-05

0 引言

拱橋作為橋梁結(jié)構(gòu)中的一種主要橋型，以其承載力高、跨越能力大、造價(jià)經(jīng)濟(jì)及耐用、美觀(guān)等優(yōu)點(diǎn)，在山區(qū)、河谷等地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。隨著材料科學(xué)和施工技術(shù)的進(jìn)步，拱橋跨徑不斷實(shí)現(xiàn)新的突破。大跨徑拱橋在拱腳區(qū)域不僅要承受垂直荷載，還要承受巨大的水平推力，因此對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性和地基承載力有更高的要求。在不同的地質(zhì)條件下，拱橋的基坑開(kāi)挖方式也不同。廣西地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，巖石種類(lèi)多且力學(xué)性能不盡相同，因此研究大跨拱橋砂泥巖地基的物理力學(xué)性能，對(duì)于工程實(shí)踐具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要借助試驗(yàn)手段探究巖石的力學(xué)特性，例如Guo等［1］通過(guò)室內(nèi)劈裂和加卸載試驗(yàn)對(duì)裂隙巖體進(jìn)行研究；唐正濤等［2］通過(guò)對(duì)比分析標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)、含水率和直剪指標(biāo)等，研究某航道坍岸區(qū)域內(nèi)外土層及巖石的物理力學(xué)性質(zhì)差異；席軍等［3］進(jìn)行受迫共振試驗(yàn)和單軸循環(huán)加載試驗(yàn)，揭示了飽和砂巖在循環(huán)載荷下的滯彈性衰減與損傷機(jī)制。然而在進(jìn)行巖石室內(nèi)試驗(yàn)前，必須按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363—2019）中的要求進(jìn)行巖樣取芯、飽水等作業(yè)，這可能會(huì)導(dǎo)致自然狀態(tài)下的巖石裂隙、節(jié)理等特征被忽略，因此獲得的試驗(yàn)結(jié)果難以全面反映巖石在實(shí)際工程中的力學(xué)性能，限制了巖石室內(nèi)試驗(yàn)在工程設(shè)計(jì)與建設(shè)中發(fā)揮應(yīng)有的參考價(jià)值［4-5］。鑒于超大跨徑拱橋拱座基礎(chǔ)對(duì)地基承載力有極高的要求，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成為確保設(shè)計(jì)合理性與指導(dǎo)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，重點(diǎn)研究拱座基礎(chǔ)的地基承載力特性，以期為類(lèi)似項(xiàng)目提供有價(jià)值的參考。

1 工程概況

本文依托某待建的超大跨徑拱橋項(xiàng)目，該橋位于廣西西北部，橋梁總長(zhǎng)1 702 m，其主拱計(jì)算跨徑超過(guò)500 m，采用中承式鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)方案。橋址橫跨河流兩岸，地形特征兼具剝蝕低山丘陵和河谷地貌，河槽呈“U”形。河流兩岸山勢(shì)陡峭，峰脊狹窄，分水嶺界限明顯，整體地勢(shì)起伏較大，海拔范圍為300～600 m。大橋的兩側(cè)拱座均坐落于“U”形河谷岸坡的半坡位置，兩側(cè)岸坡坡度均較陡，總體坡度為30°～50°。岸坡表層覆蓋層厚度較薄，臨近河面處可見(jiàn)基巖大面積裸露，地質(zhì)測(cè)繪及鉆探作業(yè)揭示該區(qū)域基底地層主要由粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，其中粉砂質(zhì)泥巖有較強(qiáng)的軟化和崩解特性，基巖地勘推薦值見(jiàn)表1。

在初步設(shè)計(jì)階段，為確保地基承載力，項(xiàng)目采用了“斜樁+擴(kuò)大基礎(chǔ)”的構(gòu)造形式。此方案雖然在結(jié)構(gòu)的受力方面具有優(yōu)勢(shì)，但是會(huì)大幅增加造價(jià)成本和延長(zhǎng)施工周期。因此，在施工圖設(shè)計(jì)階段，根據(jù)地質(zhì)勘探結(jié)果，對(duì)基礎(chǔ)形式進(jìn)行了優(yōu)化，最終決定采用異性擴(kuò)大基礎(chǔ)方案。初步設(shè)計(jì)與施工圖設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試點(diǎn)概況

