重慶魚嘴長江大橋錨碇抗剪強(qiáng)度試驗研究

肖本職，吳相超，劉 婭

重慶魚嘴長江大橋錨碇抗剪強(qiáng)度試驗研究

肖本職，吳相超，劉 婭

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室（重慶中心），重慶 400014）

以魚嘴長江大橋南北錨碇2種工況下的混凝土與基巖接觸面原位直剪試驗為背景，結(jié)合工程地質(zhì)特性，對較高強(qiáng)度混凝土與堅硬基巖接觸面抗剪強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了全面分析。認(rèn)為：①對于較高強(qiáng)度混凝土及堅硬基巖而言，混凝土強(qiáng)度的提高對接觸面摩擦系數(shù)f的提高貢獻(xiàn)不明顯，主要貢獻(xiàn)在提高粘接力c值；在控制好混凝土質(zhì)量及建基面巖體質(zhì)量的前提下，確?；炷僚c建基面間的澆筑質(zhì)量更顯關(guān)鍵。②水使接觸面抗剪強(qiáng)度略有降低，但影響程度有限；混凝土與基巖接觸面在高水頭、長時間水浸泡狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度參數(shù)的降低程度有待更深入地研究。③較高強(qiáng)度混凝土與堅硬基巖接觸面的剪切破壞都呈典型的脆性破壞特征。

魚嘴長江大橋；混凝土與基巖接觸面；抗剪強(qiáng)度；影響因素

1 概 述

重慶魚嘴長江大橋?qū)儆谖鞑块_發(fā)省際公路通道重慶繞城高速公路東段的一座橫跨長江的大型懸索橋。設(shè)計主跨616 m，總橋長1 438 m。主塔采用門式框架結(jié)構(gòu)，南、北錨碇均采用重力式錨碇。設(shè)計混凝土強(qiáng)度等級為北錨碇C30，南錨碇C40。橋位區(qū)地質(zhì)構(gòu)造位于大盛場向斜東冀。在橋位區(qū)穿越地段，呈單斜構(gòu)造，巖層傾向291°，傾角16°。區(qū)內(nèi)構(gòu)造較簡單，未發(fā)現(xiàn)斷層，且遠(yuǎn)離區(qū)域性大斷層。橋位區(qū)地貌總體屬長江岸坡地貌，橋位區(qū)內(nèi)表層零星覆蓋第四系全新統(tǒng)殘坡積亞粘土、洪積砂土、卵石土等，下伏巖層為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組砂巖與粉砂質(zhì)泥巖呈不等厚互層。根據(jù)設(shè)計，南北岸錨碇持力層均坐落在侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組弱風(fēng)化砂巖上。

懸索橋是一種跨越能力最大的橋型，主要由主梁、纜索、塔墩和錨碇4大部分組成。由于橋梁的重要性以及懸索橋結(jié)構(gòu)的特殊性，錨碇自身的滑移、錨塊的下沉、錨塊在主纜豎向分力作用下發(fā)生傾倒，都是絕對不允許的［1］。所以錨碇的穩(wěn)定問題就顯得十分重要。對于直接基礎(chǔ)重力式錨碇而言，錨碇滑移和傾覆是錨碇系統(tǒng)最大可能的破壞模式，文獻(xiàn)［2］認(rèn)為，只要滿足滑移的安全要求，抗傾覆要求一般就能滿足。因此，錨碇的滑移穩(wěn)定問題就成為直接基礎(chǔ)重力式錨碇的最重要穩(wěn)定性要求。對于較完整堅硬基礎(chǔ)巖體，錨碇的滑移穩(wěn)定主要取決于錨碇混凝土與基巖接觸面的抗剪強(qiáng)度。

