重庆鱼嘴长江大桥锚碇抗剪强度试验研究

肖本职，吴相超，刘 娅

重庆鱼嘴长江大桥锚碇抗剪强度试验研究

肖本职，吴相超，刘 娅

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室（重庆中心），重庆 400014）

以鱼嘴长江大桥南北锚碇2种工况下的混凝土与基岩接触面原位直剪试验为背景，结合工程地质特性，对较高强度混凝土与坚硬基岩接触面抗剪强度的影响因素进行了全面分析。认为：①对于较高强度混凝土及坚硬基岩而言，混凝土强度的提高对接触面摩擦系数f的提高贡献不明显，主要贡献在提高粘接力c值；在控制好混凝土质量及建基面岩体质量的前提下，确保混凝土与建基面间的浇筑质量更显关键。②水使接触面抗剪强度略有降低，但影响程度有限；混凝土与基岩接触面在高水头、长时间水浸泡状态下抗剪强度参数的降低程度有待更深入地研究。③较高强度混凝土与坚硬基岩接触面的剪切破坏都呈典型的脆性破坏特征。

鱼嘴长江大桥；混凝土与基岩接触面；抗剪强度；影响因素

1 概 述

重庆鱼嘴长江大桥属于西部开发省际公路通道重庆绕城高速公路东段的一座横跨长江的大型悬索桥。设计主跨616 m，总桥长1 438 m。主塔采用门式框架结构，南、北锚碇均采用重力式锚碇。设计混凝土强度等级为北锚碇C30，南锚碇C40。桥位区地质构造位于大盛场向斜东冀。在桥位区穿越地段，呈单斜构造，岩层倾向291°，倾角16°。区内构造较简单，未发现断层，且远离区域性大断层。桥位区地貌总体属长江岸坡地貌，桥位区内表层零星覆盖第四系全新统残坡积亚粘土、洪积砂土、卵石土等，下伏岩层为侏罗系中统上沙溪庙组砂岩与粉砂质泥岩呈不等厚互层。根据设计，南北岸锚碇持力层均坐落在侏罗系中统上沙溪庙组弱风化砂岩上。

悬索桥是一种跨越能力最大的桥型，主要由主梁、缆索、塔墩和锚碇4大部分组成。由于桥梁的重要性以及悬索桥结构的特殊性，锚碇自身的滑移、锚块的下沉、锚块在主缆竖向分力作用下发生倾倒，都是绝对不允许的［1］。所以锚碇的稳定问题就显得十分重要。对于直接基础重力式锚碇而言，锚碇滑移和倾覆是锚碇系统最大可能的破坏模式，文献［2］认为，只要满足滑移的安全要求，抗倾覆要求一般就能满足。因此，锚碇的滑移稳定问题就成为直接基础重力式锚碇的最重要稳定性要求。对于较完整坚硬基础岩体，锚碇的滑移稳定主要取决于锚碇混凝土与基岩接触面的抗剪强度。

我国在混凝土与基岩接触面抗剪强度试验方面的研究在水利工程上起步相对较早。1951年开工，1954年建成的官厅水库就进行了2组室内混凝土／岩石接触面抗剪强度试验［3］。随着葛洲坝、三峡等大型水利工程的建设，这方面的研究逐渐成熟，林伟平等人撰文较系统地分析了影响混凝土与基岩胶结面抗剪强度的主要因素［4］。对于桥梁锚碇混凝土与基岩接触面抗剪强度的试验研究较水利工程要晚一些。由于近年来桥梁工程发展迅猛，目前对于锚碇混凝土与基岩接触面抗剪强度参数问题也进行了不少试验研究。陈友亮通过对虎门大桥混凝土／岩体胶结面的抗剪特性的分析，得出了胶结面的抗剪特性与剪断后的摩擦特性之间的关系［5］。王保田等针对润扬长江公路大桥南汊悬索桥锚碇接触面抗剪强度取值问题，采用室内控制粗糙度试验的方法，测定了不同风化程度和粗糙度的花岗岩与混凝土接触面的抗剪强度［6］。而朱德珍等则运用分形几何理论，通过润扬长江公路大桥大量的混凝土／花岗岩粗糙胶结面的抗剪强度试验，探讨了两相介质胶结面粗糙度对其抗剪强度参数大小、剪切变形特性以及剪切破坏机制的影响，得到了胶结面粗糙度分形维数与抗剪强度指标之间的经验公式［7］。但是，这些研究都没有涉及高强度混凝土与坚硬岩体间剪切强度的影响因素及其影响程度等。本文以鱼嘴长江大桥南北锚碇两种工况下的混凝土与基岩接触面原位直剪试验为依据，结合工程地质特性，对较高强度混凝土与坚硬基岩接触面抗剪强度的影响因素进行了分析。

