周昌棟 代明凈 王晟磊 姜開渝

(1. 宜昌市住房和城鄉(xiāng)建設局 443000； 2. 宜昌市城市橋梁建設投資有限公司 443000；3. 中建三局投資發(fā)展公司 武漢430000； 4. 東南大學土木工程學院 南京210096)

引言

錨碇是懸索橋重要的組成部分， 為嚴格控制錨碇基礎的沉降和水平變位， 通常選用深埋式錨碇基礎。 從施工技術、 工期和工程造價方面考慮， 淺埋式錨碇基礎更為可取， 而國內關于淺埋式錨碇基礎鮮有報道。 湖北宜昌市伍家崗長江大橋江南側采用淺埋式重力錨碇， 基底持力層為含中粗砂卵礫石層。 由于持力層分布不均勻， 上部錨碇結構偏心受荷， 采用基底注漿的地基處理措施來提高地基承載力， 以控制地基的沉降、 不均勻沉降、 水平變位和穩(wěn)定性。 如何合理地確定加固后地基的承載力和摩阻系數(shù)是淺埋式錨碇基礎設計的關鍵環(huán)節(jié)。

由于持力層為含中粗砂卵礫石層， 限于試樣的尺寸， 室內試驗難以得到現(xiàn)場環(huán)境下的摩阻系數(shù)和承載特性。 現(xiàn)場試驗由于試驗尺寸大、 對土體擾動小， 可考慮注漿加固的影響， 能更好地反映持力層的承載特性。 Lv Y[1]、 Rashidyan S[2]、Qian Z Z[3]針對樁基礎的承載特性進行了大量現(xiàn)場載荷試驗； 鄒恩杰[4]開展了錨碇基底半成巖抗剪強度和承載力現(xiàn)場試驗， 得到了基巖- 混凝土接觸面的摩阻力和地基承載力； 譚新[5]提出采用抗剪斷、 抗剪、 單點摩擦試驗來綜合確定重力式錨碇摩阻系數(shù)， 并給出工程實例進行驗證。 胡偉[6]將改進的原位直剪設備應用于兩個滑坡現(xiàn)場試驗， 得到了滑坡滑帶、 滑體的原位抗剪強度參數(shù)； 王江營[7]基于正交設計方法開展了一系列土石混填體室內大型直剪試驗研究， 進而確定出了不同因素對土石混填體抗剪強度有何影響及影響程度； 唐國藝[8]通過載荷試驗研究了Quelo 砂的濕陷變形特點和不同條件下的承載力特征。

本文以宜昌市伍家崗長江大橋江南側淺埋式重力錨碇基礎為背景， 通過直剪試驗研究含中粗砂卵礫石持力層與素混凝土之間的摩阻系數(shù)， 通過淺層平板載荷試驗研究注漿加固后含中粗砂卵礫石持力層的承載力特征值， 為設計提供依據(jù)，也為類似工程提供數(shù)據(jù)參考。

1 工程概況

伍家崗長江大橋為主跨1160m 的鋼箱梁懸索橋， 江北側采用隧道錨， 江南側采用淺埋式重力錨碇。 淺埋式重力錨碇基礎采用外徑85.0m、 高15.0m 的圓形擴大基礎。

根據(jù)地質勘察報告， 含中粗砂卵礫石為基底持力層， 其承載力特征值為400kPa， 與錨碇混凝土基礎底面的摩阻系數(shù)μ＝0.4 ～0.5。 在最不利荷載組合作用下， 錨碇基底前趾區(qū)應力為498.7kPa， 后趾區(qū)應力為463.1kPa。 為滿足該大橋安全運營的要求， 采取坑底注漿加固的措施提高持力層的承載力， 控制錨碇基礎不均勻沉降。

2 試驗方案

為伍家崗長江大橋工程安全施工和服役的需要， 通過原位試驗獲得錨碇基坑基底的摩阻系數(shù)和基底持力層承載力的現(xiàn)場數(shù)據(jù)， 并進行整理和分析， 為重力式錨碇基礎提供設計參數(shù)和依據(jù)。根據(jù)規(guī)范[9，10]要求， 現(xiàn)場試驗在注漿加固15 天后進行。

