特大懸索橋現(xiàn)場(chǎng)隧道錨塞體的自平衡法承載特性研究

戴自然，廖萬輝，周 旭，吳福飛，楊冬升

(1.貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550001)

0 引言

懸索橋[1-4]整體造型美觀流暢，相比其他橋梁具有加固、維護(hù)和改建便利以及施工快捷的特點(diǎn)。錨塞體作為懸索橋的4大部件之一[5-7]，在實(shí)際工程中，與圍巖一起均要承受橋梁靜載、行車動(dòng)載和風(fēng)荷載等其他不可遇見荷載的作用。因此，錨塞體和圍巖在荷載作用下的安全性是懸索橋的關(guān)鍵問題之一[8-10]。

為了驗(yàn)證錨塞體和圍巖在荷載作用下的安全性，國內(nèi)學(xué)者張奇華采用現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，圍巖破壞面主要發(fā)生在圍巖接觸面和錨體底部，擴(kuò)散向外呈圓臺(tái)樁發(fā)展[11]。李棟梁采用1∶10的原位模型試驗(yàn)，分析了圍巖的變形和長期穩(wěn)定性，并提出了淺埋軟巖隧道錨的破壞形式[12]。童俊采用1∶10模型試驗(yàn)結(jié)合有限元分析，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)荷載達(dá)到8倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)錨塞體發(fā)生破壞[13]。王東英采用Mindlin應(yīng)力解，提出了隧道錨極限承載力的計(jì)算公式，通過實(shí)際工程，與室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證其合理性[14]。王中豪基于隧道錨承載能力計(jì)算公式缺乏的問題，提出了承載能力非線性映射PSO-LSSVM模型，通過試驗(yàn)證明了PSO-LSSVM模型預(yù)測(cè)結(jié)果的合理性[15]。

自平衡法[16]是近些年來新發(fā)展的測(cè)樁承載力的方法，由于不需外部加載反力，以自身承載能力作為加載的反力，實(shí)現(xiàn)自我加載，可以在面臨超大噸、邊坡、水上等試驗(yàn)環(huán)境困難時(shí)，完成堆載法、錨樁法等傳統(tǒng)加載方法難以完成的試驗(yàn)。然而用于隧道錨塞體的試驗(yàn)檢測(cè)還不多見。為此，本研究借助自平衡測(cè)試方法，以開州湖大橋隧道錨塞體為例，采用現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)隧道錨塞體自平衡的承載特性，為類似橋梁工程的長期安全性評(píng)價(jià)提供參考。

1 工程概況與地質(zhì)構(gòu)造

1.1 工程概況

開州湖特大橋位于貴州黔北山地，地勢(shì)總體西北高東南低，屬淺切低山溶蝕、侵蝕地貌類型。橋長1 257 m，上部結(jié)構(gòu)：3×30 m T梁+(1 100) m懸索橋+2×30 m T梁，孔跨布置：主橋?yàn)閱慰? 100 m鋼桁梁懸索橋；兩岸主纜邊跨分別為302,143 m，主纜垂跨比1/10，主塔塔高分別為139，141 m，引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋。下部結(jié)構(gòu)：主塔采用薄壁空心鋼筋混凝土橋塔，承臺(tái)群樁基礎(chǔ)；引橋墩為雙柱式圓墩，圓樁基礎(chǔ)；錨碇為重力式(甕安岸)及隧道式錨(開陽岸)。開陽岸錨碇設(shè)計(jì)為隧道式嵌巖錨碇，設(shè)計(jì)以中風(fēng)化基巖為基礎(chǔ)持力層，錨碇抗滑移摩阻系數(shù)不小于0.6，錨碇混凝土與巖體接觸面粘聚力不小于170 kPa。錨塞體單纜最大纜力2.56萬t，抗拔安全系數(shù)不應(yīng)小于2.0，設(shè)計(jì)圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于4.0。