2 试验方案及布置

2．1 试验方案

为了较准确地掌握锚碇与基岩接触面的抗剪强度，试验直接布置在锚碇基坑开挖揭露出的锚碇实际受力基岩面上。南北锚碇在岩性和混凝土强度等级上存在微小差别，将同时布置试验点。考虑到差异性不是很大，因此将试验重点放在一个锚碇即可。总共布置了4组试验，每组5点。其中北锚碇3组，南锚碇1组，试验用混凝土的材料、配合比及强度等级均与实桥混凝土一致。考虑到基岩面高程处于洪水位以下，汛期间，混凝土与基岩接触面将较长时间处于地下水位以下，因此，在北岸的3组原位试验中，我们考虑了1组饱水工况，以期了解饱水状态较天然状态下混凝土与基岩接触面抗剪强度的降低程度。饱水方法为所浇筑的试体混凝土初凝后将接触面（预剪面）浸泡于水中，直到试验时才排干明水。在进行混凝土与基岩接触面直剪试验的同时，还对试验点位置的基岩取样进行了室内岩块单轴抗压强度试验。

2．2 试点布置

试点布设以地层岩性具有地质代表性和既方便试验又不影响施工为原则，具体位置见图1。

图1 各试点平面布置图Fig．1 Plan view of arrangement of test points

2．3 试验方法［8］

在选定的试验点位置，人工清除松动或爆破扰动岩体，每个试点面在1．0 m2范围内大致平整，人工凿制成长70 cm×宽60 cm的平面，起伏差控制在0．5～1 cm。用水洗净并擦干基岩面，再进行地质描述和照相。然后浇筑长60 cm×宽50 cm×高40 cm的混凝土试块，剪切面面积3 000 cm2。混凝土强度等级北岸为C30，南岸为C40，混凝土配制所需原材料均采用实桥锚碇所用材料，同时考虑工期问题，在混凝土中添加了适量早强剂。试验墩浇筑的同时浇筑150 mm×150 mm×150 mm的混凝土试块6个，待试压块的单轴抗压强度达到设计强度后，安装法向和切向加荷系统及测量系统进行直剪试验。

试验采用平推法。试验最大法向应力按不小于工程设计应力的1．2倍，南岸实际施加的最大法向应力为1．23 MPa，北岸为1．41 MPa，荷载按等差级数分别施加到各个试验块体上。剪切应力作用方向与锚碇水平受力方向一致，即垂直于河流方向。剪切应力与法向应力的作力点垂直相交于剪切面的中心。

对于饱水状态的试验，根据混凝土的龄期预估达到设计强度的时间，提前2 d（不少于48 h）对预剪面进行浸水饱和。

试验时先进行抗剪断试验，然后再以相同法向应力进行抗剪（摩擦）试验。试验中的荷载分级、施加方法、稳定标准均严格按照相关规程规范进行。

3 锚碇混凝土与基岩抗剪强度特性

3．1 基岩性状［9］

鱼嘴长江大桥呈南北向，设计锚碇持力层位于侏罗系中统上沙溪庙组弱风化砂岩层。北岸锚碇基础砂岩主要为黄褐色、浅灰色，岩体纵波速值为3．21～3．25 km／s，完整性系数为0．68～0．70，属较完整岩体。混凝土强度等级为C30。南岸锚碇基础砂岩则主要为浅灰色，岩体纵波速平均值为3．17～3．32 km／s，完整性系数为0．70～0．72，仍属较完整岩体。混凝土强度等级为C40。南北锚碇基岩的单轴抗压强度见表1［10］。均为较坚硬岩，其强度略高于混凝土强度。

