锚碇基础作为悬索桥的一个关键部分, 需具有足够的强度、刚度和稳定性。我国在锚碇基础的设计方法上, 不考虑锚碇前方土体的抗力及其与锚碇的摩阻力, 只考虑锚碇底部的摩阻力。因此, 建造于半成岩上的桥梁锚碇基础的稳定性往往是基岩承载力及基岩与混凝土基础胶结面的抗剪强度控制的。

确定半成岩承载力及其摩阻系数的方法有原位试验、室内试验、理论计算和数值模拟等方法。现场原位试验是确定半成岩力学参数较为直接和可靠的方法, 现场原位试验应用较为广泛, 王艳芬等通过对西堠门大桥南锚碇基坑底面岩基的承载力原位试验及摩阻系数原位试验, 发现在各级设计正应力下, 混凝土试件与岩基接触面的剪切破坏不是发生在两者的胶结面, 而是试件区域的岩基首先被剪坏。王宇等针对土石混合体力学特性进行了原位试验研究;吉林等采用室内试验和现场剪切试验研究了润扬大桥南北锚碇基底基岩-混凝土胶结面的强度;许磊通过工程实例对武汉市半成岩的工程特性及其参数选取进行了探讨。

本文以马普托大桥Katembe侧锚碇基坑工程为背景, 对半成岩基岩面的摩阻力和基岩的地基承载力进行试验研究。

马普托大桥是跨越马普托湾的第1座跨海大桥, 全长4.434km。项目起点位于马普托市区EN2道路起点以南约100m, 终点位于马普托湾南岸Katembe镇附近, Maputo和Katembe侧锚碇均为重力式锚碇。Katembe侧锚碇基础采用外径50m、壁厚1.2m的圆形地下连续墙加环形钢筋混凝土内衬支护结构。基础底面高程为-33.600m, 基础顶面高程为+2.400m, 基础高36.0m。根据地质勘察报告, 锚碇处下伏基岩为半成岩 (细砂岩、泥质粉砂岩) , 基底持力层为细砂岩层, 地下连续墙嵌入相对隔水层泥质粉砂岩, 墙底标高-53.600m, 地下连续墙总深度56.0m。

地勘报告推荐参数为:细砂岩承载力基本容许值[f_a0]=350k Pa, 锚碇混凝土基础底面与泥岩层之间的摩擦系数μ=0.35。

考虑到锚碇基础的持力层岩层为半成岩, 属于极软岩, 物理力学特性较差, 为满足大桥工程安全施工和桥梁安全运营的需要, 通过原位试验获得锚碇基底的摩阻力和承载力的现场数据。试验的主要目的是: (1) 通过直剪试验测定锚碇锚体混凝土与基底接触面的抗剪摩阻系数; (2) 通过浅层平板载荷试验测定锚碇基坑底部的地基承载力基本容许值[f_a0]。

1) 法向荷载施加系统由千斤顶、加压反力装置 (反力支架) 及滚动滑板构成。

2) 水平剪力施加系统由千斤顶及附属装置 (反力支座等) 构成。

3) 测量系统由位移量测系统 (百分表等) 和力测量系统 (力传感器) 构成, 用以测量法向荷载、法向位移、水平剪力、水平位移等。

为了更为准确地得到基岩的抗剪强度, 试点直接布置于锚碇基础实际受力面上。开挖至基底后, 基底左幅 (图1从S6-S7桥墩方向左侧) 为完整性较好细砂岩, 风化程度为微~中度风化, 其性状与地勘资料一致, 右幅地层情况与地勘资料不同, 表层为破碎的细砂岩及细砂岩经强风化后形成的细砂和粗砂, 表层以下为完整性较好的细砂岩。因此, 确定了基底左幅前后趾试点位置 (2组) , 每组试验包括4个试点 (2个载荷试验试点, 2个直剪试验试点) , 直剪试验试点为KZJ01~KZJ04 (KZJ01和KZJ02位于前趾处, KZJ03和KZJ04位于后趾处) , 载荷试验试点为KZH01~KZH04 (KZH01和KZH02位于前趾处, KZH03和KZH04位于后趾处) 试点对称布置于前后趾基坑壁边缘, 如图1所示。

