伍家岗长江大桥浅埋式锚碇基础承载力原位试验研究

周昌栋 代明净 王晟磊 姜开渝

(1. 宜昌市住房和城乡建设局 443000； 2. 宜昌市城市桥梁建设投资有限公司 443000；3. 中建三局投资发展公司 武汉430000； 4. 东南大学土木工程学院 南京210096)

引言

锚碇是悬索桥重要的组成部分， 为严格控制锚碇基础的沉降和水平变位， 通常选用深埋式锚碇基础。 从施工技术、 工期和工程造价方面考虑， 浅埋式锚碇基础更为可取， 而国内关于浅埋式锚碇基础鲜有报道。 湖北宜昌市伍家岗长江大桥江南侧采用浅埋式重力锚碇， 基底持力层为含中粗砂卵砾石层。 由于持力层分布不均匀， 上部锚碇结构偏心受荷， 采用基底注浆的地基处理措施来提高地基承载力， 以控制地基的沉降、 不均匀沉降、 水平变位和稳定性。 如何合理地确定加固后地基的承载力和摩阻系数是浅埋式锚碇基础设计的关键环节。

由于持力层为含中粗砂卵砾石层， 限于试样的尺寸， 室内试验难以得到现场环境下的摩阻系数和承载特性。 现场试验由于试验尺寸大、 对土体扰动小， 可考虑注浆加固的影响， 能更好地反映持力层的承载特性。 Lv Y[1]、 Rashidyan S[2]、Qian Z Z[3]针对桩基础的承载特性进行了大量现场载荷试验； 邹恩杰[4]开展了锚碇基底半成岩抗剪强度和承载力现场试验， 得到了基岩- 混凝土接触面的摩阻力和地基承载力； 谭新[5]提出采用抗剪断、 抗剪、 单点摩擦试验来综合确定重力式锚碇摩阻系数， 并给出工程实例进行验证。 胡伟[6]将改进的原位直剪设备应用于两个滑坡现场试验， 得到了滑坡滑带、 滑体的原位抗剪强度参数； 王江营[7]基于正交设计方法开展了一系列土石混填体室内大型直剪试验研究， 进而确定出了不同因素对土石混填体抗剪强度有何影响及影响程度； 唐国艺[8]通过载荷试验研究了Quelo 砂的湿陷变形特点和不同条件下的承载力特征。

本文以宜昌市伍家岗长江大桥江南侧浅埋式重力锚碇基础为背景， 通过直剪试验研究含中粗砂卵砾石持力层与素混凝土之间的摩阻系数， 通过浅层平板载荷试验研究注浆加固后含中粗砂卵砾石持力层的承载力特征值， 为设计提供依据，也为类似工程提供数据参考。

1 工程概况

伍家岗长江大桥为主跨1160m 的钢箱梁悬索桥， 江北侧采用隧道锚， 江南侧采用浅埋式重力锚碇。 浅埋式重力锚碇基础采用外径85.0m、 高15.0m 的圆形扩大基础。

根据地质勘察报告， 含中粗砂卵砾石为基底持力层， 其承载力特征值为400kPa， 与锚碇混凝土基础底面的摩阻系数μ＝0.4 ～0.5。 在最不利荷载组合作用下， 锚碇基底前趾区应力为498.7kPa， 后趾区应力为463.1kPa。 为满足该大桥安全运营的要求， 采取坑底注浆加固的措施提高持力层的承载力， 控制锚碇基础不均匀沉降。

2 试验方案

为伍家岗长江大桥工程安全施工和服役的需要， 通过原位试验获得锚碇基坑基底的摩阻系数和基底持力层承载力的现场数据， 并进行整理和分析， 为重力式锚碇基础提供设计参数和依据。根据规范[9，10]要求， 现场试验在注浆加固15 天后进行。

2.1 试点布置

在基坑前趾和后趾各布置一组直剪试验点和一组载荷试验点。 试点平面布置示意如图1 所示。 前趾试验区反力平台如图2 所示。

图1 试验点平面布置示意Fig.1 Layout of test points

图2 前趾试验区反力平台现场Fig.2 The reaction platform of fore toe test area

2.2 直剪试验

1. 试验准备每组直剪试验包括3 个试点， 共6 个试点。

为了更加准确地得到持力层与混凝土的摩阻系数， 直剪试验点直接布置于锚碇基底标高处。人工清除试验点区域松动的岩土体， 每个试点面在0.5m2范围内大致平整， 保证试点面的粗糙度及地质特征尽可能一致。

在6 个试验点分别现浇50cm ×50cm ×35cm的C30 混凝土试块， 且要求试块配合比、 强度等级等与锚碇基础混凝土一致。

在试块附近架设测量位移的基准梁。

2. 试验过程

采用平推法进行直剪试验， 每个试块上分别施加不同的法向荷载， 其中后趾区域三个试块施加80kN、 100kN、 120kN， 前趾三个试块施加90kN、 110kN、 130kN。

