龙滩特大桥岩体力学特性研究

2022-09-30黄家华米德才罗伟斌韦景麒

西部交通科技 2022年6期

黄家华，罗彦，米德才，罗伟斌，韦景麒

(1.广西交通设计集团有限公司，广西南宁 530029；2.广西交通工程检测有限公司，广西南宁 530011)

0 引言

龙滩特大桥桥址区位于龙滩水库库区升降水位影响范围的深切峡谷岸坡上，下老岸属岩层产状为359°/NE∠40°的顺倾岩质边坡，岩性为由粉砂质泥岩与砂岩组成的层状岩体，在库区水位周期性升降作用下，原本结构面发育的岩体物理性质逐渐劣化，岩体变形及强度降低。对于处在复杂特殊地质条件下的这类大型工程，拱座岩基稳定(基底变形及抗滑稳定、墙背变形稳定)和岸坡稳定(拱座上方与下方边坡)成为制约工程规划建设及安全运营的重大工程地质问题。岩体变形参数和强度指标作为评价岩基及岸坡稳定的重要因素，其岩体力学参数取值对于拱座岩体变形稳定和桥基岩体抗滑稳定计算与评价具有重要理论价值和意义，将直接影响工程设计方案和工程造价。为此，本文针对龙滩特大桥岩体力学特性进行深入分析研究。

纵观国内外研究现状，前人对水电工程岩体力学参数进行了较多研究，取得了大量用于工程实践的研究成果[1-5]。原位试验与室内试验是获取岩体力学参数或研究岩体力学特性最直接有效的方法，已经取得较多研究成果并应用于坝基工程中。但对于公路桥梁工程岩体力学特性及参数开展深入分析的研究鲜有报道。因工程岩体存在各向异性，加上缺乏对其的深入系统研究，导致其研究成果仍存在明显的区域局限性[6]。

随着广西交通工程的飞速发展，桥梁穿越区域内广泛分布大量的泥岩、砂岩组成的层状岩体，因其力学特性存在各向异性，地基变形、边坡失稳等灾害成为工程界亟待解决的难题，但目前关于广西特大桥岩基力学特性及参数的研究较少。基于此，为完善岩体力学特性理论并提供基础数据，揭示其在荷载作用下变形破坏机理，本文依托龙滩特大桥，选取下老岸层状岩体为研究对象，以拱座岩基主要承受铅垂和水平荷载作用为条件，开展一系列的室内岩石力学试验与原位岩体力学试验研究，深入分析岩体变形及强度特性，提出岩体力学参数的合理取值建议，对于指导岩基及岸坡稳定评价具有重要的研究价值和意义。

1 工程概况与岩体结构特征

在建的龙滩特大桥位于广西天峨县龙滩水库库区，为南丹至天峨下老高速公路(以下简称“南天路”)的控制性工程，主桥为计算跨径600 m的劲性骨架混凝土拱桥，建成后将成为世界上最大跨度的拱桥。该桥全长2 548 m，主墩、交界墩为矩形空心墩，拱座采用明挖扩大基础。下老岸拱座基础宽40 m、长40 m、高37 m，基底呈斜坡状和水平状，基础采用C40混凝土。

下老岸地层由三叠系下统(T1)厚层状的灰黑色粉砂质泥岩与灰黄色砂岩构成，整个岩体层面产状为354°/NE∠40°，主要发育有2组节理：J1产状为66° ∠67°，J2产状为344° ∠68°。物探测试揭示，强风化岩体的纵波波速VP=2 388～3 249 m/s，中风化较破碎岩体的纵波波速VP=3 385～4 085 m/s，中风化较完整岩体的纵波波速VP=4 318～4 810 m/s，中风化完整岩体的纵波波速VP=4 810～5 300 m/s。

2 室内岩石力学试验

2.1 岩石物理性质试验

岩石物理性质试验结果表明(下页表1)，无论是天然还是饱和状态，砂岩与粉砂质泥岩的岩块密度标准值较为相近，略高于2.70 g·cm-3。

2.2 岩石力学试验

岩石力学试验结果表明(下页表1、表2)，砂岩天然单轴抗压强度为52.0 MPa，饱和单轴抗压强度为41.8 MPa，软化系数为0.78；粉砂质泥岩天然单轴抗压强度为44.6 MPa，饱和单轴抗压强度为35.8 MPa，软化系数为0.84。砂岩的抗拉强度介于2.01～3.02 MPa，粉砂质泥岩的抗拉强度介于0.87～1.25 MPa，粉砂质泥岩的抗拉强度是砂岩的2.6倍。砂岩的内摩擦角和粘聚力分别介于46.5°～60.8°和1.56～5.83 MPa，粉砂质泥岩分别介于39.8°～58.1°和1.98～5.12 MPa，砂岩的抗剪断强度略高于粉砂质泥岩。砂岩与粉砂质泥岩的抗剪强度相差不大，摩擦系数分别为0.63和0.55，粘聚力分别为0.04 MPa和0.03 MPa。砂岩的静弹性模量、动弹性模量和泊松比分别介于1.6～3.0 MPa、1.7～3.3 MPa和0.22～0.27，粉砂质泥岩的静弹性模量、动弹性模量和泊松比分别介于1.8～4.0 MPa、1.9～4.1 MPa和0.19～0.27。