1.2 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及巖土構(gòu)成

據(jù)《貴州省區(qū)域地質(zhì)志》及1∶20萬甕安幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，項(xiàng)目區(qū)域區(qū)內(nèi)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)-黔北臺(tái)隆-遵義斷拱-貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)。橋區(qū)于K36+140處垂直跨越翁紹背斜軸部，背斜軸向北北東10°，近南北向展布，橋區(qū)核部地層為寒武系下統(tǒng)明心寺組、牛蹄塘組，兩翼地層為寒武系下統(tǒng)金頂山組、清虛洞組。展布北段被北東向的頂兆沖斷裂及其次生斷裂切割，背斜軸部錯(cuò)動(dòng)、平移，部分背斜軸與斷裂重疊而隱伏。橋區(qū)兩岸巖層傾向山內(nèi)，背斜北西翼(開陽岸)巖層產(chǎn)狀：325°∠25°，發(fā)育兩組節(jié)理：J1：105°∠79°，J2：36°∠81°，背斜南東翼(甕安岸)巖層產(chǎn)狀90°∠20°，發(fā)育兩組節(jié)理Jl：48°∠77°，J2：101°∠86°。根據(jù)赤平投影分析甕安岸巖層與J1為內(nèi)傾結(jié)構(gòu)面，對(duì)岸坡影響小，J2為外傾結(jié)構(gòu)面，在該結(jié)構(gòu)面的作用下形成甕安岸卸荷裂隙、開陽岸巖層與J1為內(nèi)傾結(jié)構(gòu)面，J2為外傾結(jié)構(gòu)面。在該結(jié)構(gòu)面的作用下形成錯(cuò)落體及陡崖。場(chǎng)區(qū)地層為上覆殘坡積層(Q4el+dl)含碎石黏土、崩塌堆積層(Q4col)塊石土，下伏基巖為寒武系(∈1q)清虛洞組白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r；寒武系金頂山組(∈1j)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r；寒武系明心寺組(∈1m)粉砂質(zhì)泥巖夾泥巖；寒武系牛蹄塘組(∈1n)碳質(zhì)泥巖。

2 錨塞體模型的確定

經(jīng)過多次反復(fù)計(jì)算和結(jié)合施工情況，最終確定模型錨塞體按照實(shí)際體型進(jìn)行1∶10比例縮小(如圖1～2所示)。據(jù)此確定雙模型錨塞體的間距和尺寸(兩模型錨塞體尺寸相同)。雙模型錨塞體尾端距離1 150.0 mm，前端距離1 350.0 mm，長均為3 200.0 mm。斷面為城門洞型，底端截面高為2 158.7 mm，寬為1 550.0 mm，前端截面高為1 558.7 mm，寬為1 350.0 mm。雙模型錨塞體軸線傾角均為36.2°，單纜最大纜力256.0 t。

圖1 模型錨塞體(單位:mm)

模型錨塞體室試點(diǎn)制備應(yīng)符合以下規(guī)定：(1)因開州湖大橋現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，千斤頂及位移桿等部件均采用現(xiàn)場(chǎng)焊接組裝;(2)千斤頂推力面與模型錨塞體傾斜度(36.2°)始終保持垂直，模型錨塞體的荷載反力部(底部基巖)應(yīng)有足夠強(qiáng)度且需大致鑿平;(3)在澆注混凝土前，應(yīng)清除內(nèi)壁松散的碎石及其雜物;(4)制備一定比例的混凝土試件，并進(jìn)行規(guī)范養(yǎng)護(hù)，在模型錨塞體試驗(yàn)前測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，當(dāng)其強(qiáng)度達(dá)到C40及以上方可進(jìn)行試驗(yàn);(5)以錨塞體頂端為圓心，在半徑為3 m的范圍外搭設(shè)試驗(yàn)鋼架，并將位移桿搭接固定到試驗(yàn)鋼架上;(6)錨塞體原型的受力纜索通過轉(zhuǎn)換裝置施加在錨塞體底部，模型試驗(yàn)采用千斤頂后推法加載，其受力特征相似;(7)為模擬隧道錨的實(shí)際受力狀態(tài)，采用后推法進(jìn)行加載試驗(yàn)。傳力鋼墊板澆注在錨塞體模型的后部，然后安裝千斤頂。試驗(yàn)反力由在錨塞體后部的試驗(yàn)支硐內(nèi)澆注的混凝土后座提供?？紤]到模型錨塞體的超載要求，混凝土后座設(shè)計(jì)可承受荷載不小于設(shè)計(jì)荷載的20倍。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)測(cè)試原理