(1)采用固结快剪法进行试验， 每个试块的法向荷载按5 级施加， 加载后立即测记沉降值，此后每5min 读取一次， 当5min 内垂直变形值不超过0.05mm 时， 可施加下一级荷载， 施加最后一级荷载后按5min、 10min、 15min、 15min…的时间间隔测读沉降值， 当连续两个15min 沉降累计值不超过0.05mm 时， 即认为垂直变形已经稳定， 可施加剪切荷载；

(2)剪切预定荷载按照对应的竖向荷载最大值等分10 级施加， 在施加剪切载荷所引起的剪切变形为前一级的1.5 倍及以上时， 下一级剪切荷载则减半施加；

(3)剪切荷载采用时间控制， 每30s 施加一级剪切荷载， 每级剪切荷载施加完成后， 应立即测记沉降量、 剪切荷载和剪切变形量；

(4)当达到剪应力峰值或剪切变形急剧增加或剪切变形大于试样直径(或边长)的1/10 时，即认为已剪切破坏， 可终止试验[11]。

3. 试验现场照片

以QJ-3 试点加载现场为例， 随着水平向剪切荷载逐步增加， 试块两侧逐渐出现裂缝， 且裂缝宽度随着试块水平向位移的增加而增加， 如图3 所示。

图3 直剪试验加载现场(QJ-3 点)Fig.3 Loading site of shear test (point QJ-3)

2.3 载荷试验

1. 试验准备

前趾区载荷试验包括3 个试点， 后趾区载荷试验包括2 个试点， 共5 个试点。

为了更加准确地得到基底持力层的承载性能， 载荷试验点直接布置于锚碇实际受力面上；保持试验土层的原状结构和天然湿度， 试压表面用粗砂或中砂层找平， 其厚度不超过20mm； 承压板采用直径800mm、 厚度20mm 的圆形钢板，其面积约为0.5m2， 将3 ～4 块承压板叠加在一起以保证承压板的刚度， 减少承压板的变形带来的误差。

由钢筋+砂袋堆载形成竖向反力系统， 通过轴力计测量加载值， 四个0 ～50mm 量程的百分表对称安装在承压板上测量沉降值。

2. 试验过程

在加载前对测量系统进行初步稳定读数观测， 每10min 读数一次， 连续三次读数不变即可开始试验； 试验加载过程中， 竖向应力采用分级维持荷载沉降相对稳定法(常规慢速法)。

注浆加固后基底持力层承载力特征值拟达到600kPa。 载荷试验的最大加载值不小于承载力特征值的2 倍， 即不小于1200kPa。

(1)荷载按单循环逐级递增加载直至预定荷载， 采用千斤顶加载， QZ -3 试点分12 级加载，QZ-3 试点荷载分级为: 100kN、150kN、200kN、250kN、 300kN、 350kN、 400kN、 450kN、 500kN、550kN、600kN、 650kN；QZ - 1、QZ - 2、HZ - 7、HZ-8 试点分10 级加载，荷载分级为:120kN、180kN、 240kN、 300kN、 360kN、 420kN、 480kN、540kN、600kN、660kN。

(2)加载后立即进行沉降量测读， 之后每隔10min、 10min、 10min、 15min 和15min 测读， 以后每隔半小时测读一次沉降量。 当连续2h 以内，每小时沉降量小于0.1mm 时， 即认为达到稳定，可进行下一级荷载加载；

(3) 当出现下述现象之一， 即终止加载:①承压板周围的土明显地侧向挤出； ②沉降S急剧增大， 荷载- 沉降(P-S)曲线出现陡降段；③在某一级荷载下， 24h 内沉降速率不能达到稳定； ④沉降量与承压板直径之比大于或等于0.06； ⑤达到预计的加载值， 但未出现上述情况。 当满足前三种情况之一时， 其对应的前一级荷载定为极限荷载[12]。

3. 试验现场照片

以HZ-7 试点加载现场为例， 当竖向荷载加载至960kPa 时， 载荷板沉降量较大， 达到47.29mm， 承压板周围出现环状裂纹， 如图4所示。

图4 载荷试验加载现场(HZ-7 试点)Fig.4 Site of loading test (point HZ-7)

3 试验分析

3.1 直剪试验

1. 实测曲线

根据2.2 节的试验方法， 可得试点的竖向应力与沉降的关系曲线、 切向应力与切向位移关系曲线， 分别如图5、 图6 所示。 由图5 可知， 由于竖向荷载较小， 地基处于弹性状态受荷，P-S曲线呈直线关系， 但锚碇基础范围内， 地基存在较大的离散性， 前趾区的地基刚度明显大于后趾区。 图6 表明， 试件在固定竖向荷载作用下， 随着剪切应力的增加， 剪切应力与水平剪切位移的关系分别经历线弹性、 弹塑性阶段， 最终达到峰值抗剪强度， 进而发生剪切破坏。 试件达到峰值强度时的剪切位移约10mm ～15mm。

