刘家峡黄河特大桥岩体力学特性分析

张 瑜

折达二级公路起点位于临夏市，途经永靖县、盐锅峡镇，终点位于兰州市达川镇。折达路布设于刘家峡水库右岸，刘家峡黄河特大桥为跨越刘家峡水库支沟本池沟而设，桥梁长536 m，采用单孔主跨1-536 m悬索桥、钢管桁式加筋梁、重力式锚碇。桥面中心设计高程1793.385 m，正常蓄水位时桥面距水面约60 m。根据前期勘察资料，施设阶段对索塔区、锚碇区岩土体力学参数分析研究作为工作重点。

1 桥址区工程地质条件

1.1 地质概况

工程区位于青藏高原东北边缘，地质构造属中祁连隆起带南缘，临夏盆地北缘，桥址区附近无区域构造通过，属构造相对稳定地段。桥址区地貌属黄土高原陇中黄土高原亚区、陇中黄河干流及支流河谷平原区。桥梁横跨刘家峡水库本池沟沟口，本池沟呈“U”形，沟道内水面宽约330 m～370 m，沟岸两侧山体陡峻，岸坡较稳定。

1.2 地层岩性

桥址区出露地层岩性为第三系上新统临夏组泥质砂岩、砂质泥岩、第四系冲积粉土、卵石、坡积黄土及风积黄土。第四系地层主要分布于山顶及斜坡地带，随地形厚度变化较大。上新统临夏组)泥质砂岩、砂质泥岩，含砾砂岩、砾岩，以泥质砂岩、砂质泥岩为主，红褐色，泥砂质结构，厚层～巨厚层状构造，泥质、泥钙质胶结，含石膏结晶体，岩性软，几种岩性呈夹层、互层状出露，岩层近水平，局部有斜层理;岩石易软化，失水易干裂，属极软岩、软岩。

2 试验研究

2.1 试验布置

根据桥址区地形地质条件，在两岸山体上各布设1个勘探平硐，对岸坡岩体及锚碇区岩体进行现场岩体试验，并在桥址钻孔内取岩样进行室内岩石试验。

2.2 试验方案的确定及试验成果

2.2.1 岩体变形试验

采用刚性承压板法，该法是通过刚性承压板施力于半无限空间岩体表面，测量岩体变形，并按均匀、连续、各向同性的半无限弹性体表面受局部荷载的布西涅斯克(Boussniesq)公式计算岩体变形特性指标。试验时采用直径50 cm厚7 cm的钢制圆形承压板，试验采用逐级循环加压法，分五级压力进行试验，试验成果见表1。

表1 岩体变形试验成果汇总表 GPa

2.2.2 混凝土与岩体直剪试验

试验采用平剪方法，最大垂直压力为2.32 MPa，试验时选用混凝土试体的底面积为(50×50)cm2，高度40 cm，混凝土的强度等级为C30，试验成果见表2。

表2 混凝土/岩抗剪(断)强度试验成果汇总表

2.2.3 岩/岩直剪试验

根据本工程结构受力特征，结合工程区地质特点，试验中测定泥质砂岩的“切层”(垂直层面)抗剪强度。试验采用平剪方法，最大垂直压力为2.32 MPa。

试验成果见表3。

2.3 岩石室内试验

工程勘察中在东西两岸钻孔中取岩样进行室内岩石试验，经测定:砂质泥岩密度2.68 g/cm3～2.69 g/cm3、单轴干燥抗压强度10 MPa～25 MPa、单轴饱和抗压强度 0.7 MPa ～3.3 MPa、软化系数0.06～0.22，属易软化极软岩，岩石水理性质极差。

表3 抗剪(断)强度试验成果汇总表

3 岩体工程特性评价

3.1 岩体变形特性分析评价

从压力—变形关系曲线看，西岸变形试验点的压力—变形关系曲线以Ⅱ类曲线为主，为上凹型，符合层理明显岩体的变形特征，它反映出随压力增高，结构面逐渐被压密，模量有逐渐增大的趋势。东岸岩体为互层状泥质砂岩和砂质泥岩，岩体层厚不稳定，表现在压力—变形关系曲线有所差异，YB-1，YB-2两点具有第V类曲线的特征，YB-3具有第Ⅲ类曲线的特征，它反映出东岸岩性、层厚的不均一性，岩体具有层理、裂隙，且随深度的增加岩体刚度减弱，深部可能存在软弱层。

3.2 混凝土与岩体直剪强度特性分析

从混凝土与砂质泥岩接触面抗剪断试验过程及剪应力—应变关系曲线看，其破坏特征为塑性破坏。从剪断后的剪切面上看，试件均沿接触面剪断，剪切面平整，上盘混凝土剪切面上粘附有2mm～3mm砂质泥岩，擦痕明显。分析混凝土与基岩接触面抗剪断破坏机理，砂质泥岩较混凝土试体软弱，但其层面紧密，结合较好，完整性好，因此砂质泥岩本身抵抗剪切破坏的能力高于混凝土与岩体接触面的抗剪能力，也就是说混凝土与岩体接触面处的抗剪强度最低。

3.3 岩体直剪强度特性分析

从岩体抗剪断试验过程和剪应力—应变关系曲线看，残余变形平缓，试件的破坏形式均为塑性破坏。从试件剪断后的剪切面上看，均沿预定剪切面剪断，剪切面基本平整，沿剪切方向擦痕明显，有岩屑颗粒分布，岩体剪切破坏为塑性破坏。

3.4 岩石物理力学性质评价

从室内试验成果可以看出，泥质砂岩为易软化岩石，属极软岩，水理性质极差，工程中要充分重视岩石饱水后力学性能迅速降低恶化的特性。

4 建议及结论

1)岩体力学参数建议指标。结合试验成果及工程经验对比分析，变形参数的选取采用小值平均值或平均值，考虑一定的安全储备，建议岩体变形参数:西岸岩体:Eo=0.85 GPa，E=1.78 GPa;东岸岩体:Eo=0.31 GPa，E=0.66 GPa。抗剪断参数的选取采用屈服强度的平均值，抗剪参数的选取采取小值或小值平均值，考虑一定的安全储备，建议混凝土与砂质泥岩抗剪强度参数:抗剪断峰值强度:f'=0.40，C=0.10 MPa，抗剪强度:f=0.33，C=0;岩体(砂质泥岩)抗剪强度参数:抗剪断峰值强度:f'=0.66，C=0.16 MPa，抗剪强度:f=0.53，C=0。

2)桥址区东西两岸岩体变形性能有明显差异，西岸岩体变形(弹性)模量大于东岸岩体;混凝土与岩体接触面处的抗剪能力最弱，工程设计中应更加注重结构体与岩体接触处的抗剪设计。

3)临夏组红层易软化，属极软岩，水理性质极差，工程实践中要充分重视该类岩石饱水后力学性能迅速降低恶化的特性。

4)通过本次试验获得了甘肃临夏组红层岩体力学参数，经与前人资料对比分析，试验成果较为可靠，对同类工程具有一定借鉴参考意义。

［1］JTG D63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范［S］.

［2］JTJ D064-98，公路桥涵地基与基础设计规范［S］.

［3］GB 50021-2001，岩土工程勘察规范［S］.

［4］GB/T 50266-99，工程岩体试验方法标准［S］.

［5］SL 264-2001，水利水电工程岩石试验规程［S］.

［6］GB 50287-99，水利水电工程地质勘察规范［S］.

［7］水利电力部水利水电规划设计院.水利水电工程地质手册［M］.北京:水利电力出版社，1985.