金東大橋隧道錨模型試驗(yàn)方案研究

金東大橋隧道錨模型試驗(yàn)方案研究

0主纜荷載作用下錨固體力學(xué)特性懸索橋隧道錨在錨體和圍巖的配合下充分利用圍巖的承載能力，可以承受大的主纜力。隧道錨可降低橋梁投資，有利于環(huán)境保護(hù)。目前，國(guó)內(nèi)外已完建或在建的懸索橋隧道錨多布置在巖性單一、較堅(jiān)硬或堅(jiān)硬、完整穩(wěn)定的山體邊坡巖體內(nèi)，而有些懸索橋受路線、地形地貌等條件限制，錨碇選在圍巖完整性差、溶洞發(fā)育或巖體破碎的山體邊坡內(nèi)。隧道錨為底部大、上部小、呈城門(mén)洞或馬蹄形狀的鋼筋混凝土塞形體。在主纜荷載作用下，錨體與圍巖構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的受力體，主纜拉力通過(guò)錨體向圍巖擴(kuò)散，從而使較大范圍的圍巖參與承載，在較近處圍巖受擠壓作用呈壓剪應(yīng)力狀態(tài)下，因圍巖的剪脹性和應(yīng)變硬化性質(zhì)，使圍巖能夠抵抗較大的荷載。通過(guò)不同縮尺的室內(nèi)相似材料模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)相似模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，可獲得并逐步深入認(rèn)知隧道錨圍巖的變形機(jī)制、破壞模式和承載能力。對(duì)廣東虎門(mén)大橋文獻(xiàn)隧道錨承載力沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算公式。規(guī)范目前，有關(guān)隧道錨抗拔機(jī)制的研究表明，在主纜荷載作用下，錨體向接觸圍巖擠壓，荷載分布和傳遞過(guò)程十分復(fù)雜，破壞面上的應(yīng)力分布復(fù)雜，不能借助簡(jiǎn)單的力系平衡計(jì)算而得到，圍巖為硬巖或軟巖時(shí)，錨體與圍巖之間的荷載傳遞過(guò)程、變形特征、圍巖破壞模式和錨碇極限承載力均有顯著差異金東大橋左岸隧道錨地層復(fù)雜，巖性種類多，多呈片狀構(gòu)造，薄層—中厚層，極軟巖—較堅(jiān)硬巖，節(jié)理極其發(fā)育，巖體破碎。各懸索橋隧道錨圍巖性狀不同，在復(fù)雜巖體地層內(nèi)建造隧道錨少見(jiàn)，沒(méi)有類似的工程經(jīng)驗(yàn)借鑒，而現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)是獲取錨碇圍巖變形特征、破壞模式和承載力的主要方式之一，因此開(kāi)展金東大橋隧道錨現(xiàn)場(chǎng)相似模型試驗(yàn)，獲得錨體與圍巖的變形、應(yīng)變特征和承載力，得到錨碇圍巖（長(zhǎng)期）穩(wěn)定安全系數(shù)，為采用綜合分析方法進(jìn)一步研究和評(píng)價(jià)實(shí)體錨與圍巖變形機(jī)制、承載能力和安全性提供試驗(yàn)依據(jù)1項(xiàng)目總結(jié)1.1甘鹽井村周邊—橋梁及錨碇簡(jiǎn)述金東大橋跨越金沙江，路線起于四川省會(huì)東縣野牛坪鄉(xiāng)甘鹽井村附近，終于云南省昆明市東川區(qū)格勒村象鼻嶺大拐彎處。橋梁總長(zhǎng)914.1m，采用730m單跨簡(jiǎn)支加勁鋼桁梁懸索橋，設(shè)計(jì)單纜荷載為1.2×101.2地質(zhì)條件左岸錨碇區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，地層為前震旦系會(huì)理群通安組（Pt1.3含碳質(zhì)細(xì)胞質(zhì)區(qū)實(shí)體錨左錨體段巖性為灰色石英絹云母千枚巖夾變質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)白云巖夾黑云母石英片巖，局部夾黑色碳質(zhì)千枚巖，薄層—中厚層狀，多弱風(fēng)化，局部強(qiáng)風(fēng)化，裂隙發(fā)育，破碎，洞壁潮濕，滲滴水。