悬索桥岩基力学参数试验研究

陶齐宇，李佰龙，王中豪，幸新涪，肖仕燕

(1.四川省交通运输厅 公路规划勘察设计研究院，四川 成都，610041； 2.长江科学院重庆分院，重庆 400026)

悬索桥是以通过索塔悬挂并锚固于两岸的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁。作为连接深山峡谷或跨大江大河的典型桥梁，某悬索桥主跨长1 100 m，桥位一岸选用隧道锚。前期勘察和隧道开挖资料显示该岸隧道锚围岩为蚀变二长花岗岩间夹花岗岩、灰绿岩脉，岩体较为破碎，不均匀性强且其中发育次级断裂构造。最早用于承担悬索桥缆索拉力的为重力锚，但随着工程技术进步，工程量更小、性价比更高且对环境影响更小的隧道锚逐渐在桥梁工程建设中取代重力锚得到广泛应用[1- 4]。

隧道锚将周围岩体作为锚碇一部分，其变形与稳定直接关系着悬索桥的安全，对两岸锚固岩体的质量要求较高[5-7]。不管是数值模拟，还是模型试验，均要以室内及原位试验所获取的岩石(体)力学参数为依据，室内试验和原位试验是获取岩石(体)力学参数最基础且最有效地手段[8-12]。为保证桥梁安全，需要对隧道锚围岩进行力学性质试验研究，获得准确的物理力学参数，为隧道锚稳定性分析提供依据。

1 室内试验结果及分析

模型锚和试验平洞距实体锚均在500 m范围内，从开挖后的围岩判断，岩性均主要为蚀变二长花岗岩，地质条件与勘察资料揭示的实体锚部位基本一致，可作为代表性试验岩体。利用模型锚测试钻孔岩芯分别进行了物理性质试验、单轴抗压试验、变形试验、三轴抗压试验、单轴抗拉试验等室内岩石力学试验，试验结果见表1、2。

表1 岩块室内物理性质试验结果Table 1 Experimental results of rock mass indoor physical properties

表2 岩块室内力学试验结果Table 2 Experimental results of rock mass indoor mechanical properties

由室内试验结果可知：蚀变二长花岗岩岩石含水率、孔隙率和饱水率都很小，颗粒密度、天然密度、饱和密度及烘干密度均介于2.57～2.78 g/cm3之间，相差不大，表明其组成矿物排列较整齐、密实；岩块变形模量与抗压强度之比为359(小于500)，表明受压后岩体变形占主导特性；岩块的饱和单轴抗压强度值在15～30 MPa之间，属于较软岩类。

2 原位试验

现场原位试验选择在隧道右洞与隧道锚之间的联系洞开展。

2.1 岩体变形试验结果及分析

笔者分别对蚀变二长花岗开展1组垂直方向和1组水平方向的刚性承压板法变形试验，试验过程中二衬浇筑局部空洞导致个别顶板破坏而终止试验，故各变形试验点最大试验压力为1.2～6.0 MPa，试验曲线见图1。

由试验结果可知：各岩体试点变形参数显示出一定的差异，这是由于岩体变形参数多受到自身坚硬程度、风化程度、完整程度的影响；水平向加载下的变形模量和弹性模量均大于铅直向加载下的变形模量和弹性模量。

图1 承压板法岩体变形试验P-W典型曲线Fig. 1 P-W typical curve of rock mass deformation test with the bearing plate method

2.2 岩体直剪试验结果及分析

在右线连接洞选定部位进行天然状态下岩体直剪试验，试验采用平推法，剪切方向顺隧道锚拉力方向。法向应力范围为0～3 MPa，试体剪断后，在同等法向应力下，按上述程序进行抗剪试验。在整个施加剪应力过程中保持法向应力不变，试验成果曲线见图2、3。

图2 蚀变二长花岗岩岩体抗剪断试验τ-σ关系曲线Fig. 2 τ-σ relation curve of the altered adamellite in shearing resistance test

图3 蚀变二长花岗岩岩体抗剪试验τ-σ关系曲线Fig. 3 τ-σ relation curve of the altered adamellite in shearing resistance test

天然状态下，各个试点受到蚀变程度不同，岩体抗剪强度受岩体结构影响所致，蚀变二长花岗岩的τ-σ关系较为离散。在试验的几个点中，将抗剪强度高的点作为单独一组绘制抗剪强度与正压力关系曲线，抗剪强度低的点作为另一组绘制抗剪强度与正压力关系曲线，按库仑表达式确定抗剪强度参数。得到高值抗剪断峰值强度参数为f′=1.12，c′=0.62 MPa；低值抗剪断峰值强度参数为f′=0.79，c′=0.28 MPa；高值抗剪峰值强度参数为f=1.01，c=0.52 MPa；低值抗剪峰值强度参数为f=0.68，c=0.23 MPa。

2.3 砼岩接触面直剪试验结果及分析

笔者进行了两组混凝土与蚀变二长花岗岩接触面在天然状态下的原位直剪试验。试验采用平推法，剪切面的面积为50 cm×50 cm，剪切方向与实体锚受力方向基本一致，施加最高正应力为3 MPa。试验成果曲线见图4。

图4 混凝土与蚀变二长花岗岩接触面直剪试验τ-σ关系曲线Fig. 4 τ-σ relation curve of contact surface between the concrete and altered adamellite in the direct shear test