表1 岩石物理性质试验结果表

表2 岩石力学试验结果表

3 原位岩体力学试验

3.1 试验方案

3.1.1 试验内容及方法

本项目共进行岩体变形试验3组，岩体直剪和岩体/混凝土接触面直剪试验各1组，岩基载荷试验1组，以及岩体回弹强度230组。岩体变形试验及岩基载荷试验采用刚性承压板法，承压板直径为30 cm，考虑到拱座的受力条件，开展水平和铅垂两个方向的变形及载荷试验。岩体直剪试验均采用平推法，人工制备试件岩体/混凝土规格分别为50 cm×50 cm×25 cm或50 cm×50 cm×40 cm。岩体表面硬度采用回弹法测定，仪器采用2.207J型回弹仪。试验按照相关规范标准[7]执行。

3.1.2 反力系统

法向加压系统采用锚桩法，通过螺栓将锚杆顶部与钢梁连接而形成法向反力系统；水平加压系统通过岩壁提供反力。

3.2 试验成果及分析

3.2.1 岩体变形及载荷试验

岩体变形试验成果(表3)表明，强风化粉砂质泥岩的弹性模量和变形模量标准值在铅垂方向上分别为1.18和0.64，两者在水平方向分别降为0.20和0.07，中风化粉砂质泥岩的弹性模量和变形模量标准值在水平方向上分别为0.63 GPa和0.38 GPa。可见，不论是强风化较破碎岩体还是中风化较完整岩体，其变形参数在铅垂荷载下均要远高于水平荷载。相同受力条件下，395 m标高岩体裂隙发育，风化程度较高，岩体较破碎，其变形参数较之较完整-完整的365 m标高岩体明显低。另外，强风化较破碎岩体的变形曲线均呈上凹型(塑-弹性)，中风化较完整岩体的变形曲线均呈近直线型(弹性)，前者较之后者风化程度高、结构面发育，低压裂隙被压密，高压岩体变形小。

岩基载荷试验成果(表3)表明，强风化粉砂质泥岩的岩基承载力基本容许值在铅垂和水平方向上分别为1.14和0.60，其承载力在铅垂受力下要远高于水平受力。

表3 岩体变形及载荷试验结果表

3.2.2 岩体直剪试验

试点为强风化较破碎粉砂质泥岩，层面为刚性结构面，剪切力与层面成40°。剪切过程受结构面控制，试件先沿结构面发生滑移，再沿预剪切面发生整体剪断。风化程度高的试件剪切面较为平整，起伏高差约为1～5 cm，沿剪切方向增大，较硬试件剪切破坏面成“锯齿”型起伏，起伏差约为5～10 cm。τ-ε关系曲线呈抛物线型，为塑性破坏。

试验结果表明(表4)，强风化粉砂质泥岩的抗剪断峰值强度参数摩擦系数为0.895、粘聚力为0.934 MPa，抗剪峰值强度参数摩擦系数为0.733、粘聚力为0.085 MPa。抗剪/抗剪断峰值强度比值为0.82。

3.2.3 岩体/混凝土接触面直剪试验

试点为较破碎强风化粉砂质泥岩，试点面起伏差为0.6～1.5 cm。据剪切破坏特征及τ-ε关系曲线，试件沿岩体与混凝土接触面剪切破坏，破坏时伴有清脆响声，岩体试件呈脆性破坏型，剪切破坏面起伏高差约为1～8 cm，擦痕明显；混凝土面伴有不等大小岩块，基岩面均附有混凝土粘膜，占70%以上。试件混凝土强度等级为C40，天然和饱和工况泥岩单轴抗压强度分别为44.6 MPa和35.8 MPa。

试验结果表明(表4)，混凝土与强风化粉砂质泥岩接触面的抗剪断峰值强度参数摩擦系数为1.187、粘聚力为0.578 MPa，残余强度的摩擦系数为0.899、粘聚力为0.377 MPa，二次剪峰值强度参数摩擦系数为0.713、粘聚力为0.302 MPa。残余强度/抗剪断峰值强度比值为0.76；二次峰值/抗剪断峰值强度比值为0.60。

表4 岩体与岩体/混凝土接触面直剪试验结果表

3.2.4 岩体回弹强度

本次现场岩体回弹强度测试共完成230个测试点，依据前人研究成果进行数据处理。回弹仪“⊥”层面的回弹强度：完整、较破碎、破碎粉砂质泥岩分别为57.1 MPa、52.5 MPa、44.6 MPa，完整砂岩为58.5 MPa；回弹仪“∥”层面的回弹强度：完整粉砂质泥岩为67.7 MPa，完整砂岩为68.2 MPa。“⊥”/“∥”比值为0.84，较破碎/完整岩体比值为0.76，破碎/完整岩体比值为0.60。