主要裂隙有3組，產(chǎn)狀N30°E,SE∠40°，間距50～80m；產(chǎn)狀N20°～30°W,NE∠70°～80°，間距20～30cm；產(chǎn)狀N80～90°W,NE∠60°～70°，間距30～40cm；裂隙面平直粗糙，微張—閉合，鐵錳質(zhì)渲染，平行斷續(xù)發(fā)育。實(shí)體錨右錨體段巖性依次為碳鈉長(zhǎng)石英白云母片巖、方解石黑云母變質(zhì)細(xì)砂巖、含碳白云母石英片巖和含碳鈉長(zhǎng)石英白云母片巖，裂隙發(fā)育，薄層—中厚層狀，破碎—較完整。主要有2組裂隙，產(chǎn)狀N30°E、SE∠40°，間距50～80cm為主；產(chǎn)狀N20～30°W,NE∠70°～80°，間距20～30cm；裂隙其他性狀同左錨洞。從錨體0+0—0+30m段右側(cè)貫穿至0+0—0+20m段左側(cè)的黑色碳質(zhì)片巖（含有6%～15%的碳質(zhì)），形成寬約4.0～4.3m的軟弱條帶，約占右錨體圍巖總面積的21%。局部洞段滲滴水—線狀出水。模型錨圍巖為灰黑色含榴黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖，主要有3組裂隙，多數(shù)閉合，少數(shù)微張—張開(kāi)，張開(kāi)度1～5mm，沿裂隙面有灰色、泥黃色銹蝕，干燥，多數(shù)無(wú)充填。左側(cè)巖體中厚層狀，較完整—較破碎，裂隙多閉合，間距5～50cm，沿裂隙面有灰色—泥黃色銹蝕；右側(cè)巖體呈薄層狀，較破碎—破碎，裂隙發(fā)育，多微張—張開(kāi)狀，破碎，層厚0.2～10cm，走向NW18°～NE74°、傾角∠74°～uf0d089°。模型錨左錨洞中后部有泥化夾層貫穿，緩傾角，厚度16～35cm，濕潤(rùn)軟塑；右邊墻貫穿一條水平縫，寬3～5cm，充填土。從表1可知，模型錨與實(shí)體錨圍巖雖然巖性不同，但巖石基本物理力學(xué)參數(shù)屬于同一量級(jí)且數(shù)值很接近。從圖1可以看出，實(shí)體錨底板巖體聲波速度集中范圍在1500～3000m/s占69.2%～71.8%，模型錨圍巖聲波速度在1500～2500m/s占82.4%，可見(jiàn)模型錨圍巖聲波速度較實(shí)體底板巖體的聲波速度低。實(shí)體錨主要洞段巖石屬于較堅(jiān)硬巖，巖體完整性系數(shù)為0.19～0.24，巖體破碎，為Ⅳ級(jí)巖體。實(shí)體錨右錨塞體0+00—0+30m段有含碳質(zhì)片巖，屬較軟巖，巖體完整性系數(shù)0.24，巖體破碎，為Ⅴ級(jí)巖體。模型錨圍巖完整性系數(shù)為0.24，巖體破碎，為Ⅳ級(jí)巖體。1.4碳質(zhì)巖體模型錨巖體表1中巖性表明實(shí)體錨巖石主要由硅酸鹽類礦物構(gòu)成，模型錨巖石為硅酸鹽類、無(wú)碳質(zhì)，與實(shí)體錨左錨洞散索鞍基礎(chǔ)巖性接近。因碳質(zhì)與硅酸鹽類礦物性狀差別較大，硅酸鹽類礦物構(gòu)成的巖體與含碳質(zhì)的巖體為實(shí)體錨的兩類不同巖體，模型錨巖體性狀與前者相似且接近。模型錨與實(shí)體錨巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)相近，巖體均為較堅(jiān)硬巖，弱風(fēng)化，薄—中厚層狀，裂隙發(fā)育，巖體破碎，為Ⅳ級(jí)巖體。但實(shí)體錨右錨洞夾碳鈉長(zhǎng)石英白云母片巖、含碳白云母石英片巖，而模型錨左錨洞含泥化夾層，均為較軟巖，破碎—極破碎，為Ⅴ級(jí)巖體?？