表1 锚碇基础岩石单轴抗压强度试验成果Table 1 Test results of uniaxial com pressive strength of anchor bed rock

3．2 混凝土与基岩接触面直剪试验成果

混凝土与基岩接触面直剪试验成果见表2［10］。4组试验均沿接触面剪切破坏，破坏时伴有响声。破坏面较平直，擦痕明显、有压碎砼屑及少许岩屑。基岩面下凹处粘附少许混凝土，上盘混凝土试体上粘附岩石比例极少，起伏差一般0．5～1 cm，局部1．5～3 cm。由于岩层倾角较缓，剪切破坏后，剪切面上可见层间裂隙处形成的小凹槽。

表2 混凝土与基岩直剪试验成果Table 2 Test results of shear strength of concrete and bed rock

3．3 混凝土与基岩接触面抗剪强度特性分析

3．3．1 岩石完整性及强度对接触面抗剪强度的影响

τB1组基岩为弱风化浅灰色砂岩，试点基岩面上均有1～4条层间裂隙，裂隙大多微张，少量闭合，以钙质胶结为主。而τB3组基岩为弱风化浅黄褐色砂岩，只有个别试点基岩面见裂隙。从表1中岩石的单轴抗压强度上看，浅灰色砂岩比浅黄褐色砂岩单轴抗压强度低。τB3组基岩的完整性及强度明显优于τB1组基岩，所以混凝土与弱风化浅灰色砂岩接触面抗剪强度比与弱风化浅黄褐色砂岩接触面抗剪强度低10%。

3．3．2 混凝土强度对接触面抗剪强度的影响

τB1组、τN1组基岩为弱风化浅灰色砂岩，但混凝土强度τB1组为C30，τN1组为C40。试验结果是τN1组接触面的抗剪断摩擦系数f′值比τB1组接触面摩擦系数高10%，而粘接力c′值高50%。可见，混凝土强度的提高对接触面摩擦系数f的提高贡献不明显，主要贡献在粘接力c值提高。由于接触面的抗剪强度取决于接触面混凝土或砂浆强度、基岩面起伏差及接触面胶结质量等因素，其中摩擦系数f值主要取决于接触面物质的颗粒大小及基岩面起伏差，而粘接力c值主要取决于接触面胶结质量及水泥量的多少。C30混凝土与C40混凝土均为两级配，物质颗粒大小相当，主要体现在水泥含量上，因此，在较高等级混凝土强度与较坚硬基岩情况下，混凝土强度对提高接触面摩擦系数f值的贡献有限，而主要是提高其粘接力c值。

3．3．3 水对接触面抗剪强度的影响

τB2组和τB3组基岩均为弱风化浅黄褐色砂岩，混凝土强度等级均为C30，基岩面的完整性也较接近。但τB2组为饱水状态，τB3组是天然含水率状态，其试验结果是τB2组较τB3组略低。可见，在混凝土和基岩强度均较高的情况下，水使接触面抗剪强度略有降低，但降低的程度有限。由于试验的饱水过程与实际工况相比，水压力及浸泡时间都低于实际工况状态，因此，实际工况饱水状态下的混凝土与基岩接触面抗剪强度参数的降低程度应略大于试验结果，这一点在提出建议值或者设计在使用试验参数时应予以考虑。

3．4 混凝土与基岩接触面抗剪破坏特性

4组试验均沿接触面剪切破坏，破坏时伴有响声。图2为τN1组抗剪断应力-变形曲线，本次试验的应力-变形曲线都具有相同的形态特征。其应力-变形曲线的线弹性阶段明显，呈直线上升，变形量很小，屈服阶段很短，变形量不大，而峰值后变形量显著增大，曲线呈近水平状态或明显下降，该剪切试验呈典型的脆性破坏特征。混凝土及基岩的强度均较高，混凝土与基岩接触面的抗剪强度主要受胶结面的粘结强度控制。

