青草背长江大桥北锚碇摩阻力试验

刘 洋，赵明阶，郑升宝

（1.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074;2.水利部岩土力学与工程重点实验室重庆岩基研究中心，重庆 400074;3.重庆市交通规划勘察设计院，重庆 401121）

青草背长江大桥北锚碇摩阻力试验

刘 洋1，2，赵明阶1，郑升宝3

（1.重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074;2.水利部岩土力学与工程重点实验室重庆岩基研究中心，重庆 400074;3.重庆市交通规划勘察设计院，重庆 401121）

以涪陵青草背长江大桥北锚碇（重力式锚碇）为例，在北锚碇地基持力层部位进行了原位摩阻力试验，结合室内岩块力学试验成果及地基持力层的工程地质状况，对混凝土（强度等级为C30）与地基持力层基岩接触面的峰值抗剪断强度参数、抗剪强度参数以及比例界限值相对应的抗剪断强度参数进行了详细研究。结合现行规范、规程及行业标准对摩阻系数的不同取值方法进行了综合分析，最终确定该锚碇的摩阻系数为0.58，满足设计要求，供类似的重力式锚碇摩阻力试验参考。

重力式锚碇;摩阻系数;原位试验;抗剪断;抗剪

悬索桥作为跨越能力最大的桥型，在我国被广泛采用而进入快速发展的阶段。悬索桥按其锚固方式可以分为自锚式和地锚式悬索桥，自锚式悬索桥将主缆直接锚固在加劲梁的两端，使加劲梁直接承受主缆传来的水平分力;地锚式悬索桥使主缆通过重力式锚碇或隧道式锚碇将荷载产生的拉力传递给所锚固的岩土体。对于采用重力式锚碇的悬索桥而言，锚碇体的受力机制体现为作用在悬索桥的主缆上巨大的拉力通过索股与锚碇架分散传到锚块上，再由锚块、基础通过摩阻力传递到地基上，以地基的反力来抵抗锚块、基础与索股拉压力在竖直方向的分量，而索股在水平方向的巨大拉力则由锚块基础与地基的摩阻力抵抗［1-3］。根据现行的锚碇在荷载作用下不发生沉降、滑移及转动的原则，锚碇基础与基岩之间的摩阻力是影响整个悬索桥安全性的关键因素之一。笔者以涪陵青草背长江大桥北锚碇为例，通过对原位摩阻力试验及室内岩块试验成果的分析，结合锚碇基础底部基岩的工程地质条件，在参考现行相关的规程、规范、行业标准的基础上，确定了该桥北锚碇的摩阻系数。

1 工程概况

涪陵青草背长江大桥是重庆三环高速公路涪陵李渡—南川双河口段工程项目，主桥为单跨788 m悬索桥，流线型扁平钢箱梁，门形框架索塔，钻孔群桩基础;南岸引桥为4～35 m预应力混凝土T梁+2～90 m预应力混凝土T形刚构;北岸引桥为17～35 m预应力混凝土T梁;全桥长1 719 m，见图1。

图1 青草背长江大桥主跨788 m悬索桥桥型总体布置Fig.1 Overall layout of Qingcaobei Yangtze River Bridge with the main span of 788 m suspension bridge

该悬索桥锚碇均为重力式锚碇，其中北锚碇属于LJ 16施工段，位于重庆市涪陵区李渡镇玉屏村，为扩大基础三角框架式混凝土重力锚体。北锚碇结构长64 m，宽48.7 m，高51.5 m，混凝土总量达 56 968.7 m3。锚碇基础位于中风化砂质泥岩上，顶面高程为255.212 m，基底前趾高程为208.212 m，后趾高程为 203.712 m，地面标高为 228.000～234.000，基础埋深平均为25.0 m，开挖深度为22～28 m。锚体由基础、锚块、散索鞍墩、后锚块、锚室组成。根据设计要求北锚基础落在新鲜的中风化砂质泥岩上，基底摩阻系数不小于0.5。为了确定锚碇基础的摩阻系数是否满足要求，在锚碇基底开挖高程进行原位摩阻系数试验。