2. 参数拟合

基于最小二乘法可得直剪试验的强度参数拟合结果， 如图7 所示。

由图7 可知， 含中粗砂卵砾石持力层与混凝土接触面的抗剪摩阻系数为0.496， 粘聚力为9.47kPa。

图5 直剪试验竖向应力与沉降曲线Fig.5 Vertical stress and settlement curve of direct shear test

图6 直剪试验切向应力与位移曲线关系Fig.6 Curve of shear stress and displacement in direct shear test

图7 直剪试验强度参数拟合Fig.7 Fitting diagram of strength parameters in direct shear test

3. 破坏面形态

试验结束后， QJ -3、 QJ -2 试点的剪切破坏面如图8 所示。

图8 试体剪切破坏面Fig.8 Shear failure surface of specimen

通过试体剪切破坏面可知， 由于法向荷载的作用， 剪切破坏面没有发生在含中粗砂卵砾石持力层与混凝土胶结面， 而是位于含中粗砂卵砾石持力层内部， 呈曲面形式。 也即含中粗砂卵砾石持力层与混凝土胶结面不是最薄弱结构面， 胶结面的摩阻系数大于试验结果0.496。

3.2 载荷试验

完整的P-S曲线呈弹性阶段、 弹塑性阶段、塑性阶段和破坏阶段。 如2.3 节所述， 由于测试目的仅在于确定地基是否满足设计要求， 即载荷试验为设计值的2 倍， 因此， 根据2.3 节的试验方法， 可得试点荷载-沉降的关系曲线， 如图9所示， 该P-S曲线基本呈直线分布， 说明地基在加载阶段均处于线弹性阶段。

该工程在基坑开挖至坑底后， 按照注浆加固方案对前趾、 后趾试验区进行注浆加固， 15 天之后首先对前趾区QZ -3、 QZ -2、 QZ -1 试点进行试验， 当QZ-3 试点加载至最后一级荷载时，由于下雨导致后续QZ-2、 QZ -1 试点所测得的沉降量较QZ-3 试点有所增加， 但三个试点的最终沉降量均小于48mm(载荷板直径的0.06 倍)且P-S曲线均呈线性变化， 因此前趾区三个试点的极限承载力均大于所施加的最大荷载值。

图9 荷载-沉降曲线Fig.9 Load settlement curve

前趾区的试验时间共计7 天， 试验完成之后再进行后趾区试验。 根据对基底范围内土层的颗粒级配分析可知， 前趾区卵砾石土层含中粗砂较多， 而后趾区的卵砾石土层含粘性土较多， 因此后趾试验区在注浆前先浇筑20cm 厚垫层， 并在其周边设置排水沟， 以保证注浆效果和减小雨水对试验的影响。

图9 中， 前趾试验区QZ -3、 QZ -2、 QZ -1试点和后趾试验区HZ -7、 HZ -8 试点分别是在相同的注浆工艺和注浆条件下完成， 前趾区和后趾区的试验结果均表现出较大的离散性， 即在注浆工艺相同的条件下， 注浆效果与土层的颗粒级配、 孔隙的空间分布有较大的关系。 另一方面，从前后趾试点P-S曲线的斜率可判断前后趾地基的变形模量有较大差别， 与前期的颗粒级配分析结果一致。

根据规范[8]要求， 地基承载力特征值可取为P-S曲线的比例界限和极限承载力一半的较小值。 因此载荷试验点的地基承载力特征值fa取值如表1 所示。

表1 载荷试验点地基承载力特征值Tab.1 Characteristic value of foundation bearing capacity at load test point

从表1 中可知， QZ - 1、 QZ - 2、 QZ - 3、HZ-8 试验点的承载力特征值不小于600kPa， 满足设计要求， HZ-7 试验点的承载力特征值小于600kPa， 需再次补注浆以满足设计要求。

4 结语

锚碇基础与持力层之间的摩阻系数， 以及持力层的承载力、 压缩性能是浅埋式重力锚碇基础设计的关键因素。 结合伍家岗长江大桥江南侧锚碇工程， 根据现场情况对含中粗砂卵砾石持力层的浅层平板载荷试验和直剪试验进行了系统的研究， 并制定了合理的试验方案。 结果表明:

1. 在固定竖向荷载作用下， 试件底面随着剪切应力的增加， 剪切应力与水平剪切位移的关系分别经历线弹性、 弹塑性阶段， 最终达到峰值抗剪强度， 进而发生剪切破坏。 试件达到峰值强度时的剪切位移约10mm ～15mm。

2. 根据最小二乘法拟合的直剪试验数据， 含中粗砂卵砾石持力层与混凝土接触面的抗剪摩阻系数为0.496。

3. 根据本项目5 个载荷试验试点的P-S曲线分析以及规范要求， QZ -1、 QZ -2、 QZ -3、HZ-8 试验点的承载力特征值不小于600kPa， 满足设计要求， HZ-7 试验点的承载力特征值小于600kPa， 不满足设计要求， 需再次补注浆以满足设计要求。

4. 基坑长时间暴露和积水对持力层的承载性能影响较大， 建议基坑开挖至坑底后应尽快浇筑垫层减少持力层土体的扰动， 同时应做好基坑的防排水措施。