采用后推法測(cè)試技術(shù)對(duì)開州湖大橋進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。在模型錨塞體尾端位置安設(shè)千斤頂及位移桿(每個(gè)模型錨塞體下位移桿 2 個(gè)、上位移桿 4 個(gè))，沿著垂直作用方向加載，測(cè)試出模型錨塞體承載力和荷載—位移關(guān)系曲線表達(dá)式，從而計(jì)算得到模型錨塞體的極限承載力及荷載-位移關(guān)系曲線特性。

圖2 錨塞體自平衡試驗(yàn)

3.2 加載過程

試驗(yàn)加載過程采用慢速維持荷載法對(duì)開州湖大橋進(jìn)行測(cè)試。加載分級(jí)規(guī)定為：試驗(yàn)每級(jí)荷載的加載值為預(yù)估極限荷載承載力的1/10，第1級(jí)采用2倍分級(jí)荷載進(jìn)行加載，第1 h內(nèi)應(yīng)在5，15，30，45，60 min各測(cè)讀1次位移量，以后每隔30 min測(cè)讀1次。卸載分級(jí)規(guī)定為：荷載最后一級(jí)荷載加載完成后，應(yīng)分級(jí)將荷載卸載至0，每級(jí)卸載量按2倍分級(jí)荷載進(jìn)行；每級(jí)荷載卸載后隔15 min測(cè)讀1次，讀2次后，隔30 min再讀一次，即可卸下一級(jí)荷載，全部卸載后，隔3～4 h再讀1次。荷載維持標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：在加載和卸載時(shí)，應(yīng)保持荷載傳遞均勻和連續(xù)，且無任何沖擊荷載產(chǎn)生，每級(jí)荷載變化幅度不超過分級(jí)荷載±5%；每級(jí)荷載作用下每1 h內(nèi)的位移增量不超過0.01 mm，并連續(xù)出現(xiàn)3次每級(jí)加載量為預(yù)估加載量的1/10，第1次按2倍分級(jí)荷載加載，見表1。每級(jí)卸載為2倍加載值，見表2。

表1 加載分級(jí)

表2 卸載分級(jí)

4 結(jié)果與分析

4.1 錨塞體加載過程分析

錨塞體的加載過程由圖3位移-時(shí)間對(duì)數(shù)曲線圖可見，錨塞體在5 120～25 600 kN加載下，均恒加載300 min后，各級(jí)荷載作用下位移的變化規(guī)律有所不同?？傮w呈現(xiàn)出荷載值加載時(shí)間的延長，位移呈增大的趨勢(shì)，位移基本發(fā)生在15～45 min，且每級(jí)荷載值加載下，其位移最大不超過5 mm。各級(jí)荷載增大后，其位移相對(duì)增大。對(duì)比左洞和右洞的加載-位移圖發(fā)現(xiàn)，右洞在各級(jí)荷載加載下，其位移均高于左洞，部分高于5 mm。

圖3 位移-時(shí)間對(duì)數(shù)(δ-lg t)曲線

4.2 模型錨塞體抗拉試驗(yàn)

