悬索桥重力式锚碇原位摩阻系数试验的研究分析.pdf

-93-第7 期悬索桥重力式锚碇原位摩阻系数试验的研究分析孙雪宏（重庆交大建设工程质量检测中心有限公司，重庆 400000）【摘要】随着我国桥梁建设的蓬勃发展，悬索桥作为大跨径桥梁的主要形式，在跨越大江、深谷等特殊地形中应用广泛。重力式锚碇是悬索桥的主要承重结构物，重力式锚碇接受主缆传来的荷载，起到了承受荷载、传递荷载的作用，是保证桥梁稳定及安全的关键部位。重力式锚碇的原位摩阻系数试验，通过分级加载，测试标准试验试块在不同正应力作用下的剪断力、剪切力，再与设计摩阻系数进行对比从而能够反映锚碇基底的抗滑性能。论文以在白帝城长江大桥重力式锚碇的摩阻系数试验为例，对摩阻系数试验方法、试验过程、试验数据分析以及试验注意事项等内容进行介绍。【关键词】悬索桥；重力式锚碇；原位摩阻系数；试验分析【中图分类号】U415.6【文献标志码】A【文章编号】16713702（2023）070093060引言本文介绍了白帝城长江大桥南岸（巫山岸）锚碇地基持力层部位进行原位摩阻力试验的试验方法、试验数据分析，通过实测摩阻系数与设计摩阻系数对比从而反映锚碇基底的抗滑性能，为重力式锚定施工提供检测数据支持。1工程概况白帝城长江大桥是安康至来凤高速公路奉节至建始段跨长江的节点性工程，桥梁起讫桩号为K6+366-K7+533，主桥为 916 m 单跨钢箱梁悬索桥，引作者简介：孙雪宏，男，高级工程师，研究方向为道路检测，桥梁检测及维修加固。Research and Analysis of In-situ Friction Coefficient Test of Gravity Anchorage of Suspension Bridge SUN Xuehong（Chongqing Jiaotong University Construction Engineering Quality Inspection Center Co.，Ltd.，Chongqing 400000，China）Abstract：With the vigorous development of bridge construction in my country，suspension bridges，as the main form of long-span bridges，are widely used in special terrains such as large rivers and deep valleys.The gravity anchor is the main load-bearing structure of the suspension bridge.The gravity anchor accepts the load from the main cable，plays the role of bearing and transmitting the load，and is a key part to ensure the stability and safety of the bridge.In-situ friction coefficient test of gravity anchorage，through gradation loading，test the shear force and shear force of standard test block under different normal stress，and then compare with the design friction coefficient to reflect the anchorage base anti-skid performance1，2.This article takes the friction coefficient test of the