本試驗(yàn)場(chǎng)地位于橋位區(qū)附近，為了測(cè)定場(chǎng)地巖基的物理力學(xué)性質(zhì)，本文基于剛性承壓板法巖體變形實(shí)驗(yàn)理論，設(shè)計(jì)了一套原位平板載荷試驗(yàn)系統(tǒng)。由于場(chǎng)地巖基存在顯著的不均勻性特征，所以試驗(yàn)過(guò)程中以中風(fēng)化粉砂巖（完整狀態(tài)）的承載力特征值fak=2.0 MPa為依據(jù)，分別對(duì)3個(gè)典型粉砂巖區(qū)域和3個(gè)典型粉砂質(zhì)泥巖區(qū)域，共計(jì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)（T1～T6）進(jìn)行原位加載試驗(yàn)，各測(cè)點(diǎn)巖區(qū)巖性描述見(jiàn)表2。

2.2 加載過(guò)程

本次試驗(yàn)屬于平板荷載實(shí)驗(yàn)，其原理在于通過(guò)一定面積的剛性承壓板，向待測(cè)巖基逐級(jí)施加荷載，通過(guò)分析試驗(yàn)所得的荷載與沉降關(guān)系曲線(xiàn)圖，確定曲線(xiàn)中起始直線(xiàn)段的終點(diǎn)為比例界限。本試驗(yàn)裝置采用直徑為300 mm、厚度為30 mm的Q345鋼板作為承壓板，加載系統(tǒng)則集成了液壓千斤頂（型號(hào)QFS-100）、“工”字鋼梁及錨桿組件。錨桿共8根，每根直徑為32 mm，設(shè)計(jì)抗拔力為424 kN，采用HRB400級(jí)鋼筋作為錨筋，錨固段直徑為110 mm，錨固長(zhǎng)度為10 m。各測(cè)點(diǎn)之間的中心間距設(shè)定為大于承壓板直徑的4倍，而試點(diǎn)中心至試坑壁的距離也保持在承壓板直徑的2倍以上。原位加載系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)加載過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段采用逐級(jí)一次循環(huán)法加載，直至載荷達(dá)到預(yù)定值（1.2 fak），期間每級(jí)荷載施加后立即讀取數(shù)據(jù)，隨后每隔10 min讀取一次，直至連續(xù)兩次讀數(shù)差與同級(jí)壓力下第一次變形讀數(shù)和前一級(jí)壓力下最后一次變形讀數(shù)差之比小于5%時(shí)，視為讀數(shù)穩(wěn)定并記錄，此階段加載主要研究基巖變形；第二階段采用單調(diào)加載法，從零載荷開(kāi)始逐步增加，直至測(cè)點(diǎn)被破壞或載荷達(dá)到3.0 fak為止。加載過(guò)程中同樣即時(shí)記錄數(shù)據(jù)，并每隔10 min復(fù)測(cè)，直至連續(xù)3次讀數(shù)之差均不超過(guò)0.01 mm時(shí)視為數(shù)據(jù)穩(wěn)定并進(jìn)行記錄，此階段加載主要研究基巖的承載力特性。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 應(yīng)力—彈塑性變形

圖3為逐級(jí)一次循環(huán)法加載下的應(yīng)力—變形曲線(xiàn)，隨著荷載的逐級(jí)增加，應(yīng)力—變形曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，同時(shí)測(cè)點(diǎn)所在巖層的剛度也隨之增大。在卸載過(guò)程中，應(yīng)力—變形曲線(xiàn)的卸載路徑與加載路徑相似，也呈非線(xiàn)性。對(duì)比T1～T3與T4～T6兩組測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力—變形曲線(xiàn)，前者斜率總體小于后者，說(shuō)明T1～T3區(qū)域（以粉砂質(zhì)泥巖為主）的巖層剛度低于T4～T6區(qū)域（以粉砂巖為主）。T2和T3測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力—變形曲線(xiàn)斜率相較于T1更低，說(shuō)明方解石脈的存在對(duì)粉砂質(zhì)泥巖的剛度具有削弱作用。T4與T6測(cè)點(diǎn)巖層因局部呈黃褐色強(qiáng)風(fēng)化特征，并伴有部分黃褐色泥質(zhì)膠結(jié)物，導(dǎo)致其在加載初期即產(chǎn)生較大的變形，從而使其應(yīng)力—變形曲線(xiàn)斜率略小于T5。當(dāng)荷載為2.4 MPa時(shí)，T1～T6的變形量分別為0.95 mm、1.35 mm、1.34 mm、0.53 mm、0.47 mm、0.71 mm，此時(shí)粉砂質(zhì)泥巖（T1～T3）的平均變形量為1.21 mm，而粉砂巖（T4～T6）的平均變形量為0.57 mm。