为防止机械开挖对岩体造成扰动, 当开挖至基底上1m时, 在试验点位置人工开挖至基底设计标高。试样间距取1m, 水平千斤顶一侧反力支撑距试样的净距离为70cm。试样放置在水平的基底试点面上, 通过2.05m×0.80m×0.45m配筋混凝土与内衬提供水平反力, 如图2所示。竖向反力采用I45a加堆载钢筋, 钢筋堆载量为130t。

人工清除试验点位置松动或扰动的岩土体, 保证每个试点面在0.5m²范围内大致平整, 人工凿成65cm×65cm的平面, 试点面的起伏差控制在0.5~1cm, 同时保证试点面的粗糙度及地质特征尽可能一样。在试验点现浇尺寸为50cm×50cm×35cm的C40混凝土试块。试块混凝土的材料、配合比及强度等级均与锚碇基础混凝土一致, 同时在混凝土中加入早强剂以提高早期强度, 缩短龄期。在紧邻试点位置处埋设测量位移的基准梁。

采用平推法进行直剪试验, 每个试体上分别施加不同的法向荷载, 法向荷载分别为180, 240, 300, 360k N, 其中前趾2个试块施加240k N (KZJ01) , 360k N (KZJ02) , 后趾2个试块施加180k N (KZJ03) , 300k N (KZJ04) , 试验过程如下:

1) 法向荷载按5级施加, 加载后立即读竖向位移, 以后每5min测记1次, 当5min内垂直变形值不超过0.05mm时, 可施加下一级荷载, 施加最后一级荷载后按5, 10, 15, 15min…时间间隔测读垂直变形值, 当连续两个15min垂直变形累计值不超过0.05mm时, 即可认为垂直变形已经稳定, 可施加剪切荷载。

2) 剪切预定荷载按照对应的竖向荷载最大值分10级施加, 在剪切荷载施加过程中, 当本级剪切位移增量为前级位移增量的1.5倍时, 将级差减半。

3) 剪切荷载采用时间控制, 每5min加载1级, 施加前后对法向和切向位移测表和轴力计各读数1次。

1) 法向荷载施加系统由千斤顶、加压反力装置 (反力支架) 及刚性承压板构成。

2) 测量系统由位移量测系统 (百分表等) 和力测量系统 (力传感器) 构成。

为了较为准确地掌握锚碇基底的承载性能, 试验直接布置在锚碇基坑开挖露出的锚碇实际受力面上。Katembe侧基坑共进行2组试验, 每组试验包括2个试点, 共4个试点, 布置位置如图1所示。为减少试验岩层的扰动, 保持其原状结构和天然湿度, 开挖至试点面后在承压板下铺设10mm厚的中砂垫层找平, 并尽快安装试验设备。

1) 根据文献[2]要求, 承压板采用厚3cm的圆形钢板, 直径为600mm, 荷载值通过轴力计测量, 沉降由0~50mm量程的百分表测量, 2个百分表对称安装在荷载板上, 与基准梁配合观察沉降。

2) 采用堆载法, 由工字钢搭成的压重平台反力装置, 钢筋堆载130t。

3) 试验加载过程中, 竖向应力采用分级维持荷载沉降相对稳定法 (常规慢速法) 。Katembe侧基坑的承载力基本容许值为350k Pa。载荷板试验加载的最大值为容许值的2倍, 即Katembe侧基坑承载力为700k Pa (对应载荷为204k N) 。试验采用位移控制, 若达到最大加载分级仍未达到终止条件按照修正后的设计要求最大应力值的2倍 (对应载荷为820k N) 继续加载。荷载共分14级:34, 68, 102, 136, 170, 204, 281, 358, 435, 512, 589, 666, 743, 820k N。