图2 τN1抗剪断应力-变形曲线Fig．2 Typical curves of stress versus deformation

4 结 论

（1）较高强度混凝土与坚硬基岩接触面的剪切破坏都呈典型的脆性破坏特征。

（2）混凝土强度的提高对接触面摩擦系数f的贡献不明显，主要贡献在提高粘接力c值。混凝土与基岩接触面的抗剪强度完全受接触面上混凝土砂浆与基岩的胶结强度控制。因此，在控制好混凝土质量及建基面岩体质量的前提下，确保混凝土与建基面间的浇筑质量更显关键。

（3）水使接触面抗剪强度略有降低，在混凝土和基岩强度均较高的情况下，影响程度很有限。

（4）由于试验受时间、经费、试验条件等因素的制约，饱水试验时的水压力及浸泡时间往往都低于实际工况。混凝土与基岩接触面在高水头、长时间水浸泡状态下接触面的抗剪强度参数的降低程度有待更深入的研究。

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［10］吴相超，肖本职．重庆鱼嘴长江大桥南北锚碇混凝土与基岩接触面直剪试验报告［R］．武汉：长江科学院，

2006．（WU Xiang-chao，XIAO Ben-zhi．Shearing Test Report of Cementation Plane Between Rock and Concrete for Anchors of Chongqing Yuzui Changjiang Bridge［R］．2006．（in Chinese））

（编辑：罗玉兰）

Experimental Study on Shear Strength of Anchors of Changjiang Bridge at Chongqing Yuzui

XIAO Ben-zhi，WU Xiang-chao，LIU Ya
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources（Chongqing Branch），Changjiang River Scientific Research Institute，Chongqing 400014，China）

Based on in-site anchor shear tests under natural condition and saturated condition on Changjiang Bridge at Yuzui，Chongqing and the engineering geology，a comprehensive analysis on the influencing factors of shear strength on the contact surface between higher strength concrete and hard bedrock is presented in this paper．The a-nalysis demonstrated that firstly as for the higher strength concrete and hard bedrock，the increasing of concrete strength has slight impact on friction-coefficient（f）on the contact surface，while remarkably helps the increase of

Dynam ic M onitoring of Lake Areas in W uhan Based on M ixed Pixels Decom position

ZHANG Han，XIA Dan-ning，ZHANG Hao-cheng，WANG Xiao-yi
（School of Remote Sensing and Information Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract：Conventionalmethods including threshold method，spectral structuremethod，normalized difference water index and classificationmethod are used to delineate and extractwater body from TM／ETM＋data collected by Land-satwith medium spatial resolution．However，none of them take the impact ofmixed pixel into account．Mixed pix-els，unavoidable on remote sensing image，generally result in low precision of pixel-based information extraction，which makes it hard tomeet the requirements of highly accurate applications．In this article，the water area of the East Lake is calculated based on linear spectral unmixingmethod from Landsat TM image obtained in 2006．The re-sult proves to bemore accurate compared with those by pixel-based methods．Furthermore，linear spectral unmixing method formixed pixel is exerted on varied Landsat TM／ETM＋imageries tomonitor the shrink of lake area in Wu-han from 1995 to 2006．Themonitoring results demonstrate that lake areas in Wuhan decreased continuously during this period，and the Index of Lake Loss Intensity（ILLI）was unevenly distributed across time and space．

mixed pixel；linear spectral unmixing；lake areas；monitoring of changes

TU459．2

A

1001－5485（2011）05－0055－04

2010-05-31；

2010-09-06

肖本职（1966-），男，重庆垫江人，高级工程师，主要从事岩石物理力学试验、检测及地应力测量等方面的工作，（电话）023-88192720（电子信箱）benzhi＿xiao＠163．com。