2.1 試點布置

在基坑前趾和后趾各布置一組直剪試驗點和一組載荷試驗點。 試點平面布置示意如圖1 所示。 前趾試驗區(qū)反力平臺如圖2 所示。

圖1 試驗點平面布置示意Fig.1 Layout of test points

圖2 前趾試驗區(qū)反力平臺現(xiàn)場Fig.2 The reaction platform of fore toe test area

2.2 直剪試驗

1. 試驗準備每組直剪試驗包括3 個試點， 共6 個試點。

為了更加準確地得到持力層與混凝土的摩阻系數(shù)， 直剪試驗點直接布置于錨碇基底標高處。人工清除試驗點區(qū)域松動的巖土體， 每個試點面在0.5m2范圍內大致平整， 保證試點面的粗糙度及地質特征盡可能一致。

在6 個試驗點分別現(xiàn)澆50cm ×50cm ×35cm的C30 混凝土試塊， 且要求試塊配合比、 強度等級等與錨碇基礎混凝土一致。

在試塊附近架設測量位移的基準梁。

2. 試驗過程

采用平推法進行直剪試驗， 每個試塊上分別施加不同的法向荷載， 其中后趾區(qū)域三個試塊施加80kN、 100kN、 120kN， 前趾三個試塊施加90kN、 110kN、 130kN。

(1)采用固結快剪法進行試驗， 每個試塊的法向荷載按5 級施加， 加載后立即測記沉降值，此后每5min 讀取一次， 當5min 內垂直變形值不超過0.05mm 時， 可施加下一級荷載， 施加最后一級荷載后按5min、 10min、 15min、 15min…的時間間隔測讀沉降值， 當連續(xù)兩個15min 沉降累計值不超過0.05mm 時， 即認為垂直變形已經(jīng)穩(wěn)定， 可施加剪切荷載；

(2)剪切預定荷載按照對應的豎向荷載最大值等分10 級施加， 在施加剪切載荷所引起的剪切變形為前一級的1.5 倍及以上時， 下一級剪切荷載則減半施加；

(3)剪切荷載采用時間控制， 每30s 施加一級剪切荷載， 每級剪切荷載施加完成后， 應立即測記沉降量、 剪切荷載和剪切變形量；

(4)當達到剪應力峰值或剪切變形急劇增加或剪切變形大于試樣直徑(或邊長)的1/10 時，即認為已剪切破壞， 可終止試驗[11]。

3. 試驗現(xiàn)場照片

以QJ-3 試點加載現(xiàn)場為例， 隨著水平向剪切荷載逐步增加， 試塊兩側逐漸出現(xiàn)裂縫， 且裂縫寬度隨著試塊水平向位移的增加而增加， 如圖3 所示。

圖3 直剪試驗加載現(xiàn)場(QJ-3 點)Fig.3 Loading site of shear test (point QJ-3)

2.3 載荷試驗

1. 試驗準備

前趾區(qū)載荷試驗包括3 個試點， 后趾區(qū)載荷試驗包括2 個試點， 共5 個試點。

為了更加準確地得到基底持力層的承載性能， 載荷試驗點直接布置于錨碇實際受力面上；保持試驗土層的原狀結構和天然濕度， 試壓表面用粗砂或中砂層找平， 其厚度不超過20mm； 承壓板采用直徑800mm、 厚度20mm 的圓形鋼板，其面積約為0.5m2， 將3 ～4 塊承壓板疊加在一起以保證承壓板的剛度， 減少承壓板的變形帶來的誤差。

由鋼筋+砂袋堆載形成豎向反力系統(tǒng)， 通過軸力計測量加載值， 四個0 ～50mm 量程的百分表對稱安裝在承壓板上測量沉降值。

2. 試驗過程

在加載前對測量系統(tǒng)進行初步穩(wěn)定讀數(shù)觀測， 每10min 讀數(shù)一次， 連續(xù)三次讀數(shù)不變即可開始試驗； 試驗加載過程中， 豎向應力采用分級維持荷載沉降相對穩(wěn)定法(常規(guī)慢速法)。