梢?jiàn)，模型錨與實(shí)體錨圍巖的巖性、風(fēng)化、完整性、巖體結(jié)構(gòu)、巖體基本質(zhì)量級(jí)別等關(guān)鍵性質(zhì)、指標(biāo)基本接近或相同，且模型錨巖體聲波波速低于實(shí)體錨巖體聲波波速，相似模型滿足材料性質(zhì)相似原理的要求，因此模型錨地層具有較好的地質(zhì)代表性。2模型的生產(chǎn)和試驗(yàn)2.1模型設(shè)計(jì)和布置綜合考慮隧道錨設(shè)計(jì)荷載、巖體性狀、千斤頂出力大小、安裝條件等，模型相似比定為1∶11，錨體長(zhǎng)363.6cm，錨體中心線間距197.3cm，橫斷面為城門(mén)洞形，前錨面高91cm、底寬為73cm，后錨面高和底寬均為127cm，錨體中心線傾角uf0d035°。模型設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。模型布置在與實(shí)體錨圍巖性狀相近、距實(shí)體錨約100m的上游側(cè)山體邊坡內(nèi)。采用連環(huán)孔切割模型錨洞周邊巖體、爆破中間巖體的方式開(kāi)挖錨洞，如圖3所示。單個(gè)模型洞底部安裝8臺(tái)3200kN的千斤頂，預(yù)埋油路和穿線管，安裝3層直徑(37)16的螺紋鋼筋籠，預(yù)埋測(cè)點(diǎn)，澆筑C40混凝土，制成模型錨體。2.2錨固體變形測(cè)點(diǎn)布置采用錨體監(jiān)測(cè)與巖體監(jiān)測(cè)相結(jié)合、巖體內(nèi)部變形與表面變形監(jiān)測(cè)相結(jié)合和變形監(jiān)測(cè)與應(yīng)變監(jiān)測(cè)相結(jié)合方式，測(cè)得各級(jí)荷載作用下錨體與圍巖變形、應(yīng)變、位錯(cuò)和巖體表面裂縫張合度。在模型區(qū)布置了橫向6條測(cè)線、縱向13條測(cè)線共86個(gè)測(cè)點(diǎn)。錨體與圍巖內(nèi)部變形測(cè)點(diǎn)用測(cè)桿引出到孔口，用安裝在基準(zhǔn)梁上的千分表測(cè)量變形；應(yīng)變計(jì)安裝在錨體內(nèi)部中縱軸線上和靠近圍巖的拱頂、側(cè)墻；位錯(cuò)計(jì)安裝在錨體與圍巖接觸面之間；測(cè)縫計(jì)安裝在圍巖的前表面。變形測(cè)點(diǎn)K,ZM,YM，應(yīng)變計(jì)YB，位錯(cuò)計(jì)WC，測(cè)縫計(jì)CF。監(jiān)測(cè)布置見(jiàn)圖4,5。2.3錨體拉拔試驗(yàn)荷載設(shè)計(jì)模型錨試驗(yàn)加載采用后推法。在模型錨洞后錨室澆筑鋼筋混凝土后座，安裝鋼板和千斤頂，通過(guò)在錨體后部施加荷載，以模擬主纜拉拔力作用。根據(jù)模型試驗(yàn)相似原理，1倍設(shè)計(jì)荷載(1p)為2×120MN/11試驗(yàn)順序?yàn)椋涸O(shè)計(jì)荷載試驗(yàn)—超載試驗(yàn)—蠕變?cè)囼?yàn)—千斤頂滿荷載的超載試驗(yàn)。每級(jí)加載前后進(jìn)行人工讀數(shù)和儀器自動(dòng)采集數(shù)據(jù)。3試驗(yàn)結(jié)果與負(fù)荷能力的分析3.1錨固體混凝土變形通過(guò)在模型錨體混凝土中不同深度處預(yù)埋應(yīng)變計(jì)，獲得各級(jí)荷載作用下的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變，得到混凝土應(yīng)變分布特征、荷載經(jīng)錨體向圍巖傳遞的規(guī)律。由圖6～8可知，1p～8p荷載試驗(yàn)錨體混凝土應(yīng)變的線性規(guī)律較好，隨著荷載的增加，錨體后部應(yīng)變大于前部應(yīng)變，越接近后錨面應(yīng)變?cè)酱?。同一橫向測(cè)線上，錨體合力線上測(cè)點(diǎn)應(yīng)變最大，拱頂測(cè)點(diǎn)應(yīng)變較大，邊墻測(cè)點(diǎn)應(yīng)變最小。