4) 在加载前对测量系统进行初步稳定读数观测, 每10min读数1次, 连续3次读数不变即可开始试验。加载后立即进行沉降量测读, 然后每隔10, 10, 10, 15, 15min测读沉降, 以后每30min读数1次。当连续2h以内, 每小时沉降量<0.1mm时, 即达到稳定, 即可进行下一级荷载。

5) 终止加载条件:当出现下述现象之一, 即可终止加载: (1) 承压板周围的土明显地侧向挤出; (2) 沉降s急剧增大, 荷载-沉降 (p-s) 曲线出现陡降段; (3) 在某一级荷载下, 24h内沉降速率不能达到稳定; (4) 沉降量与承压板直径之比≥0.06; (5) 达到预计的加载值, 但未出现上述情况。

1) 根据2.4节的试验过程, 可得竖向应力与竖向位移关系曲线如图3所示, 剪切应力与剪切位移关系曲线如图4所示。

2) 参数拟合

基于图3和图4的关系曲线, 可以分别拟合出法向应力与峰值剪切强度和残余剪切强度的关系曲线。拟合方式有图解法和最小二乘法。本文利用最小二乘法原理来拟合:

黏聚力:

摩阻系数:

式中:n, σ, τ分别为试验次数、正应力、剪应力。

基于最小二乘法得到直剪试验的强度参数拟合图和结果, 分别如图5和表1所示。

3) 破坏面形态

试验结束后, 试体的剪切破坏面如图6所示。

试样剪切破坏后翻开混凝土块可以发现, Katembe侧锚碇的剪切破坏面基本位于半成岩基岩-混凝土的胶结面, 在法向应力较大的情况下, 剪切破坏面位于半成岩岩体内部, 当岩石-混凝土两相介质胶结面的抗剪强度小于基岩结构面自身的抗剪强度时, 剪切破坏面沿两者胶结面破坏;当基岩结构面自身的抗剪强度不足, 岩石-混凝土两相介质胶结面的抗剪强度大于基岩结构面自身的抗剪强度时, 剪切破坏面沿基岩内部结构面破坏。

根据2.4节的试验过程, 可得竖向应力与竖向位移关系曲线, 如图3所示。由于2, 4号测点在现场载荷试验时, 对浅层覆土未清理彻底, 导致在最初加载过程中产生较大的位移, 但后续加载趋于稳定。荷载-沉降曲线如图7所示。

根据文献[3]要求, 地基承载力基本容许值的初值[f_a]可取为曲线的比例界限和极限承载力一半的较小值。

1号测点的比例界限为1 285.10k Pa, 加载至2 371.80k Pa;2号测点的比例界限为1 275.87k Pa, 加载至2 910.69k Pa;3号测点的比例界限为1 553.18k Pa, 加载至2 913.06k Pa;4号测点的比例界限为1 277.25k Pa, 加载至2 914.54k Pa。4个测点均未达到破坏荷载, 极限荷载≥2 371.80k Pa。综合4个测点, 根据文献[3]可得被测试的4个测点的地基承载力基本容许值≥1 185.90k Pa, 满足设计要求的地基承载力基本容许值[f_a0]。

半成岩承载力及半成岩与锚碇基础接触面的摩擦系数是决定锚碇基础整体稳定性的关键因素。结合Maputo大桥南锚碇工程, 根据现场情况对基岩承载力及摩阻力试验方法及现场试验进行系统研究, 制定了合理的试验方案。根据直剪试验结果, 采用最小二乘法进行拟合, 确定的抗剪断摩擦系数μ&apos;=0.517, 抗剪切摩擦系数μ=0.395, 由此可知半成岩与锚碇基础接触面的摩擦系数满足设计值, 锚碇基底摩阻系数满足设计要求;基于平板载荷试验可知锚碇持力层基岩面的地基承载力基本容许值≥1 185.90k Pa, 满足设计要求的地基承载力基本容许值[f_a0], 为类似工程及现场试验提供了参考。