云南某高速大桥隧道锚围岩现场直剪试验研究*

杨建成，赵武章，韩自强

(云南交投丽江投资开发有限公司，云南 丽江 674100)

0 引言

隧道锚作为大跨度悬索桥的一种重要构造形式，具有土方开挖量小、环境扰动小、性价比高、工程量小等优点，因此被广泛应用[1]。如美国的乔治华盛顿大桥、英国的福斯公路桥、重庆万州长江二桥、重庆鹅公岩长江大桥、湖北四渡河大桥、宜昌伍家岗长江大桥、重庆油溪长江大桥等均采用隧道锚[2-6]。隧道锚方案的确定及优化，关键在于隧道锚围岩参数和岩体-混凝土接触面强度参数的合理取值[7]。由于直剪试验具有最直观、最准确的岩石力学数据，能最准确地反映混凝土体原地不动力学特征，获取的成果可靠性较高，在实际施工中应用广泛。王艳芬等[8]结合西堠门大桥锚碇进行了基岩承载能力及摩阻系数的原位试验；周昌栋等[9]结合伍家岗长江大桥研究含中粗砂卵砾石持力层与素混凝土间的摩阻系数；邬爱清等[10]通过原位试验对四渡河特大桥隧道锚围岩等级进行了评价，由此得到隧道锚的承载能力；卢阳等[11]通过开展几江长江大桥隧道锚原位岩体力学试验，提出隧道锚围岩力学参数试验建议值；邹恩杰等[12]对马普托大桥锚碇基础进行了半成岩抗剪强度和承载力现场试验，得到岩体-混凝土接触面的摩擦阻力和承载力。上述原位直剪试验均根据GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》(2009年版)[13]的规定采用多点法进行，但大量工程实践表明，多点法受试验场地条件的限制，试样制作耗时长、经济效益差[14-16]。张景德等[17]采用单点抗剪强度试验方法，仅用1个试件完成原位直剪试验，获得岩土体黏聚力c、内摩擦角φ等力学参数。该方法避免了多点法的弊端，在现场试验中得到广泛应用。

本文依托云南某高速大桥隧道锚工程，采用单点法进行隧道锚围岩、围岩-混凝土直剪试验，通过分析试验数据，为该类桥梁锚碇设计、建造提供技术依据。

1 工程地质概况

根据地质勘察结果，选择在云南某高速大桥隧道锚工程右岸索塔岸坡处开展平硐试验，右岸2号平硐方位如图1所示。

图1 右岸2号平硐方位示意

右岸2号平硐原为揭示隧道锚层位岩性而设置，平硐进深20m，均为杏仁状玄武岩，呈灰绿色、灰色，强风化，斑状结构，杏仁构造，局部气孔构造，节理裂隙发育。硐内自0～5m为中风化岩体，5～20m为强风化岩体，岩体整体较破碎。岩体内少量石英脉发育。充填物主要为风化泥及后期铁锰质浸染，充填于宽大裂隙内，以红褐色为主。在较大剪切带的X形节理处由石英块充填，白色。强卸荷带宽度>20m。

2 原位单点法直剪试验

平硐勘探发现，基岩为上二叠统玄武岩组上段(P2β3)，由玄武岩、杏仁玄武岩、火山角砾岩熔岩和凝灰岩组成。因此依据GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》进行岩土的剪切摩擦试验。

2.1 放样及试样制备

根据大桥结构特点和结构设计要求，选择隧道锚所在层位布置平硐，直剪试验点布置如图2所示。

图2 平硐试验点布置

先找平试验所需的岩土地基面，预浇50cm×50cm×25cm混凝土块或预制混凝土块放于岩土地基面上，将传力钢板放置在混凝土块上，用水平尺将其调平，然后依次放置辊排、钢板、液压千斤顶、传力柱、顶钢板等(根据具体情况也可放置托辊排)。岩体剪切试验及混凝土-岩体摩擦剪切试验装置如图3,4所示。