gravity anchorage of the Baidicheng Yangtze River Bridge as an example，and introduces the friction coefficient test method，test process，test data analysis and test precautions.Keywords：suspension bridge；gravity anchorage；in-situ friction coefficient；test analysisase Analysis案例分析C2023年第41卷第7期-94-工程质量第41卷ase Analysis案例分析C桥为奉节岸，265 m 的 T 型钢构，巫山岸，430 m 简支 T 梁。道路等级为高速公路，设计速度 80 km/h，设计安全等级为一级。巫山岸重力锚区位于山脊顶部较平缓区域，北东侧、南西侧均为斜坡，地面分布高程268275 m，地表多为基岩出露，重力锚区基岩岩体较完整，为宝塔组一段泥灰岩，重力锚区位于坡顶，地下水较贫乏，建议采用明开挖扩大基础，基础置于中风化基岩中。锚固部基坑开挖后，在拟建重力锚四周将形成开挖基坑边坡，边坡高度 3254 m，主要为泥灰组成的岩质边坡。锚碇底面尺寸长为 22 m，宽为 43 m，顶面尺寸长 为 73.11 m，宽为 81.48 m，高 33.10 m，基底高程为215.734 m。散索鞍支墩为实体结构，支墩整体为上小下大、前窄后宽的结构构造。前锚室由侧墙、顶板及前墙构成封闭空间。侧墙厚度为 1.2 m，顶板厚度 0.8 m，侧墙开设宽 1.5 m，高 2.0 m 门洞，以供巡检养护使用。锚碇锚块及鞍部基础为大体积抗渗混凝土结构，采用 60 d 龄期抗压强度作为设计强度。锚体为大体积混凝土结构，共分成基础、锚块、后锚块、散索鞍支墩和前锚室五块，每块分层灌注。为防止锚体温度裂缝的发生，除要求采用低水化热水泥和对骨料进行预冷外，每层设置冷却管，进行冷却，并且锚体表面设置20 温度钢筋，间距 20 cm，此外，锚体表面还需设置间距10 cm10 cm 的冷轧带肋网。设计要求锚碇基底摩阻系数不小于 0.45，并应进行原位摩阻系数试验。2试验目的及依据试验目的。在白帝城长江大桥南岸（巫山岸）锚碇地基持力层部位进行原位摩阻力试验，检测摩阻系数。通过实测摩阻系数与设计摩阻系数对比从而反映锚碇基底的抗滑性能 1-3。试验依据如下。1）GB/T 502662013 工程岩体试验方法标准；2）SL/T 2642020水利水电工程岩石试验规程；3）JTG 33632019公路桥涵地基与基础设计规范；4）GB/T 502182014工程岩体分级标准；5）工程相关设计图纸。3试验仪器及设备根据项目概况和工程现场实际情况，试验所需仪器设备如表 1 所示。4试验方法4.1测点布置及试块制备4.1.1测点布置根据现场实际情况，初步拟定在巫山岸锚碇后部混凝土与前部混凝土后浇带处上游侧分块和下游侧分块位置各制备 1 组（每组 5 个）混凝土试件，测点布置如图 1 所示。在选定地点人工凿制成 510 cm80 cm 的水平面，剪切面表面起伏差宜为试体推力方向边长的 1%2%。4.1.2试块制备在锚碇基坑开挖至基岩面后，选择局域代表性的基岩面进行混凝土试块浇筑，混凝土试件底面尺寸为表 1主要仪器设备名称数量备注千斤顶250 t 和 100 t 各 1 台压力传感器2垫板2滚轴排1竖向反力架1方便移动拆卸或多备几组百分表4图 1测试点布置图（单位：mm）-95-第7 期50 cm50 cm，高为 50 cm。混凝土的标号及配比与实桥锚碇一致，按 C30 等级人工现场配制，接触面应位于试件中部，浇筑前岩石接触面的起伏差宜为边长的1%2%。混凝土应按预定的配合比浇筑，骨料的最大粒径不得大于边长的 1/6。浇筑前，将试点面清洗干净，进行地质描述。