錨體混凝土是荷載傳遞的載體，荷載作用在后端部，混凝土內(nèi)部應(yīng)變主要產(chǎn)生在中后部，隨著荷載增大，應(yīng)力逐漸向錨體前部擴(kuò)散，因巖體“夾持效應(yīng)”作用應(yīng)力衰減很快。當(dāng)荷載達(dá)8p時(shí)，左錨體YB4,YB5,YB6測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分別為-6.80μuf065，-50.91μuf065，-60.93μuf065，距后錨面最遠(yuǎn)處的應(yīng)變不及最近處應(yīng)變的12%。YB16測(cè)點(diǎn)安裝后因振搗混凝土使其軸線與錨體合力線夾角增大，3205.8kN荷載時(shí)應(yīng)變由壓應(yīng)變向拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變。當(dāng)荷載達(dá)到24.59p時(shí)，靠近后錨面YB13測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)變?yōu)?354μuf065，鋼筋混凝土的變形模量按照40GPa估計(jì)（錨體混凝土實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值為49.4MPa），該部位的應(yīng)力約為14MPa，與后錨面上千斤頂?shù)膲毫s為16.8MPa相當(dāng)。受力錨體混凝土向洞口方向產(chǎn)生位移和壓縮，因錨體為前小后大的城門(mén)洞形的楔形體，錨體向前變形并向接觸圍巖施壓而產(chǎn)生圍巖抗力，圍巖變形和抗力隨荷載增加而增加，錨體與圍巖接觸面的摩擦力也隨之增大，圍巖抗力、摩擦力和錨體自重在拉力方向上的分量之和與千斤頂施加的荷載相平衡，而錨體靠近后錨面的應(yīng)變遠(yuǎn)大于前部，當(dāng)荷載達(dá)到24.59p時(shí)錨體前部應(yīng)變不足后部應(yīng)變的10%，從而揭示了夾持效應(yīng)帶來(lái)的巨大承載能力的內(nèi)在力學(xué)機(jī)制。3.2錨固體變形發(fā)展特征1p～8p荷載試驗(yàn)測(cè)線變形曲線見(jiàn)圖9，典型測(cè)點(diǎn)荷載–變形曲線見(jiàn)圖10,11，各測(cè)點(diǎn)變形最大值見(jiàn)表2，殘余變形見(jiàn)表3,4。24.59p荷載試驗(yàn)典型測(cè)點(diǎn)荷載–變形曲線見(jiàn)圖12。由圖10,11和表2～4可知：(1）錨體與圍巖變形具有對(duì)稱性，呈雙峰形；同級(jí)荷載試驗(yàn)同一橫向測(cè)線上錨體變形大于圍巖變形，兩側(cè)圍巖變形隨錨體徑向距離增大而逐漸減小，呈駝峰狀。總體上，左側(cè)圍巖變形大于右側(cè)。(2)1p荷載試驗(yàn)左錨體ZM1測(cè)點(diǎn)變形最大（53.5μm），右錨體YM1次之，后部L5測(cè)線上變形最??；3p～8p荷載試驗(yàn)L0測(cè)線上K1、ZM1、YM1、K2測(cè)點(diǎn)較其他測(cè)線小；1p荷載試驗(yàn)K0孔底部測(cè)點(diǎn)變形最小，其他測(cè)點(diǎn)變形接近，而每級(jí)荷載試驗(yàn)K0孔4個(gè)測(cè)點(diǎn)變形值較接近，不排除中隔墻底部巖體產(chǎn)生拉應(yīng)變的可能。(3）錨體左側(cè)圍巖變形大于右側(cè)，與巖體結(jié)構(gòu)有關(guān)。左側(cè)巖體有軟弱夾層，巖體聲波測(cè)值偏低（左側(cè)K3—K7孔巖體聲波單孔平均值2057～2497m/s，低于右側(cè)K4—K8孔巖體聲波單孔平均值2105～2606m/s），與巖體變形相對(duì)應(yīng)。