我國在混凝土與基巖接觸面抗剪強(qiáng)度試驗方面的研究在水利工程上起步相對較早。1951年開工，1954年建成的官廳水庫就進(jìn)行了2組室內(nèi)混凝土／巖石接觸面抗剪強(qiáng)度試驗［3］。隨著葛洲壩、三峽等大型水利工程的建設(shè)，這方面的研究逐漸成熟，林偉平等人撰文較系統(tǒng)地分析了影響混凝土與基巖膠結(jié)面抗剪強(qiáng)度的主要因素［4］。對于橋梁錨碇混凝土與基巖接觸面抗剪強(qiáng)度的試驗研究較水利工程要晚一些。由于近年來橋梁工程發(fā)展迅猛，目前對于錨碇混凝土與基巖接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)問題也進(jìn)行了不少試驗研究。陳友亮通過對虎門大橋混凝土／巖體膠結(jié)面的抗剪特性的分析，得出了膠結(jié)面的抗剪特性與剪斷后的摩擦特性之間的關(guān)系［5］。王保田等針對潤揚長江公路大橋南汊懸索橋錨碇接觸面抗剪強(qiáng)度取值問題，采用室內(nèi)控制粗糙度試驗的方法，測定了不同風(fēng)化程度和粗糙度的花崗巖與混凝土接觸面的抗剪強(qiáng)度［6］。而朱德珍等則運用分形幾何理論，通過潤揚長江公路大橋大量的混凝土／花崗巖粗糙膠結(jié)面的抗剪強(qiáng)度試驗，探討了兩相介質(zhì)膠結(jié)面粗糙度對其抗剪強(qiáng)度參數(shù)大小、剪切變形特性以及剪切破壞機(jī)制的影響，得到了膠結(jié)面粗糙度分形維數(shù)與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間的經(jīng)驗公式［7］。但是，這些研究都沒有涉及高強(qiáng)度混凝土與堅硬巖體間剪切強(qiáng)度的影響因素及其影響程度等。本文以魚嘴長江大橋南北錨碇兩種工況下的混凝土與基巖接觸面原位直剪試驗為依據(jù)，結(jié)合工程地質(zhì)特性，對較高強(qiáng)度混凝土與堅硬基巖接觸面抗剪強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了分析。

2 試驗方案及布置

2．1 試驗方案

為了較準(zhǔn)確地掌握錨碇與基巖接觸面的抗剪強(qiáng)度，試驗直接布置在錨碇基坑開挖揭露出的錨碇實際受力基巖面上。南北錨碇在巖性和混凝土強(qiáng)度等級上存在微小差別，將同時布置試驗點?？紤]到差異性不是很大，因此將試驗重點放在一個錨碇即可。總共布置了4組試驗，每組5點。其中北錨碇3組，南錨碇1組，試驗用混凝土的材料、配合比及強(qiáng)度等級均與實橋混凝土一致?？紤]到基巖面高程處于洪水位以下，汛期間，混凝土與基巖接觸面將較長時間處于地下水位以下，因此，在北岸的3組原位試驗中，我們考慮了1組飽水工況，以期了解飽水狀態(tài)較天然狀態(tài)下混凝土與基巖接觸面抗剪強(qiáng)度的降低程度。飽水方法為所澆筑的試體混凝土初凝后將接觸面（預(yù)剪面）浸泡于水中，直到試驗時才排干明水。在進(jìn)行混凝土與基巖接觸面直剪試驗的同時，還對試驗點位置的基巖取樣進(jìn)行了室內(nèi)巖塊單軸抗壓強(qiáng)度試驗。

2．2 試點布置

試點布設(shè)以地層巖性具有地質(zhì)代表性和既方便試驗又不影響施工為原則，具體位置見圖1。

圖1 各試點平面布置圖Fig．1 Plan view of arrangement of test points

2．3 試驗方法［8］

在選定的試驗點位置，人工清除松動或爆破擾動巖體，每個試點面在1．0 m2范圍內(nèi)大致平整，人工鑿制成長70 cm×寬60 cm的平面，起伏差控制在0．5～1 cm。用水洗凈并擦干基巖面，再進(jìn)行地質(zhì)描述和照相。然后澆筑長60 cm×寬50 cm×高40 cm的混凝土試塊，剪切面面積3 000 cm2?；炷翉?qiáng)度等級北岸為C30，南岸為C40，混凝土配制所需原材料均采用實橋錨碇所用材料，同時考慮工期問題，在混凝土中添加了適量早強(qiáng)劑。試驗墩澆筑的同時澆筑150 mm×150 mm×150 mm的混凝土試塊6個，待試壓塊的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，安裝法向和切向加荷系統(tǒng)及測量系統(tǒng)進(jìn)行直剪試驗。