注漿加固后基底持力層承載力特征值擬達到600kPa。 載荷試驗的最大加載值不小于承載力特征值的2 倍， 即不小于1200kPa。

(1)荷載按單循環(huán)逐級遞增加載直至預定荷載， 采用千斤頂加載， QZ -3 試點分12 級加載，QZ-3 試點荷載分級為: 100kN、150kN、200kN、250kN、 300kN、 350kN、 400kN、 450kN、 500kN、550kN、600kN、 650kN；QZ - 1、QZ - 2、HZ - 7、HZ-8 試點分10 級加載，荷載分級為:120kN、180kN、 240kN、 300kN、 360kN、 420kN、 480kN、540kN、600kN、660kN。

(2)加載后立即進行沉降量測讀， 之后每隔10min、 10min、 10min、 15min 和15min 測讀， 以后每隔半小時測讀一次沉降量。 當連續(xù)2h 以內，每小時沉降量小于0.1mm 時， 即認為達到穩(wěn)定，可進行下一級荷載加載；

(3) 當出現(xiàn)下述現(xiàn)象之一， 即終止加載:①承壓板周圍的土明顯地側向擠出； ②沉降S急劇增大， 荷載- 沉降(P-S)曲線出現(xiàn)陡降段；③在某一級荷載下， 24h 內沉降速率不能達到穩(wěn)定； ④沉降量與承壓板直徑之比大于或等于0.06； ⑤達到預計的加載值， 但未出現(xiàn)上述情況。 當滿足前三種情況之一時， 其對應的前一級荷載定為極限荷載[12]。

3. 試驗現(xiàn)場照片

以HZ-7 試點加載現(xiàn)場為例， 當豎向荷載加載至960kPa 時， 載荷板沉降量較大， 達到47.29mm， 承壓板周圍出現(xiàn)環(huán)狀裂紋， 如圖4所示。

圖4 載荷試驗加載現(xiàn)場(HZ-7 試點)Fig.4 Site of loading test (point HZ-7)

3 試驗分析

3.1 直剪試驗

1. 實測曲線

根據(jù)2.2 節(jié)的試驗方法， 可得試點的豎向應力與沉降的關系曲線、 切向應力與切向位移關系曲線， 分別如圖5、 圖6 所示。 由圖5 可知， 由于豎向荷載較小， 地基處于彈性狀態(tài)受荷，P-S曲線呈直線關系， 但錨碇基礎范圍內， 地基存在較大的離散性， 前趾區(qū)的地基剛度明顯大于后趾區(qū)。 圖6 表明， 試件在固定豎向荷載作用下， 隨著剪切應力的增加， 剪切應力與水平剪切位移的關系分別經(jīng)歷線彈性、 彈塑性階段， 最終達到峰值抗剪強度， 進而發(fā)生剪切破壞。 試件達到峰值強度時的剪切位移約10mm ～15mm。

2. 參數(shù)擬合

基于最小二乘法可得直剪試驗的強度參數(shù)擬合結果， 如圖7 所示。

由圖7 可知， 含中粗砂卵礫石持力層與混凝土接觸面的抗剪摩阻系數(shù)為0.496， 粘聚力為9.47kPa。

圖5 直剪試驗豎向應力與沉降曲線Fig.5 Vertical stress and settlement curve of direct shear test

圖6 直剪試驗切向應力與位移曲線關系Fig.6 Curve of shear stress and displacement in direct shear test

圖7 直剪試驗強度參數(shù)擬合Fig.7 Fitting diagram of strength parameters in direct shear test

3. 破壞面形態(tài)

試驗結束后， QJ -3、 QJ -2 試點的剪切破壞面如圖8 所示。

圖8 試體剪切破壞面Fig.8 Shear failure surface of specimen

通過試體剪切破壞面可知， 由于法向荷載的作用， 剪切破壞面沒有發(fā)生在含中粗砂卵礫石持力層與混凝土膠結面， 而是位于含中粗砂卵礫石持力層內部， 呈曲面形式。 也即含中粗砂卵礫石持力層與混凝土膠結面不是最薄弱結構面， 膠結面的摩阻系數(shù)大于試驗結果0.496。

3.2 載荷試驗

完整的P-S曲線呈彈性階段、 彈塑性階段、塑性階段和破壞階段。 如2.3 節(jié)所述， 由于測試目的僅在于確定地基是否滿足設計要求， 即載荷試驗為設計值的2 倍， 因此， 根據(jù)2.3 節(jié)的試驗方法， 可得試點荷載-沉降的關系曲線， 如圖9所示， 該P-S曲線基本呈直線分布， 說明地基在加載階段均處于線彈性階段。