北锚区地貌总体属长江岸坡地貌，该区为缓坡地形，地形坡角5～10°，丘陵地貌，北东高南西低，地面标高230.0 ～233.0 m，相对高差 3.0 m。上覆第四系全新统堆积（Qme4）的填筑土，厚0.00～1.50 m，第四系全新统残坡积（Qel+dl4）的黏土，厚0.00～2.20 m，下伏基岩为侏罗系中统上沙溪庙组（J2s）粉砂质泥岩及砂岩，强风化层厚1.20～2.50 m。地质构造位处苟家场背斜南西翼，地层产状236°∠10°，区内岩体较完整。北锚区内构造较简单，未发现断层通过;地下水贫乏，水文地质条件简单。锚碇基础底面座落在中风化至微风化紫红色粉砂质泥岩上，为粉砂泥质结构;厚层状构造，主要由黏土矿物组成，局部夹少量灰绿色砂质团块及条带，岩石较完整，呈柱状及少量碎块状，质硬。

2 原位摩阻力试验

2.1 试样制作

根据现场实际情况，在锚碇后部混凝土与前部混凝土2 m分缝处上游侧分块和下游侧分块位置各制备1组（每组6个）混凝土试件。混凝土试件底面尺寸为50 cm×50 cm，高为40 cm。先在选定地点人工凿制成70 cm×80 cm的水平面，起伏差控制在0.6～1.2 cm内。混凝土的标号及配比与实桥锚碇一致，按C30等级人工现场配制。浇筑前，将试点面清洗干净，进行地质描述。试点面上铺一层2 cm厚的砂浆，再浇筑混凝土，分层进行振捣。现场2组混凝土试体一次性浇筑完成，同时浇筑12个15 cm×15 cm×15 cm标准试件。混凝土标准试件与混凝土试体在相同条件下养护，待达到相应的强度等级后开始试验。

2.2 试验加载及量测系统

现场摩阻试验系统由加载系统及量测系统组成:加载系统中正应力反力由“锚杆-钢梁”组成，剪应力反力采用预埋工字钢作为反力后座，正应力和剪应力出力设备均采用1个1 500 kN的岩石专用千斤顶;混凝土试件浇筑时埋入4个量测标点，每个标点上安装一个铅直向和水平向的百分表，用于监测混凝土试件剪切破坏过程中的位移变化情况。具体见图2。

图2 加载及量测系统Fig.2 Loading and measurement system

2.3 试验方法及步骤

现场试验方法采用平推法，剪切面面积50 cm×50 cm，剪切方向与锚碇工程实际受拉的方向一致，按设计要求施加的最大正应力为1.5 MPa，按等差级数分配到每个试件。即每1组的6个试件所施加的最大正应力分别为 1.50，1.20，0.90，0.60 ，0.30 MPa 和0.00 MPa。

原位摩阻力试验主要按以下步骤进行:

1）首先对混凝土标准试件进行抗压试验，并计算混凝土抗压强度，待其抗压强度达到C30强度时再进行混凝土与岩体接触面直剪试验。试验前对每个试点的下覆基岩性状进行地质描述。

2）据各点的最大正应力的分布情况，分3～5级施加。施加时采用时间控制，即加载后立即测读法向位移，5分钟后再测读一次，直至加到预定的荷载。在最后一级加载时，当连续2次发向位移之差不大于0.01 mm时，开始施加水平剪切荷载［4-6］。

3）剪切荷载按预估（经验）的8～10级施加。当剪切位移增量为前级位移增量的1.5倍时，荷载级差减半。荷载施加的稳定标准采用时间控制，即加载后立即测位移，5分钟后再测读一次，直至加到试体被剪断。在试体被剪断后，调整设备，与上述同样的方法进行抗剪（摩擦）试验。

4）试验完成后，翻开混凝土试件，对上盘混凝土试件以及下盘基岩的破坏情况再进行详细地描述。

3 摩阻系数的取值

3.1 原位摩阻试验测试结果分析

根据实测资料分别计算各试点剪切面上法向应力和剪应力，得到现场所进行的2组混凝土与锚碇基础底部基岩（粉砂质泥岩）接触面直剪试验的成果见表1。

表1 混凝土与基岩（粉砂质泥岩）接触面直剪试验成果Tab.1 Direct shear test results on interface of concrete and bedrock（sandy mudstone）

根据表1中的抗剪断峰值强度成果，按最小二乘法作出的τ～σ关系曲线如图3;根据表1中的抗剪（摩擦）峰值强度成果，按最小二乘法作出的τ～σ关系曲线如图4;上述试验的剪应力τ与切向位移us及法向位移un的关系曲线如图5。