试点面上铺一层 2 cm 厚的砂浆，再浇筑混凝土，分层进行振捣。现场 2 组混凝土试体一次性浇筑完成，同时浇筑 12个 15 cm15 cm15 cm 标准试件。混凝土标准试件与混凝土试体在相同条件下养护，待达到相应的强度等级后开始试验。混凝土试块布置如图 2 所示。4.2加载装置现场摩阻试验系统由加载系统及量测系统组成：加载系统中正应力反力由“锚杆钢梁”（或堆载）组成，剪应力反力采用预埋工字钢作为反力后座，正应力和剪应力出力设备分别采用 500 kN 和 1 000 kN 的千斤顶，剪力千斤顶加载方向应与锚碇受拉方向一致；混凝土试件底部两侧对称设置 4 个量测标点，试验进行时每个标点上安装 1 个垂直向和水平向的百分表4，用于监测混凝土试件剪切破坏过程中的位移变化情况。加载装置如图 3 所示。4.3加载工况现场试验方法采用平推法，剪切面面积 50 cm 50 cm，剪切方向与锚碇工程实际受拉的方向一致5。按设计要求巫山岸施加的最大正应力为 0.7 MPa，按照其 1.2 倍确定竖向最大正应力为 0.84 MPa。按等差级数分配，分别施加到每个试件，并计算千斤顶施加各级荷载。试验加载工况如表 2 所示。4.3.1法向荷载施加要求1）在每个试件上分别施加不同的法向载荷，对应的最大法向应力值不宜小于预定的法向应力。各试件的法向载荷，宜根据最大法向载荷等分确定。2）对于每个试体，法向载荷宜分 13 级施加，分级可视法向应力的大小和岩性而定。3）加载采用时间控制，应每 5 min 施加一级载荷，加载后应立即测读每级载荷下的法向位移，5 min 后再测读一次，即可施加下一级载荷。施加至预定载荷后，应每 5 min 测读一次，当连续两次测读的法向位移之差0.01 mm 时，可开始施加剪切载荷。4）在剪切过程中，应使法向应力始终保持为常数。4.3.2剪切载荷施加要求1）剪切载荷施加前，应对剪切载荷系统和测表进行检查，必要时应进行调整。2）应按预估的最大剪切载荷分 812 级施加。当施加剪切载荷引起的剪切位移明显增大时，可适当增加剪切载荷分级。3）剪切载荷的施加方法应采用时间控制。每 5 min施加一级，应在每级载荷施加前后对各位移测表测读一次。接近剪断时，应密切注视和测读载荷变化情况及相应的位移，载荷及位移应同步观测。4）试体剪断后，应继续施加剪切载荷，直至测出趋于稳定的剪切载荷值为止。图 2混凝土试块布置（单位：cm）（a）立面（b）平面图 3试验装置示意图（单位：cm）表 2试验加载工况试块编号1#2#3#4#5#巫山岸竖向控制正应力/MPa00.210.420.630.84竖向施加荷载/kN052.5105157.5210孙雪宏：悬索桥重力式锚碇原位摩阻系数试验的研究分析-96-工程质量第41卷ase Analysis案例分析C5）将剪切载荷缓慢退载至零，观测试体回弹情况，抗剪断试验即告结束。在剪切载荷退零过程中，仍应保持法向应力为常数。6）在不同的法向载荷下进行重复摩擦试验，即单点摩擦试验。4.3.3试件剪切面描述1）应量测剪切面，确定有效剪切面积。2）应描述剪切面的破坏情况，擦痕的分布、方向和长度。3）应测定剪切面的起伏差，绘制沿剪切方向断面高度的变化曲线。4）当结构面内有充填物时，应查找剪切面的准确位置，并应记述其组成成分、性质、厚度、结构构造、含水状态。根据需要，可测定充填物的物理性质和黏土矿物成分。4.3.4成果整理1）各法向载荷下，作用于剪切面上的法向应力和剪应力应分别按式（1）、式（2）计算。=FyA （1）=FxA（2）式中：为作用于剪切面上的法向应力，MPa；为作用于剪切面上的剪应力，MPa；Fy 为作用于剪切面上的法向载荷，N；Fx 为作用于剪切面上的剪切载荷，N；A 为有效剪切面面积，mm2。2）应绘制各法向应力下的剪应力与剪切位移及法向位移关系曲线，应根据曲线确定各法向应力下的抗剪断峰值。