云南红河特大桥浅埋重力式锚锭基础现场试验研究

徐茂，姜开渝

(1.苏交科集团股份有限公司，南京 210017；2.重庆三峡学院土木工程学院，重庆 404020）

1 引言

浅埋重力式锚碇基础相比于深埋重力式基础可显著减少基坑支护工程量、工期和造价，已逐渐成为特大型悬索桥梁的基础方案[1]。岩土组合浅埋地基[2]刚度分布不均，锚碇基础在自重和主缆拉力作用下易出现过大的不均匀沉降和水平变位，因此，浅埋式锚碇基础+刚性桩复合地基作为一种新型的地基组合设计方案逐渐受到重视并应用于工程，但其在上部组合荷载作用下的承载特性和变位机理研究鲜有报道，其中，地基参数的合理取值更是锚碇基础变位分析的关键[3-4]。

本文以云南红河特大桥浅埋重力式锚锭基础为背景，通过载荷试验、直剪试验、单桩载荷试验研究中风化板岩、强风化板岩的地基承载力，探索持力层与素混凝土之间的摩阻系数，分析单桩承载力特征值，为设计提供依据，为类似工程提供参考。

2 工程概况

红河特大桥位于云南省红河流域南沙水电站库区，主桥为700 m 简支钢箱梁悬索桥。建水侧锚碇基础底平面为矩形，纵向长62.0 m，横向宽48.0 m。为增强锚碇基础的抗滑移稳定性，基底呈前高后低布置，中部为直线渐变段，基底下设10 cm厚垫层（见图1）。

图1 锚碇基础及地基加固示意图（单位：m）

项目采用刚性桩复合地基对前趾区域的强风化板岩进行加固处理。其中，灌注桩桩径d=1.2 m，桩间距为4.5 m，呈梅花形布置，桩长随岩土分界面变化。根据设计要求，经刚性桩地基加固处理后，中风化板岩地基承载力特征值fak≥1 200 kPa，强风化板岩fak≥800 kPa。

3 现场试验

当锚碇基坑开挖至基底标高时开展现场试验。在基底中风化板岩和强风化板岩加固区域分别进行了3 组直剪试验、3组载荷试验，在强风化板岩区域对2 组刚性桩单桩进行了载荷试验。考虑到在锚碇基础下刚性桩加固区域设置碎石垫层，因此，分别针对中风化板岩、强风化板岩碎石垫层进行了直剪试验。以上试验数据用于确定地基加固后中风化板岩和强风化板岩区域碎石垫层的地基承载力及变形参数，校核其是否满足设计要求。

3.1 中风化板岩区域载荷试验

试验采用面积为0.3 m2的圆形刚性承压板，其直径B0≈0.62 m。如前所述，要求中风化板岩的fak≥1 200 kPa，因此，现场最大加载量取2fak，即2 400 kPa。试验过程中，将最大加载量分为9 级并逐级加载，3 个试验点的Q-s（荷载-沉降）曲线如图2 所示。由图2 可知：（1）当3 个试验点加载至2 400 kPa 时，载荷板的沉降均稳定收敛；（2）沉降允许值由载荷板直径的0.06 倍确定，即0.037 m，3 个试验点的最终沉降均小于规范允许值，地基尚未达到极限状态。因此，中风化板岩的fak≥1 200 kPa。

图2 平板载荷试验Q-s 曲线

3.2 强风化板岩加固区域载荷试验

试验采用方形刚性板，边长B0=1 m。设计要求强风化板岩加固后的fak≥800 kPa，因此，试验最大加载量取为1 600 kPa。3 个试验点的Q-s 曲线如图3 所示。从图3 可知：（1）3 个试验点加载至1 600 kPa 时，载荷板的沉降均稳定；（2）Q-s 曲线上均无比例界限点，且沉降均小于0.06 m（沉降允许值为载荷板边长的0.06 倍），因此，地基处理后的强风化板岩地基的fak≥800 kPa。

图3 平板载荷试验Q-s 曲线

3.3 刚性桩静载荷试验

基桩的原位试验则可以考虑桩土界面性质、桩身质量等因素的影响，是地基承载特性分析的重要手段。针对刚性桩复合地基的2 根单桩开展静载荷试验，以确定单桩的承载力特征值。2 根单桩的桩长均为9.3 m。设计要求单桩fak≥3 500 kN，因此结合现行规范[5]，最大加载量定为7 000 kN。试验加载采用慢速维持荷载法，如图4 所示的Q-s 曲线可知，当加载至7 000 kN 时，曲线无陡降段且稳定，表明单桩并未达到极限载荷，因此单桩的极限载荷Pu＞7 000 kN，fak≥3 500 kN，满足设计要求。

图4 单桩载荷试验Q-s 曲线

3.4 直剪试验

共进行了2 组原位直剪试验，分别位于中风化板岩区域（3 个试验点）和强风化板岩加固碎石垫层区域（3 个试验点）。试验采用面积为0.6 m2，长宽比2∶1 的长方形现浇C30 混凝土试块，试块高350 mm，水平力与长边平行，着力点离地面50～100 mm。每个试点面在0.5 m2范围内大致整平，保证试点面的粗糙度及地质特征尽可能一致。由堆载平台提供竖向反力，现浇混凝土平台提供水平反力，通过在试块顶面布置滚轴以保证加载过程中试块与竖向千斤顶自由滚动变位。结合相关规范的试验方法，可得各试点的竖向应力与沉降、切向应力与切向位移的关系曲线，分别如图5、图6 所示。由图5 可知，由于竖向荷载较小，地基仍处于弹性状态且中风化板岩区域的地基刚度明显大于强风化板岩区域。图6 表明试件在固定竖向荷载作用下，随着剪切应力的增加，界面剪切应力与剪切位移经历了线弹性、弹塑性阶段，最终达到峰值抗剪强度，进而发生剪切破坏。

图5 直剪试验竖向荷载与沉降曲线

图6 切向应力与水平位移曲线

根据2 组试验的试验数据，基于最小二乘法拟合可得抗剪摩阻系数。中风化板岩与基础的摩阻系数为0.60，强风化板岩碎石垫层与基础的摩阻系数为0.55，该摩阻系数均满足设计要求，可保证锚碇基础在施工期及运营期的抗滑移稳定性要求。

4 结论

云南红河特大桥建水侧为浅埋重力式锚碇基础，该基础后趾区域坐落在中风化板岩，前趾区域坐落在强风化板岩上且强风化板岩的下卧基岩面呈倾斜分布。采用非等长桩体复合地基加固基础前趾区域的强风化板岩。为验证设计参数的合理性，分别对在中风化板岩和强风化板岩加固区域进行了3组直剪试验、3 组载荷试验，对刚性桩进行了2 组单桩载荷试验。主要结论如下：

1）中风化板岩区域的Q-s 曲线表明，3 个试验点测得的地基承载力特征值fak≥1 200 kPa，满足设计要求；

2）强风化板岩加固区域的Q-s 曲线表明，3 个试验点测得的地基承载力特征值fak≥800 kPa，满足设计要求；

3）单桩载荷试验的Q-s 曲线表明，两根单桩的承载力特征值不小于3 500 kN，满足设计要求；

4）直剪试验表明中风化板岩与基础的摩阻系数为0.60，强风化板岩加固后碎石垫层与基础的摩阻系数为0.55，该摩阻系数均满足设计要求，可保证锚碇基础在施工期及运营期的抗滑移稳定性要求。