試驗采用平推法。試驗最大法向應(yīng)力按不小于工程設(shè)計應(yīng)力的1．2倍，南岸實際施加的最大法向應(yīng)力為1．23 MPa，北岸為1．41 MPa，荷載按等差級數(shù)分別施加到各個試驗塊體上。剪切應(yīng)力作用方向與錨碇水平受力方向一致，即垂直于河流方向。剪切應(yīng)力與法向應(yīng)力的作力點垂直相交于剪切面的中心。

對于飽水狀態(tài)的試驗，根據(jù)混凝土的齡期預(yù)估達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的時間，提前2 d（不少于48 h）對預(yù)剪面進(jìn)行浸水飽和。

試驗時先進(jìn)行抗剪斷試驗，然后再以相同法向應(yīng)力進(jìn)行抗剪（摩擦）試驗。試驗中的荷載分級、施加方法、穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)均嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行。

3 錨碇混凝土與基巖抗剪強(qiáng)度特性

3．1 基巖性狀［9］

魚嘴長江大橋呈南北向，設(shè)計錨碇持力層位于侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組弱風(fēng)化砂巖層。北岸錨碇基礎(chǔ)砂巖主要為黃褐色、淺灰色，巖體縱波速值為3．21～3．25 km／s，完整性系數(shù)為0．68～0．70，屬較完整巖體?；炷翉?qiáng)度等級為C30。南岸錨碇基礎(chǔ)砂巖則主要為淺灰色，巖體縱波速平均值為3．17～3．32 km／s，完整性系數(shù)為0．70～0．72，仍屬較完整巖體?；炷翉?qiáng)度等級為C40。南北錨碇基巖的單軸抗壓強(qiáng)度見表1［10］。均為較堅硬巖，其強(qiáng)度略高于混凝土強(qiáng)度。

表1 錨碇基礎(chǔ)巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗成果Table 1 Test results of uniaxial com pressive strength of anchor bed rock

3．2 混凝土與基巖接觸面直剪試驗成果

混凝土與基巖接觸面直剪試驗成果見表2［10］。4組試驗均沿接觸面剪切破壞，破壞時伴有響聲。破壞面較平直，擦痕明顯、有壓碎砼屑及少許巖屑。基巖面下凹處粘附少許混凝土，上盤混凝土試體上粘附巖石比例極少，起伏差一般0．5～1 cm，局部1．5～3 cm。由于巖層傾角較緩，剪切破壞后，剪切面上可見層間裂隙處形成的小凹槽。

表2 混凝土與基巖直剪試驗成果Table 2 Test results of shear strength of concrete and bed rock

3．3 混凝土與基巖接觸面抗剪強(qiáng)度特性分析

3．3．1 巖石完整性及強(qiáng)度對接觸面抗剪強(qiáng)度的影響

τB1組基巖為弱風(fēng)化淺灰色砂巖，試點基巖面上均有1～4條層間裂隙，裂隙大多微張，少量閉合，以鈣質(zhì)膠結(jié)為主。而τB3組基巖為弱風(fēng)化淺黃褐色砂巖，只有個別試點基巖面見裂隙。從表1中巖石的單軸抗壓強(qiáng)度上看，淺灰色砂巖比淺黃褐色砂巖單軸抗壓強(qiáng)度低。τB3組基巖的完整性及強(qiáng)度明顯優(yōu)于τB1組基巖，所以混凝土與弱風(fēng)化淺灰色砂巖接觸面抗剪強(qiáng)度比與弱風(fēng)化淺黃褐色砂巖接觸面抗剪強(qiáng)度低10%。