3）应绘制各法向应力及与其对应的抗剪断峰值关系曲线，应按库伦-奈维表达式确定相应的抗剪断强度参数（f，c），确定抗剪（摩擦）强度参数。4）混凝土与岩体接触面直剪试验记录应包括工程名称、试验段位置和编号及试体布置、试体编号、试验方法、试体和剪切面描述、混凝土强度、剪切面面积、千斤顶和压力表编号，测表布置和编号、各法向载荷下各级剪切载荷时的法向位移及剪切位移。5试验数据分析根据实测资料，确定 1#测点、2#测点各试体在不同的法向应力作用下的剪应力峰值强度，绘制 关系曲线，建立库仑准则方程即=f+c，1#测点抗剪强度参数（见表 3）和（见表 4），抗剪强度曲线如图 4 和图 5 所示；2#测点抗剪强度参数（见表 5）和（见表 6），抗剪强度曲线如图 6 和图 7 所示。表 31#测点混凝土与基岩接触面直剪试验抗剪断成果试点编号正应力/MPa抗剪断峰值强度剪应力峰值/MPa摩阻系数 f黏聚力 c/MPa100.281.0050.31820.210.6130.420.7640.630.8250.841.23表 41#测点混凝土与基岩接触面直剪试验抗剪成果试点编号正应力/MPa抗剪断峰值强度剪应力峰值/MPa摩阻系数 f黏聚力 c/MPa100.8290.12520.210.2630.420.5140.630.6950.840.78图 41#测点抗剪断试验-关系曲线图 51#测点抗剪试验-关系曲线-97-第7 期6试验结论1）混凝土与基岩接触面的抗剪试验试点布置根据工程现场实际情况确定，具有一定的地质代表性，试验成果基本反映了该区域工程岩石力学的情况。2）混凝土与基岩的抗剪试验大部分沿着接触面破坏，1#测点混凝土与基岩的抗剪断强度参数标准值为：f=1.005，c=0.318 MPa，混凝土与基岩的抗剪强度参数标准值为：f=0.829，c=0.125 MPa；2#测点混凝土与基岩的抗剪断强度参数标准值为：f=1.033，c=0.286 MPa；混凝土与基岩的抗剪强度参数标准值为：f=0.833，c=0.110 MPa。3）抗剪断试验的破坏基本沿混凝土与基岩剪切面破坏，1#测点剪切面起伏差 0.43.3 cm，2#测点剪切面起伏差 0.64.2 cm。4）试验过程中，剪切位移开始基本上呈线性变化，接近峰值强度时开始屈服，达到峰值强度后，剪应力陡降，位移迅速增大，最终达到一定值，即残余强度。5）试体受剪面的变形和破坏过程具有明显的阶段性，主要经历了线弹性增长、受剪面错动、受剪面贯通破坏和残余强度 4 个阶段。通过对测试数据分析，1#试块和 2#试块剪断及剪切状态下的实测摩阻系数均0.45。满足设计的要求。7试验注意事项1）试验测点要选在具有代表性的地段，能够充分反映重力式锚碇基岩的地质状况6。2）试块制作要严格控制尺寸、间距及材质，试块尺寸为 50 cm50 cm50 cm，试块间距为 60 cm。混凝土的标号及配比与实桥锚碇一致，按 C30 等级配制，接触面应位于试件中部，浇筑前岩石接触面的起伏差宜为边长的 1%2%。3）反力架安装应牢固，位置准确，确保试验顺利、及时进行。反力试块应具有足够刚度及稳定性，能够提供反力。4）百分表应安装稳固、位置准确，确保能够正确测读位移读数。5）千斤顶加载应逐级进行，每一级按照试验方案进行加载，每级加载稳定后再测读百分表读数。6）千斤顶与试块及反力块之间应垫钢板，确保受力均匀。7）滚轴钢筋应间距均匀，反向一致。8）试验人员应统一指挥、分工明确，加载人员和读图 62#测点抗剪断试验-关系曲线图 72#测点抗剪试验-关系曲线表 52#测点混凝土与基岩接触面直剪试验抗剪断成果试点编号正应力/MPa抗剪断峰值强度剪应力峰值/MPa 摩阻系数 f黏聚力 c/MPa100.211.0330.28620.210.5830.420.7840.630.8250.841.18表 62#测点混凝土与基岩接触面直剪试验抗剪成果试点编号正应力/MPa抗剪断峰值强度剪应力峰值/MPa摩阻系数 f黏聚力 c/MPa100.8330.11020.210.2730.420.4940.630.6250.840.81孙雪宏：悬索桥重力式锚碇原位摩阻系数试验的研究分析-98-工程质量第41卷ase Analysis案例分析C数人员应配合默契。