图4 抗剪试验τ～σ关系曲线Fig.4 Curve of shearing stress and normal stress

图5 τ～u关系曲线Fig.5 Curve of shearing stress and displacement

由图5可以看出，抗剪断试验中，试件具有明显的脆性破坏的特征，表明本次试验混凝土与基岩的胶结程度较好。根据抗剪断试验的τ～us及τ～un关系曲线确定相应的比例界限点，然后按最小二乘法作出的τ～σ关系曲线如图6。

图6 τ～σ关系曲线（比例界限）Fig.6 Curve of shearing stressand normal stress

3.2 室内岩块力学性质分析

在2组混凝土与基岩接触面直剪试点附近各取一组岩样，每组均进行天然和饱和单轴抗压强度试验以及变形试验，试验成果见表2。在进行原位摩阻力试验之前，先进行混凝土立方体试块的抗压强度试验，其成果见表3。

表2 室内岩块力学试验成果Tab.2 Results of indoor rock mechanics test

表3 混凝土立方体试块抗压强度成果Tab.3 Results of compressive strength of concrete specimen

根据GB/T 50107—2010《混凝土强度检验评定标准》，采用非统计方法评定混凝土强度:同时满足①平均值为 35.3 MPa，大于 1.15 ×30=34.5 MPa;②最小值为 33.5 MPa，大于 0.95 ×30=28.5 MPa 2个条件，表明现场浇筑的混凝土试体在进行原位摩阻力试验之前达到C30强度等级的要求。

由混凝土试件的强度及室内岩块的强度成果可以看出，锚碇基础底部基岩为较软岩体［7-9］，其强度低于上部混凝土试件强度，因此接触面的胶结强度及下部粉砂质泥岩体的强度是决定现场摩阻力大小的关键因素。从现场试验后试件的破坏形态来看，基本上是沿混凝土与基岩（粉砂质泥岩）接触面剪断破坏的，可见本次试验摩阻力的大小主要取决于混凝土与基岩（粉砂质泥岩）接触面的胶结程度。

3.3 原位摩阻试验摩阻系数的确定

按峰值参加统计，对于抗剪断强度参数，将2组试验值进行综合分析，采用最小二乘法，按照GB 50287—2006《水利发电工程地质勘察规范》以小值平均值作为抗剪断参数的取值依据;对于抗剪强度参数，将2组试验值进行综合分析，以最小二乘法得出的值作为抗剪参数的取值依据。按比例界限值进行统计，将2组比例界限点对应的试验值进行综合分析，以最小二乘法得出的值作为抗剪参数的取值依据。统计结果见表4。

表4 混凝土与基岩（粉砂质泥岩）接触面直剪试验成果统计Tab.4 Statistical direct shear test results on interface of concrete and bedrock（sandy mudstone）

1）按照JTJ 024—85《公路桥涵地基与基础设计规范》中关于试验极限值与允许值取值关系的处理办法［f摩］=0.5f极限，结合本次试验，取极限摩阻系数为1.23，则得到本次摩阻力试验的摩阻系数允许值应为［f摩］=0.5f极限=0.5 ×1.16=0.58;

2）若按照将比例值乘以相应类别的系数作为允许值，将比例摩阻系数乘以JTJ 024—85《公路桥涵地基与基础设计规范》采用的γb/γc=0.76（工作条件系数 γb为0.95，混凝土安全系数 γc为1.25），以此作为摩阻系数基准值，取比例摩阻系数为1.15，则得到本次摩阻力试验的摩阻系数允许值为:［f摩］=0.76 ×1.15=0.87;

3）对混凝土试件与岩基接触面的摩阻试验所测的滑动摩阻系数，作为抗滑稳定的基本控制值，该值除以抗滑安全系数1.3作为摩阻系数的最低控制界限，取滑动摩阻系数为0.81，则得到本次摩阻力试验的摩阻系数允许值为［f摩］=0.81/1.3=0.62;

4）根据GB 50007—2002《建筑地基基础设计规范》［10］中的规定，摩阻系数对于软质岩取 0.40 ～0.60，根据 JTG D 63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》［11］中的规定，对于软岩（极软岩～较软岩），摩阻系数取0.40 ～0.60。