(4）左錨后部左側(cè)WC3測(cè)點(diǎn)、右錨前部右側(cè)WC7測(cè)點(diǎn)最大值范圍2.31～18.96μm，殘余量1.58～6.30μm，說(shuō)明錨體與圍巖接觸緊密，協(xié)同變形；CF1和CF4測(cè)點(diǎn)裂縫張合無(wú)變化，左錨洞口左上裂縫L10、中隔墻裂隙L12張開(kāi)度隨荷載增大而擴(kuò)大，退壓后多不能閉合。(5)1p荷載試驗(yàn)錨體與圍巖殘余變形大于3p～5p，但小于8p荷載殘余變形，3p～8p荷載殘余變形逐漸增大，錨體、中隔墻和近錨體圍巖殘余變形量相當(dāng)，但較錨體遠(yuǎn)側(cè)圍巖殘余變形量大，說(shuō)明1p～3p荷載下圍巖多處于壓密階段。(6)1p～3p荷載試驗(yàn)實(shí)測(cè)K13,K14測(cè)點(diǎn)無(wú)測(cè)值，得出3p荷載下圍巖前表面水平橫向變形區(qū)長(zhǎng)度約為錨體后錨面至洞口長(zhǎng)度425cm的2.35倍，相應(yīng)的應(yīng)力擴(kuò)散角約為uf0d038°。(7)1p～8p荷載試驗(yàn)圍巖測(cè)點(diǎn)的荷載P–W變形曲線呈近似直線，均沒(méi)有屈服拐點(diǎn)，說(shuō)明巖體處于近似彈性變形階段；24.59p荷載試驗(yàn)圍巖測(cè)點(diǎn)的荷載P–W位移曲線呈近似直線，沒(méi)出現(xiàn)明顯的屈服拐點(diǎn)。3.3圍巖變形規(guī)律每級(jí)荷載蠕變?cè)囼?yàn)穩(wěn)壓時(shí)間達(dá)15d，得到各測(cè)點(diǎn)變形（應(yīng)變）–時(shí)間曲線，見(jiàn)圖12,13。由圖可知，前三級(jí)荷載下變形幅度較小，各級(jí)荷載蠕變?cè)囼?yàn)前期測(cè)點(diǎn)變形持續(xù)增大，之后測(cè)點(diǎn)變形逐漸趨于穩(wěn)定，各測(cè)點(diǎn)變形的趨勢(shì)線大致平直，無(wú)明顯增大趨勢(shì)。各級(jí)荷載下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變基本無(wú)變化或變化在很小幅度內(nèi)，應(yīng)變隨荷載級(jí)別的增大而增大，應(yīng)變隨測(cè)點(diǎn)埋深增大，規(guī)律性較好。6p荷載蠕變?cè)囼?yàn)，錨體與圍巖測(cè)點(diǎn)變形、錨體應(yīng)變曲線變幅不大，變形趨勢(shì)線近似平直收斂，殘余變形35～120μm，為測(cè)點(diǎn)最大變形的9.1%～27.3%。WC3,WC7測(cè)點(diǎn)位錯(cuò)值為15,4μm，小于對(duì)應(yīng)錨體30cm長(zhǎng)混凝土壓縮變形18.3,5.3μm。CF3測(cè)點(diǎn)裂縫最大張開(kāi)度22μm，殘余值7.3μm。在每級(jí)荷載作用下超過(guò)15d的蠕變?cè)囼?yàn)，對(duì)于較堅(jiān)硬巖在彈性范圍內(nèi)蠕變一般較輕微波動(dòng)，因錨體圍巖的完整性差，波動(dòng)呈齒狀，反映了較堅(jiān)硬的破碎巖體的變形特征，圍巖變形基本收斂穩(wěn)定；錨體與圍巖之間發(fā)生極微小位錯(cuò)，巖體表面縫隙張開(kāi)度微小。4要結(jié)論及建議金東大橋隧道錨建造在復(fù)雜巖體地層中，在隧道錨上游邊坡開(kāi)挖試驗(yàn)平洞，制作相似比為1∶11的隧道錨模型，采用后推法加載進(jìn)行模型試驗(yàn)，初步獲得了模型錨與圍巖的荷載傳遞、變形規(guī)律和承載力，為深入分析、評(píng)價(jià)實(shí)體錨與圍巖的變形機(jī)制、承載能力和安全性提供試驗(yàn)依據(jù)。主要結(jié)論及建議如下：(1）模型錨與實(shí)體錨圍巖的巖性、巖體結(jié)構(gòu)、巖石基本物理力學(xué)指標(biāo)接近，巖體風(fēng)化、完整性和巖體基本質(zhì)量級(jí)別相同，實(shí)體錨底板巖體聲波速度略高于模型錨圍巖，因此模型錨地層具有較好的地質(zhì)代表