3．3．2 混凝土強(qiáng)度對接觸面抗剪強(qiáng)度的影響

τB1組、τN1組基巖為弱風(fēng)化淺灰色砂巖，但混凝土強(qiáng)度τB1組為C30，τN1組為C40。試驗結(jié)果是τN1組接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)f′值比τB1組接觸面摩擦系數(shù)高10%，而粘接力c′值高50%?？梢?，混凝土強(qiáng)度的提高對接觸面摩擦系數(shù)f的提高貢獻(xiàn)不明顯，主要貢獻(xiàn)在粘接力c值提高。由于接觸面的抗剪強(qiáng)度取決于接觸面混凝土或砂漿強(qiáng)度、基巖面起伏差及接觸面膠結(jié)質(zhì)量等因素，其中摩擦系數(shù)f值主要取決于接觸面物質(zhì)的顆粒大小及基巖面起伏差，而粘接力c值主要取決于接觸面膠結(jié)質(zhì)量及水泥量的多少。C30混凝土與C40混凝土均為兩級配，物質(zhì)顆粒大小相當(dāng)，主要體現(xiàn)在水泥含量上，因此，在較高等級混凝土強(qiáng)度與較堅硬基巖情況下，混凝土強(qiáng)度對提高接觸面摩擦系數(shù)f值的貢獻(xiàn)有限，而主要是提高其粘接力c值。

3．3．3 水對接觸面抗剪強(qiáng)度的影響

τB2組和τB3組基巖均為弱風(fēng)化淺黃褐色砂巖，混凝土強(qiáng)度等級均為C30，基巖面的完整性也較接近。但τB2組為飽水狀態(tài)，τB3組是天然含水率狀態(tài)，其試驗結(jié)果是τB2組較τB3組略低。可見，在混凝土和基巖強(qiáng)度均較高的情況下，水使接觸面抗剪強(qiáng)度略有降低，但降低的程度有限。由于試驗的飽水過程與實際工況相比，水壓力及浸泡時間都低于實際工況狀態(tài)，因此，實際工況飽水狀態(tài)下的混凝土與基巖接觸面抗剪強(qiáng)度參數(shù)的降低程度應(yīng)略大于試驗結(jié)果，這一點在提出建議值或者設(shè)計在使用試驗參數(shù)時應(yīng)予以考慮。

3．4 混凝土與基巖接觸面抗剪破壞特性

4組試驗均沿接觸面剪切破壞，破壞時伴有響聲。圖2為τN1組抗剪斷應(yīng)力-變形曲線，本次試驗的應(yīng)力-變形曲線都具有相同的形態(tài)特征。其應(yīng)力-變形曲線的線彈性階段明顯，呈直線上升，變形量很小，屈服階段很短，變形量不大，而峰值后變形量顯著增大，曲線呈近水平狀態(tài)或明顯下降，該剪切試驗呈典型的脆性破壞特征?；炷良盎鶐r的強(qiáng)度均較高，混凝土與基巖接觸面的抗剪強(qiáng)度主要受膠結(jié)面的粘結(jié)強(qiáng)度控制。

圖2 τN1抗剪斷應(yīng)力-變形曲線Fig．2 Typical curves of stress versus deformation

4 結(jié) 論

（1）較高強(qiáng)度混凝土與堅硬基巖接觸面的剪切破壞都呈典型的脆性破壞特征。

（2）混凝土強(qiáng)度的提高對接觸面摩擦系數(shù)f的貢獻(xiàn)不明顯，主要貢獻(xiàn)在提高粘接力c值?；炷僚c基巖接觸面的抗剪強(qiáng)度完全受接觸面上混凝土砂漿與基巖的膠結(jié)強(qiáng)度控制。因此，在控制好混凝土質(zhì)量及建基面巖體質(zhì)量的前提下，確?；炷僚c建基面間的澆筑質(zhì)量更顯關(guān)鍵。

（3）水使接觸面抗剪強(qiáng)度略有降低，在混凝土和基巖強(qiáng)度均較高的情況下，影響程度很有限。

（4）由于試驗受時間、經(jīng)費、試驗條件等因素的制約，飽水試驗時的水壓力及浸泡時間往往都低于實際工況?；炷僚c基巖接觸面在高水頭、長時間水浸泡狀態(tài)下接觸面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)的降低程度有待更深入的研究。