圖4為單調(diào)加載法下的應(yīng)力—彈塑性變形曲線(xiàn)。圖4中，x軸負(fù)方向?yàn)榧虞d過(guò)程中獲得的應(yīng)力—彈性變形曲線(xiàn)，x軸正方向?yàn)榧虞d過(guò)程中獲得的應(yīng)力—塑性變形曲線(xiàn)。當(dāng)荷載為0.5 MPa時(shí)，T1～T6的彈性變形量分別為0.25 mm、0.22 mm、0.08 mm、0.08 mm、0.10 mm、0.02 mm；T1～T6的塑性變形量分別為0.07 mm、0.02 mm、0.48 mm、0.16 mm、0.06 mm、0.29 mm。當(dāng)荷載達(dá)到2.4 MPa時(shí)，T1～T6的彈性變形量分別為0.64 mm、0.62 mm、0.44 mm、0.36 mm、0.35 mm、0.35 mm；T1～T6的塑性變形量分別為0.31 mm、0.73 mm、0.90 mm、0.26 mm、0.12 mm、0.36 mm，此時(shí)，T1～T6的彈性變形量分別占其各自總變量的67%、46%、33%、68%、74%、50%，說(shuō)明完整粉砂質(zhì)泥巖的變形主要呈彈性變形；而遭方解石脈分割的粉砂質(zhì)泥巖，其變形主要呈塑性變形。由于粉砂巖的變形主要呈彈性，因此局部強(qiáng)風(fēng)化會(huì)增大粉砂巖的塑性變形量。

2.3.2 巖體彈性變形

在平板載荷試驗(yàn)中，巖體彈性（變形）模量可表示為［6］

其中：E代表巖體彈性（變形）模量，MPa；I0為剛性承壓板的形狀系數(shù)，圓形承壓板取0.785；We代表巖體彈性變形，cm；P代表按承壓板面積計(jì)算的應(yīng)力，MPa；D為承壓板直徑或邊長(zhǎng)，cm；μ為巖體泊松比，取0.3。以彈性變形We代入公式（1）中計(jì)算的是彈性模量E，而以總變形W代入公式（1）計(jì)算的是變形模量Ea。

由公式（1）計(jì)算得到的巖體彈性模量和變形模量見(jiàn)表3。由表3可知，對(duì)于粉砂質(zhì)泥巖（T1～T3），其彈性變形范圍在0.44～0.64 mm，總變形則在0.95～1.35 mm。值得注意的是，T1～T3的彈性模量依次增大，然而T2和T3的變形模量相較于T1減小約30.0%，表明T2、T3的塑性變形顯著增加，這可能與方解石脈的存在增強(qiáng)了巖石的塑性變形有關(guān)。對(duì)于粉砂巖（T4～T6），其彈性變形相近，保持在0.35～0.36 mm范圍內(nèi)，總變形則在0.47～0.71 mm。盡管T4～T6的彈性模量相近，但是T4和T6巖層因局部呈現(xiàn)黃褐色強(qiáng)風(fēng)化特征并含有部分黃褐色泥質(zhì)膠結(jié)物，導(dǎo)致塑性變形增大，從而變形模量較T5分別降低了11.3%和33.8%。表3為巖體彈性模量和變形模量，對(duì)比表1和表3中的數(shù)據(jù)可知，除強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖外，通過(guò)原位平板載荷試驗(yàn)獲得的巖體彈性模量普遍低于前期勘察的推薦值。鑒于類(lèi)似工程項(xiàng)目對(duì)地質(zhì)條件的高度敏感性，本文提出的方法對(duì)于獲取更精確的巖體彈性模量數(shù)據(jù)具有重要的參考價(jià)值。

圖5為單調(diào)加載法下的應(yīng)力—變形曲線(xiàn)。在載荷試驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)T1～T6在荷載達(dá)到6 MPa后均未發(fā)生破壞現(xiàn)象。各測(cè)點(diǎn)的比例界限分別為1.2 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.8 MPa、2.0 MPa和1.6 MPa。對(duì)比粉砂質(zhì)泥巖（T1～T3）和粉砂巖（T4～T6）的比例界限，粉砂質(zhì)泥巖的最小比例界限為1.2 MPa，粉砂巖的則為1.6 MPa，據(jù)此確定該區(qū)域粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖的巖基承載力特征值分別為1.2 MPa和1.6 MPa。

3 數(shù)值分析

為了驗(yàn)證超大跨徑拱橋地基的承載力，并復(fù)核擴(kuò)大基礎(chǔ)的適用性，采用Midas GTS NX軟件構(gòu)建了拱座地基的受力模型（見(jiàn)圖6）。在建模過(guò)程中，主要考慮縱向和豎向的受力情況而忽略橫橋向受力，并將拱橋上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的荷載以集中力的形式加載到拱座擴(kuò)大基礎(chǔ)上。拱橋上部結(jié)構(gòu)荷載見(jiàn)表4。