由直剪试验τ-σ关系曲线可知：τh1组混凝土与蚀变二长花岗岩接触面的τ-σ关系曲线规律性较好，抗剪断峰值强度为f′=1.02，c′=0.37 MPa；抗剪峰值强度为f=0.67，c=0.31 MPa。进行τh2混凝土与蚀变二长花岗岩接触面的τ-σ关系曲线规律性相对较差，抗剪断强度为f′=1.08，c′=0.5 MPa；抗剪强度为f=0.74，c=0.38 MPa。两组摩擦系数f′和f与黏聚力c′和c都较为接近，τh2组的摩擦系数和黏聚力都稍比τh1组大。

3 综合分析

3.1 变形特性

岩体变形参数受到岩体坚硬程度、风化程度、完整程度的影响。试验岩体属于中风化，主要受岩体坚硬程度和完整程度的影响，试验区域的蚀变二长花岗岩岩体由于各个位置蚀变程度不同，各个岩体试样的所含石英、长石等矿物组份不同，各个岩体试点变形参数显示出一定的差异。试验表明：水平向加载下的变形模量为3.04～4.93 GPa，平均值为3.81 GPa，弹性模量为5.28～6.96 GPa，平均值为6.24 GPa，变形模量与弹性模量之比为0.61；在铅直向加载下的变形模量为0.97～2.84 GPa，平均值为1.87 GPa，弹性模量为2.24～5.05 GPa，平均值为3.46 GPa，变形模量与弹性模量之比为0.54。水平向加载下的变形模量(弹性模量)比铅直向加载下的变形模量(弹性模量)大，这主要由岩体试样的矿物组份的不同影响了其坚硬程度，铅直向加载下的岩体试样蚀变程度更高，长石类矿物成分占的比例更大。

3.2 强度特性

3.2.1 岩体剪切强度

对蚀变二长花岗岩岩体本身进行两组天然状态下的直剪试验，岩体强度参数受到岩体坚硬程度、风化程度、剪切面结构裂隙的影响。试验岩体属于中风化，主要受岩体的坚硬程度和剪切面结构裂隙的影响，试验区域的蚀变二长花岗岩岩体蚀变程度不同，各个岩体试样的所含的石英、长石等矿物组份的不同，且试样发育的微裂隙也不同，各个试点的强度参数显示出一定的差异，其强度参数综合比较见表3。

表3 蚀变二长花岗岩岩体直剪试验抗剪强度参数Table 3 Shear strength parameters of rock mass of altered adamellite in the direct shear test

3.2.2 接触面剪切强度

对混凝土与蚀变二长花岗岩接触面进行了两组天然状态下的直剪试验。两组峰值强度参数摩擦系数f′和f与黏聚力c′和c都较为接近，τh2组摩擦系数和黏聚力都稍比τh1组大，对τh1组和τh2组试验点进行分析，其强度参数综合比较见表4。混凝土与蚀变二长花岗岩接触面的抗剪断峰值强度参数为f′=1.03，c′=0.46 MPa；抗剪峰值强度参数为f=0.69，c=0.36 MPa。

表4 混凝土与蚀变二长花岗岩接触面剪切强度参数Table 4 Shear strength parameters of contact surface between the concrete and altered adamellite

3.2.3 岩体直剪和接触面剪切强度比较

蚀变二长花岗岩岩体本身抗剪断峰值强度参数为f′=0.79～1.12，c′=0.28～0.62 MPa；抗剪峰值强度参数为f=0.68～1.01。混凝土与蚀变二长花岗岩接触面抗剪断峰值强度参数为f′=1.03，c′=0.46 MPa；抗剪峰值强度参数为f=0.69。两者抗剪断峰值强度参数和抗剪峰值强度参数较为接近，反映了强度较高的混凝土与较软岩接触面抗剪强度受下部岩体强度影响较大，下盘岩体相对上盘混凝土强度低些，剪切破坏时，多沿预剪面或者局部下盘岩体剪断破坏，这与剪切试验完成后的地质描述结果相对应。

3.3 岩石力学参数试验建议值

笔者以室内及原位试验结果为依据，结合工程岩体风化、完整程度等地质条件，提出该工程岩体力学参数试验建议值，如表5。

表5 蚀变二长花岗岩岩体物理力学参数试验建议值Table 5 The test proposed values of the physical and mechanical parameters of the rock mass of the altered adamellite

4 结 论

笔者通过悬索桥一岸隧道锚碇岩体力学性质试验研究，得到如下结论：

1) 试验按相关规程规范实施，试验成果可靠，基本反映了该悬索桥隧道锚碇岸区工程岩体的力学特征。

2) 锚碇区的岩石为蚀变二长花岗岩，岩块的饱和单轴抗压强度值在15～30 MPa以内，属于较软岩。

3) 锚碇区蚀变二长花岗岩变形模量平均值为2.84 GPa，弹性模量平均值为4.85 GPa。岩体抗剪断强度参数为f′=0.79～1.12，c′=0.28～0.62 MPa；抗剪强度参数为f=0.68～1.01。混凝土与蚀变二长花岗岩抗剪断强度参数为f′=1.02～1.08，c′=0.37～0.50 MPa；抗剪强度参数为f=0.67～0.75。

4) 提出了该工程岩体力学参数试验建议值，为类似岩性的工程设计提供参考。

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