图3 岩体剪切试验装置

图4 混凝土-岩体摩擦剪切试验装置

2.2 试验方法

本次剪切试验采用单点法，按《工程岩体试验方法标准》进行，按最大剪切荷载的10%分级施加，每5min加荷1次，并测得每级荷载施加前、后的变形。在第1级法向应力恒荷载下，当施加剪应力的比例达到极限时，降低剪切位移速率，当施加剪应力达到峰值时，可观察到τ-μ变形曲线出现明显拐弯，说明此时已十分接近峰值或认为已达到峰值，停止施加剪应力，并卸载进入第2级法向应力下的剪切试验，直至在第4级或第5级法向荷载下完成剪断试验，一个试块的单点法直剪试验全部完成。

3 试验结果分析

3.1 原岩直剪试验结果分析

原岩直剪试验数据如表1所示，对应τ-σ曲线如图5所示，结果如表2所示。

由图5和表2可知，试验点2，4，6 3组原岩剪切摩擦τ-σ关系曲线规律性较好，摩擦系数f分别为0.724 3，0.692 2，0.639 8。试验点最大黏聚力为146.98kPa，最小为51.30kPa，内摩擦角试验结果差异不大。其中试验点2，6岩体整体较破碎，直剪强度参数黏聚力c值较接近，内摩擦角φ值相差不大，试验点4得到较高的黏聚力参数，说明试验点4与试验点2，6相比，结构面岩体具有较强的直剪力学特征。建议内摩擦角取平均值34.40°，黏聚力取平均值95.25kPa。

图5 原岩剪切摩擦τ-σ曲线

表2 原岩直剪试验结果汇总

3.2 接触面直剪试验

混凝土-岩体接触面直剪试验数据如表3所示，对应τ-σ曲线如图6所示。结果如表4所示。

由图6和表4可知，试验点1，3，5 3组混凝土-岩体剪切摩擦关系曲线规律性较好，摩擦系数分别为0.351 5，0.789 4，0.365 2。试验点3的最大内摩擦角为38.29°，现场剪切试验完成后发现混凝土平台底部破坏形式为局部玄武岩剪切破坏，因混凝土浇筑时与基底黏结良好，剪切作用使混凝土-岩体界面的摩擦破坏向基岩内发展，故导致其内摩擦角较其他混凝土-岩体试验值大。试验点1的摩擦系数和黏聚力较低，主要因为岩体破碎填满泥浆，混凝土-岩体接触面多为岩渣，导致其φ，c值较低。

表3 混凝土-岩体直剪试验数据

图6 混凝土-岩体接触面剪切摩擦τ-σ曲线

表4 混凝土-岩体直剪试验结果汇总

根据上述分析，舍弃3号点数据，对1，5号点数据取平均值，得到黏聚力为126.09kPa，内摩擦角为19.71°。

4 结语

1)以云南某高速大桥隧道锚原位测试为例进行单点法直剪试验，根据试验结果得到围岩抗剪强度建议参数，即黏聚力c为95.25kPa，内摩擦角φ为34.40°；建议岩体-混凝土接触面的黏聚力c为126.09kPa，内摩擦角φ为19.71°。

2)通过原位试验结果分析发现，同一试验点试坑内的不同岩体试样，通过原位直剪试验得到的力学参数也存在较大差异，说明平硐内岩体性质存在空间受限的大截面钢构件。在本工程应用过程中，总结了一系列的偏差标准，受力钢筋沿长度方向全长的净尺寸偏差控制在10mm以内，地脚螺栓(锚栓)位移偏差不得超过2mm，只有保证施工偏差在上述允许范围内，多腔体钢柱在实际施工中质量和安装效率才会得到保障。

3)对于多点法而言，试验点岩体性质越不均匀，通过多点法得到的试验结果越分散，直接影响结果的精度。相较于多点法，单点法的优势明显，通过多个单点法试验能客观反映岩体的抗剪强度。