圖7為考慮了拱橋上部結(jié)構(gòu)荷載后的拱座地基的豎向受力情況，從圖7中可以看出，基坑內(nèi)大部分地基承受的豎向應(yīng)力位于1 MPa的合理范圍內(nèi)。受力最大的部位出現(xiàn)在拱座基坑的第二臺(tái)階邊緣處，該處受基礎(chǔ)擠壓作用，豎向壓應(yīng)力達(dá)到1.8 MPa，超出了該位置地基承載力特征值的上限（1.6 MPa）。雖然兩者差異不大，但是原地基在該部位已無(wú)法滿(mǎn)足承載力要求。為確?；A(chǔ)穩(wěn)定，需通過(guò)錨桿、噴射混凝土等措施予以加固，以滿(mǎn)足基礎(chǔ)的受力要求。

4 結(jié)論

本文基于廣西某待建超大跨徑拱橋工程項(xiàng)目，針對(duì)該地粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖進(jìn)行了原位平板載荷試驗(yàn)，研究基巖受力變形的規(guī)律，明確了該地粉砂質(zhì)泥巖和粉砂巖的巖基承載力特征值，主要研究結(jié)論如下。

（1）對(duì)于粉砂質(zhì)泥巖（T1～T3），雖然其彈性模量依次增大，但是T2和T3的變形模量顯著低于T1，降幅約為30.0%。對(duì)于粉砂巖（T4～T6），各測(cè)點(diǎn)彈性模量接近，但T4和T6的變形模量相較于T5分別減少了11.3%和33.8%。

（2）T1～T6測(cè)點(diǎn)上的荷載增至6MPa時(shí)，所有測(cè)點(diǎn)均未發(fā)生破壞現(xiàn)象。各測(cè)點(diǎn)的比例界限分別為1.2 MPa、1.2 MPa、1.4 MPa、1.8 MPa、2.0 MPa和1.6 MPa?；诖耍凵百|(zhì)泥巖的巖基承載力特征值被界定為1.2 MPa，粉砂巖為1.6 MPa。

（3）受巖基固有的不均勻特性和前期勘察精度的局限性的影響，本次原位平板載荷試驗(yàn)所測(cè)得的巖體彈性模量低于前期勘察的推薦值。因此，針對(duì)超大跨徑拱橋項(xiàng)目，有必要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，進(jìn)一步驗(yàn)證地基承載力是否滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。

5 參考文獻(xiàn)

［1］GUO S F，QI S W，ZHAN Z F，et al. Plastic-strain-dependent strength model to simulate the cracking process of brittle rocks with an existing non-persistent joint［J］. Engineering Geology，2017，231：114-125.

［2］唐正濤，胡冬冬，陸雨晨，等.航道整治岸坡坍岸區(qū)的形成條件及機(jī)制［J］.水運(yùn)工程，2022（5）：129-133.

［3］席軍，宛新林，席道瑛.循環(huán)載荷下飽和砂巖的滯彈性衰減與損傷研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2023，42（5）：1214-1224.

［4］李玲，車(chē)亞林，敬亞平，等.中心環(huán)北線(xiàn)工程巖基靜載荷試驗(yàn)及其結(jié)果分析［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2007（8）：53-56.

［5］白鵬宇，肖仕周，劉禹臣，等.馬普托大橋北錨碇半成巖基巖原位試驗(yàn)研究［J］.施工技術(shù)，2017，46（S1）：999-1002.

［6］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG 3363—2019［S］.北京：人民交通出版社，2019.

*南寧市“邕江計(jì)劃”青年人才專(zhuān)項(xiàng)“水敏性軟巖邊坡災(zāi)變智能監(jiān)控及加固處治關(guān)鍵”（RC20230108）；廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“多時(shí)相InSAR在公路地質(zhì)災(zāi)害高效識(shí)別與監(jiān)測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)研究”（AB22035024）。

【作者簡(jiǎn)介】梁宇才，男，廣西南寧人，本科，工程師，研究方向：橋梁及隧道工程；李世文，男，黑龍江佳木斯人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：巖土工程；張玉龍，男，河南三門(mén)峽人，碩士，工程師，研究方向：橋梁及巖土工程；李增源，男，廣西南寧人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：橋梁工程；張耀升，男，廣西南寧人，博士，工程師，研究方向：土木工程。

【引用本文】梁宇才，李世文，張玉龍，等.超大跨徑拱橋原位巖基承載力試驗(yàn)研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（6）：17-21.