該工程在基坑開挖至坑底后， 按照注漿加固方案對前趾、 后趾試驗區(qū)進行注漿加固， 15 天之后首先對前趾區(qū)QZ -3、 QZ -2、 QZ -1 試點進行試驗， 當QZ-3 試點加載至最后一級荷載時，由于下雨導致后續(xù)QZ-2、 QZ -1 試點所測得的沉降量較QZ-3 試點有所增加， 但三個試點的最終沉降量均小于48mm(載荷板直徑的0.06 倍)且P-S曲線均呈線性變化， 因此前趾區(qū)三個試點的極限承載力均大于所施加的最大荷載值。

圖9 荷載-沉降曲線Fig.9 Load settlement curve

前趾區(qū)的試驗時間共計7 天， 試驗完成之后再進行后趾區(qū)試驗。 根據(jù)對基底范圍內土層的顆粒級配分析可知， 前趾區(qū)卵礫石土層含中粗砂較多， 而后趾區(qū)的卵礫石土層含粘性土較多， 因此后趾試驗區(qū)在注漿前先澆筑20cm 厚墊層， 并在其周邊設置排水溝， 以保證注漿效果和減小雨水對試驗的影響。

圖9 中， 前趾試驗區(qū)QZ -3、 QZ -2、 QZ -1試點和后趾試驗區(qū)HZ -7、 HZ -8 試點分別是在相同的注漿工藝和注漿條件下完成， 前趾區(qū)和后趾區(qū)的試驗結果均表現(xiàn)出較大的離散性， 即在注漿工藝相同的條件下， 注漿效果與土層的顆粒級配、 孔隙的空間分布有較大的關系。 另一方面，從前后趾試點P-S曲線的斜率可判斷前后趾地基的變形模量有較大差別， 與前期的顆粒級配分析結果一致。

根據(jù)規(guī)范[8]要求， 地基承載力特征值可取為P-S曲線的比例界限和極限承載力一半的較小值。 因此載荷試驗點的地基承載力特征值fa取值如表1 所示。

表1 載荷試驗點地基承載力特征值Tab.1 Characteristic value of foundation bearing capacity at load test point

從表1 中可知， QZ - 1、 QZ - 2、 QZ - 3、HZ-8 試驗點的承載力特征值不小于600kPa， 滿足設計要求， HZ-7 試驗點的承載力特征值小于600kPa， 需再次補注漿以滿足設計要求。

4 結語

錨碇基礎與持力層之間的摩阻系數(shù)， 以及持力層的承載力、 壓縮性能是淺埋式重力錨碇基礎設計的關鍵因素。 結合伍家崗長江大橋江南側錨碇工程， 根據(jù)現(xiàn)場情況對含中粗砂卵礫石持力層的淺層平板載荷試驗和直剪試驗進行了系統(tǒng)的研究， 并制定了合理的試驗方案。 結果表明:

1. 在固定豎向荷載作用下， 試件底面隨著剪切應力的增加， 剪切應力與水平剪切位移的關系分別經(jīng)歷線彈性、 彈塑性階段， 最終達到峰值抗剪強度， 進而發(fā)生剪切破壞。 試件達到峰值強度時的剪切位移約10mm ～15mm。

2. 根據(jù)最小二乘法擬合的直剪試驗數(shù)據(jù)， 含中粗砂卵礫石持力層與混凝土接觸面的抗剪摩阻系數(shù)為0.496。

3. 根據(jù)本項目5 個載荷試驗試點的P-S曲線分析以及規(guī)范要求， QZ -1、 QZ -2、 QZ -3、HZ-8 試驗點的承載力特征值不小于600kPa， 滿足設計要求， HZ-7 試驗點的承載力特征值小于600kPa， 不滿足設計要求， 需再次補注漿以滿足設計要求。

4. 基坑長時間暴露和積水對持力層的承載性能影響較大， 建議基坑開挖至坑底后應盡快澆筑墊層減少持力層土體的擾動， 同時應做好基坑的防排水措施。