通過對(duì)模型錨塞體底部加載，其荷載-位移曲線如圖4所示。

圖4 荷載與位移關(guān)系

在底部荷載箱加載過程中，隨著加載荷載從0增至25 600 kN時(shí)，模型錨塞體表層以及底部位移均呈增加的趨勢(shì)。當(dāng)極限荷載為25 600 kN，此時(shí)模型錨塞體的抗拔力為設(shè)計(jì)值的10倍，模型錨塞體及周圍巖體無破壞跡象，兩個(gè)模型錨塞體洞口位置出現(xiàn)輕微裂縫開展，荷載位移曲線為緩變形。模型錨塞體右洞表層位移為29.0 mm，模型錨塞體左洞表層位移為22.2 mm；右洞底部位移為12.9 mm，左洞底部位移為12.2 mm。在荷載箱卸載后，模型錨塞體右洞表層殘留位移為13.0 mm，模型錨塞體左洞表層殘留位移為11.5 mm；右洞底部位移為1.3 mm，左洞底部位移為0.95 mm。對(duì)比兩個(gè)錨塞體的加、卸載過程也不難發(fā)現(xiàn)，右洞錨塞體在加、卸載過程中的位移均高于左洞，即使卸載完成后，仍表現(xiàn)出相同的規(guī)律。結(jié)合JTG/T D65-05—2015《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]的要求和開州湖大橋的情況，該橋在運(yùn)營階段最大允許位移為11.0 mm，豎向變形為22.0 mm。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錨塞體的抗拔力超過10倍設(shè)計(jì)值時(shí)，其位移量超過了允許值，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)右、左洞錨塞體抗拔力分別是設(shè)計(jì)值的8倍和9倍其位移均不超過允許設(shè)計(jì)值。在設(shè)計(jì)中，要求抗拔安全系數(shù)不應(yīng)小于2.0，圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于4.0。本試驗(yàn)結(jié)果可達(dá)到8倍設(shè)計(jì)值，即安全系數(shù)達(dá)到8.0，遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求，可見開州湖大橋在運(yùn)行中有足夠的安全性。

4.3 錨塞體豎向抗拔承載力計(jì)算

根據(jù)DBJ 52/T 079—2016《基樁承載力自平衡檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》[18]中對(duì)于樁豎向承載力極限值的計(jì)算辦法，可計(jì)算出模型錨塞體的極限承載力，見式(1)，模型錨塞體的極限承載力特征值可由式(2)計(jì)算：

(1)

(2)

式中，Qu為錨塞體的豎向極限承載力；W為錨塞體上段的自重；γ為錨塞體摩阻力的轉(zhuǎn)換系數(shù)，取1.0；Qsu為錨塞體上段的極限承載力；Qxu為錨塞體下段的極限承載力；Ra為模型錨塞體的承載力特征值。

根據(jù)模型錨塞體的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其位移量不超過允許位移值時(shí)，其荷載分別為20 480 kN和23 040 kN，極限荷載均為25 600 kN，模型錨塞體身的自重為547 kN。因此，模型錨塞體的豎向抗拔極限承載力特征值為12 526.5 kN。

4.4 錨塞體摩擦角和黏聚力的確定

開州湖大橋現(xiàn)場(chǎng)原位剪切試驗(yàn)的法向應(yīng)力-位移關(guān)系曲線如圖5所示，剪應(yīng)力-位移(τ-us)關(guān)系曲線如圖6所示。從圖5發(fā)現(xiàn)，法向應(yīng)力從0增至1 000 kPa時(shí)，其位移不斷增大，即應(yīng)力越大，位移基本也越大。但在右洞中，法向應(yīng)力加載至800 kPa時(shí)，其最大位移比法向應(yīng)力為400 kPa時(shí)低0.05 mm。從整體來看，在各法向應(yīng)力增大的過程中，左、右洞位移基本呈線性變化，且右洞的位移基本高于左洞。由圖6發(fā)現(xiàn)，當(dāng)法向應(yīng)力分別為200，400，600，800，1 000 kPa后，左、右洞剪切應(yīng)力隨位移的增加呈現(xiàn)出先增大后降低的變化趨勢(shì)，即當(dāng)剪切位移達(dá)到一定值后，混凝土試件與巖石接觸面發(fā)生了一定程度的剪切破壞，其剪切應(yīng)力也隨之降低。

圖5 法向應(yīng)力與法向位移(σ-un)關(guān)系

圖6 剪應(yīng)力與剪切位移(τ-us)關(guān)系曲線

摩擦角和黏聚力通常采用最小二乘法來確定，分別如式(3)和式(4)所示：

(3)

(4)