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1995．（SHEN Hua-chun．Design Technique of Suspen-sion Bridge［M］．Beijing：China Communications，1995．（in Chinese））

［3］ 葉金漢．巖石力學(xué)參數(shù)手冊［M］．北京：水利電力出版社，1991．（YE Jin-han．Handbook of Rock Mechanics Parameters［M］．Beijing：China Water Power Press，1991．（in Chinese））

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［8］ SL264－2001，水利水電工程巖石試驗規(guī)程［S］．北京：中國水利水電出版社，2001．（SL264－2001 Specifi-cations for Rock Tests in Water Conservancy and Hydroe-lectric Engineering［S］．Beijing：China Water Power Press，2001．（in Chinese））

［9］ 浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院．西部開發(fā)省際公路通道重慶繞城公路東段魚嘴長江特大橋技術(shù)設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告［R］．浙江：浙江省交通規(guī)劃院，2005．（Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning，Design and Research［R］．Engineering Geolo-gy Investigation Report During Technical Design Stage Yuzui Changjiang Bridge in the East Section of the Inter-Provincial Highway Around Chongqing City in Western China．2005．（in Chinese））

［10］吳相超，肖本職．重慶魚嘴長江大橋南北錨碇混凝土與基巖接觸面直剪試驗報告［R］．武漢：長江科學(xué)院，

2006．（WU Xiang-chao，XIAO Ben-zhi．Shearing Test Report of Cementation Plane Between Rock and Concrete for Anchors of Chongqing Yuzui Changjiang Bridge［R］．2006．（in Chinese））

（編輯：羅玉蘭）

Experimental Study on Shear Strength of Anchors of Changjiang Bridge at Chongqing Yuzui

XIAO Ben-zhi，WU Xiang-chao，LIU Ya
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources（Chongqing Branch），Changjiang River Scientific Research Institute，Chongqing 400014，China）

Based on in-site anchor shear tests under natural condition and saturated condition on Changjiang Bridge at Yuzui，Chongqing and the engineering geology，a comprehensive analysis on the influencing factors of shear strength on the contact surface between higher strength concrete and hard bedrock is presented in this paper．The a-nalysis demonstrated that firstly as for the higher strength concrete and hard bedrock，the increasing of concrete strength has slight impact on friction-coefficient（f）on the contact surface，while remarkably helps the increase of

Dynam ic M onitoring of Lake Areas in W uhan Based on M ixed Pixels Decom position

ZHANG Han，XIA Dan-ning，ZHANG Hao-cheng，WANG Xiao-yi
（School of Remote Sensing and Information Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract：Conventionalmethods including threshold method，spectral structuremethod，normalized difference water index and classificationmethod are used to delineate and extractwater body from TM／ETM＋data collected by Land-satwith medium spatial resolution．However，none of them take the impact ofmixed pixel into account．Mixed pix-els，unavoidable on remote sensing image，generally result in low precision of pixel-based information extraction，which makes it hard tomeet the requirements of highly accurate applications．In this article，the water area of the East Lake is calculated based on linear spectral unmixingmethod from Landsat TM image obtained in 2006．The re-sult proves to bemore accurate compared with those by pixel-based methods．Furthermore，linear spectral unmixing method formixed pixel is exerted on varied Landsat TM／ETM＋imageries tomonitor the shrink of lake area in Wu-han from 1995 to 2006．Themonitoring results demonstrate that lake areas in Wuhan decreased continuously during this period，and the Index of Lake Loss Intensity（ILLI）was unevenly distributed across time and space．

mixed pixel；linear spectral unmixing；lake areas；monitoring of changes

TU459．2

A

1001－5485（2011）05－0055－04

2010-05-31；

2010-09-06

肖本職（1966-），男，重慶墊江人，高級工程師，主要從事巖石物理力學(xué)試驗、檢測及地應(yīng)力測量等方面的工作，（電話）023-88192720（電子信箱）benzhi＿xiao＠163．com。