将上述值进行综合分析，取小值，则将0.58作为本次摩阻力试验的摩阻系数，且均满足上述要求。

4 结语

通过对青草背长江大桥北锚碇地基持力层部位所进行的原位摩阻力试验成果的分析，得到如下结论:

1）由抗剪断试验的剪应力与位移关系曲线中可以看出，混凝土试件具有明显的脆性破坏的特征，表明本次试验混凝土与基岩的胶结程度较好。

2）由混凝土立方体试块及室内岩块的抗压强度成果可以看出，混凝土试件的强度高于下覆基岩的强度。从摩阻力试验的破坏形态来看，混凝土试件基本上是沿着混凝土与基岩接触面剪断破坏的。由此可以得出混凝土试件的强度最高，下覆基岩的强度次之，混凝土与基岩接触面的胶结程度最低。因此，混凝土与基岩接触面的胶结程度是决定本次摩阻力试验的关键因素。

3）摩阻系数的取值是在摩阻力试验的峰值抗剪断强度参数、峰值抗剪强度参数以及比例界限值相对应的抗剪断强度参数这3个参数的基础上，利用不同的取值方法进行综合比较分析得出的，最终确定该锚碇的摩阻系数为0.58，具有充分的取值依据，可供类似的重力式锚碇摩阻力试验参考。

（References）:

［1］ 赵启林，陈斌，卓家寿.悬索桥锚碇及地基基础中的力学问题研究动态［J］.水利水电科技进展，2001，21（1）:22-26.

ZHAO Qi-lin，CHEN Bin，ZHUO Jia-shou.Research on mechanics of gravity concrete anchor and foundation about suspension bridge［J］.Advances in Hydroengineering Science and Technology，2001，21（1）:22-26.

［2］ 吉林，眭峰，王保田.润扬大桥锚碇基岩摩阻力试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（2）:256-260.

JI Lin，XU Feng，WANG Bao-tian.Testing study on base resistance of the anchors at Runyang Yangtze Bridge［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23（2）:256-260.

［3］ 陈有亮.虎门大桥东锚碇重力锚及基岩的稳定性［J］.工程力学，1996（增刊）:142-148.

CHEN You-liang.Stability of the east gravity concrete anchor and bedrock of Humen Bridge［J］.Engineering Mechanics，1996（Suppl）:142-148.

［4］ GB/T 50266—99工程岩体试验方法标准［S］.北京:计划出版社，1999.

［5］ SL 264—2001水利水电工程岩石试验规程［S］.北京:中国水利水电出版社，2001.

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［7］ GB 50218—94工程岩体分级标准［S］.北京:计划出版社，1994.

［8］ GB 50021—2001岩土工程勘察规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

［9］ 常士骠，张苏民.工程地质手册［M］.4版.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［10］ GB 50007—2002建筑地基基础设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［11］ JT GD 63—2007公路桥涵地基与基础设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2007.

Test Study on the Friction Resistance of the North Concrete Anchor of Qingcaobei Yangtze River Bridge

LIU Yang1，2，ZHAO Ming-jie1，ZHENG Sheng-bao3
（1.Key Laboratory of Ministry of Education on Hydraulic and Water Transport Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;2.Chongqing Rock Foundation Research Center，Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Chongqing 400074，China;3.Chongqing Transportation Planning Survey and Design Institute，Chongqing 401121，China）

Taking the north concrete anchor（gravity concrete anchor）at Qingcaobei Yangtze River Bridge as an example，insitu friction resistance test was conducted in the north concrete anchor bearing stratum，based on the indoor test results of rock mechanics and the engineering geological condition of bearing stratum，shear strength parameters and shear parameters of peak value and shear strength parameters of proportional limit value on the surface of concrete（strength grade of C30）and bearing stratum were studied in detail.According to current norms，procedures and industry standards，comprehensive analysis was done.Finally the friction resistance coefficient was 0.58.The value could meet the design requirements.The above test could provide reference for friction resistance test on other gravity concrete anchors.

gravity concrete anchor;friction resistance coefficient;in-situ test;shear strength;shear

TU459+.9

A

1674-0696（2011）05-0911-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2011.05.006

2010-11-03;

2011-01-10

刘 洋（1982-），男，河南南阳人，博士研究生，主要从事岩石力学试验研究方面的工作。E-mail:liuyang99132@yahoo.com.cn。