式中，tgφ為摩擦系數(shù)；C為黏聚力；σi為正應(yīng)力值，i，…，n；τi為與σi相對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力值，i=1,…,n；n為總次數(shù)。

根據(jù)開州湖大橋的試驗(yàn)結(jié)果代入式(3)和式(4)，綜合考慮建議左洞混凝土與巖體間的黏聚力381 kPa，右洞混凝土與巖體間的黏聚力369 kPa；左洞混凝土與巖體接觸面摩擦系數(shù)0.77，右洞混凝土與巖體接觸面摩擦系數(shù)1.44。結(jié)合兩洞的實(shí)際情況，建議混凝土與巖體間的摩擦系數(shù)0.77和黏聚力369 kPa，高于設(shè)計(jì)中錨碇抗滑移摩阻系數(shù)不小于0.6和錨碇混凝土與巖體接觸面黏聚力不小于170 kPa 的取值要求。

4.5 模型錨塞體抗拔安全系數(shù)計(jì)算

錨塞體抗拔安全系數(shù)根據(jù)JTG/T D65-05—2015《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求進(jìn)行計(jì)算，如式(5)所示。

(5)

式中，K為抗拔穩(wěn)定系數(shù)；f′為摩擦系數(shù)；A為接觸面積；C′為黏聚力；P為設(shè)計(jì)值；WL為結(jié)構(gòu)自重沿拉拔方向的分量；WF為結(jié)構(gòu)自重垂直于滑動(dòng)面的分量。

在模型錨塞體中，接觸面為33.8 m2，自重垂直分量為530 kN，自重沿拉拔分量為564 kN，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)摩擦角和粘聚力的取值，將其代入經(jīng)公式(5)，兩個(gè)錨塞體的抗拔安全系數(shù)分別為5.3(左洞)和5.2(右洞)。在JTG/T D65-05—2015《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中，錨塞體抗拔安全系數(shù)和圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)分別不應(yīng)小于2.0和4.0，本項(xiàng)目中，其安全系數(shù)均滿足規(guī)范的要求。另外，在模型錨塞體抗拉加載試驗(yàn)中，右、左洞錨塞體抗拔力分別是設(shè)計(jì)值的8倍和9倍其位移均不超過允許設(shè)計(jì)值，因此，在不考慮摩擦參數(shù)時(shí)，其安全系數(shù)已經(jīng)達(dá)到8.0和9.0。結(jié)合式(5)的計(jì)算結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，其安全系數(shù)滿足JTG/T D65-05—2015《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，在實(shí)際運(yùn)營中有足夠的安全性。

5 結(jié)論

(1)錨塞體荷載值加載時(shí)間的延長，位移呈增大的趨勢(shì)，位移基本發(fā)生在15～45 min，且每級(jí)荷載值加載下，其位移最大不超過5 mm，右洞在各級(jí)荷載加載下其位移均高于左洞，部分高于5 mm。

(2)在加載過程中，模型錨塞體及周圍巖體無破壞跡象，兩個(gè)模型錨塞體洞口位置出現(xiàn)輕微裂縫開展，荷載位移曲線為緩變形。在加、卸載過程中，右洞錨塞體在加、卸載過程中的位移均高于左洞，即使卸載完成后，仍表現(xiàn)出相同的規(guī)律。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)右、左洞錨塞體抗拔力分別是設(shè)計(jì)值的8倍和9倍其位移均不超過允許設(shè)計(jì)值，遠(yuǎn)高于抗拔安全系數(shù)和圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)小于2.0和4.0的要求，驗(yàn)證了開州湖大橋在運(yùn)行中有足夠的安全性。

(3)試驗(yàn)結(jié)果建議混凝土與巖體間的摩擦系數(shù)為0.77和黏聚力為369 kPa，采用各模型錨塞體的摩擦系數(shù)和黏聚力，確定兩個(gè)模型錨塞體的的安全系數(shù)分別為5.3(左洞)和5.2(右洞)，滿足JTG/T D65-05—2015《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》中，錨塞體抗拔安全系數(shù)和圍巖穩(wěn)定安全系數(shù)分別不應(yīng)小于2.0和4.0的要求。