9）试验过程中应做好现场安全防护，试验人员佩戴安全帽，千斤顶加载过程应操作规范，确保安全。8结语重力式锚碇是大跨径悬索桥的一种重要的基础形式，锚碇基坑开挖后对基底的原位摩阻系数测试能够直观地反映锚碇基底的抗滑性能，对锚碇的安全性及稳定性有重要的意义。逐级对试块施加正应力及剪应力，通过绘图分析各级正应力及剪应力的关系，从而得出基底的摩阻系数，再与设计给出的摩阻系数进行对比，为工程的施工提供相应指导数据。通过对试块进行加载测试获得摩阻系数，但是由于实际工程中重力式锚定的混凝土方量都比较大，还无法真实反映锚定实体的摩阻系数，而且在试块的制作过程中，会对基底测试面造成扰动，也会对测试结果造成一定的影响。因此需要我们在模拟方式、检测技术、试验环境等方面不断地提升和完善，从而获得更加贴切、真实的试验数据。Q参考文献1水电水利规划设计总院.工程岩体试验方法标准（附条文说明）：GB/T 502662013S.北京：中国计划出版社，2013.2中国建筑科学研究院.建筑地基基础设计规范：GB 500072011 S.北京：中国建筑工业出版社，2011.3周昌栋，代明净，王晟磊，等.伍家岗长江大桥浅埋式锚碇基础承载力原位试验研究 J.特种结构，2020，37（4）：96101.4李希迪.西江特大桥南锚碇岩基摩阻力研究J.工程建设，2017，55（3）：3335.5刘洋，赵明阶，郑升宝.青草背长江大桥北锚碇摩阻力试验J.重庆交通大学学报（自然科学版），2011，30（5）：911915.6林早华，熊兵，欧阳建华，等.大河特大桥岩溶及陡坡影响条件下锚碇承载性能研究 J.公路，2019，64（4）：160166.由表 20 可知，工前车速在 80 km/h 和 100 km/h 时路面噪音分别为 64.966.9 dB 和 65.667.0 dB，车速在时路面噪音为。工后车速在 80 km/h 和 100 km/h 时路面噪音分别为 68.468.8 dB 和 68.770.0 dB，较 NovaChip 路段大 6 dB 左右。结果表明，超级微表处置后，路面表观状况随着时间增长而逐渐改善，SFC 随着时间增长而逐渐减小，路面渗水系数和构造深度均能满足设计要求，路面噪音有小幅增大。3结语通过对广东地区高速公路沥青路面养护实例分析，发现 NovaChip、沥可贴、高粘弹超薄磨耗层能有效改善路面表观状况，降低 SFC 和路面噪音，路面渗水系数和构造深度均能满足设计要求。微表处对路面进行处置，PCI、SFC 和 RD 历经 78 年后均保持在较高的水平，耐久性能显著。超级微表的路面表观状况随时间增长而逐渐改善，SFC 随着时间增长而逐渐减小，渗水系数和构造深度均能满足设计要求，路面噪音有小幅增大。Q参考文献1薛忠军，乐兴堃.超薄磨耗层技术J.中国公路，2017，24（10）：4851.2祁睿.沥青混合料性能对 NovaChip 超薄磨耗层工作性能影响研究 J.水利与建筑工程学报，2020，18（2）：210214.3黄克旺，李芸.“沥可贴”在高速公路沥青路面预防性养护中的应用 J.广东公路交通，2016，42（6）：1517.4伊兴宇.沥可贴配合比设计及使用性能研究J.广东交通职业技术学院学报，2018，17（2）：14，8.5郑木莲，高源，刘富强，等.沥青微表处路用性能研究进展J.中国科技论文，2020，15（12）：14471458.6邓攀.新型沥青超薄磨耗层施工技术在高速公路养护中的应用J.中国新技术新产品，2020，28（15）：107108.7李帮富.超级微表处在高速公路隧道混凝土路面防滑中的应用J.科技创新导报，2010，7（30）：4647.（上接第 83 页）