不同围岩条件玻璃纤维增强塑料锚杆结构破坏机制现场试验研究

锚杆支护方法在岩体加固工程中应用较为广泛,锚杆作为支护结构的核心应具有足够的安全度和耐久性.由于钢材易腐蚀,钢锚杆的耐久性受到极大的关注.玻璃纤维增强塑料(GFRP)锚杆是一种由树脂和玻璃纤维复合而成的新型加固材料,与钢筋锚杆相比,它具有较好的力学性能和耐腐蚀性能.通过现场原型试验,系统分析了不同围岩环境和受力条件下GFRP锚杆的抗拉特性,论证GFRP锚杆使用的适宜性,为GFRP锚杆的推广应用提供了较充分的基础数据.根据现场锚杆结构拉拔破坏性试验,研究了GFRP螺纹锚杆破坏机制和应力应变规律,为GFRP锚杆的工程应用提供了理论依据.试验结果表明,GFRP锚杆结构破坏形式有3种:杆体自由段脆性劈裂破坏、锚杆和砂浆界面剪切破坏及砂浆和围岩界面剪切破坏;GFRP锚杆的锚固机制因围岩风化程度不同而异;锚杆应力应变在锚固体内的传递深度随围岩风化程度的增加而增加;围岩风化程度越高,围岩和砂浆接触面强度较低,随着荷载的增加,围岩和砂浆界面出现剪切滑移破坏.     

侵蚀环境下预应力GFRP锚杆结构应力松弛特征

钢筋锚杆的腐蚀问题是锚固结构工程的安全隐患,GFRP锚杆因其耐腐蚀、高强度成为解决途径之一。为研究GFRP锚杆结构的耐久性,研发FRP筋锚杆结构应力松弛实验装置,利用该装置对侵蚀环境与荷载交叉下预应力GFRP锚杆结构应力松弛特征开展研究,进行3组不同侵蚀环境和荷载的实验,获得锚杆结构应力及杆体应变时程曲线,据此分析侵蚀环境与荷载对预应力GFRP锚杆结构应力松的影响。研究结果表明,FRP筋锚杆结构应力松弛实验装置可以设置环境影响条件,实现侵蚀环境与荷载条件叠加。GFRP锚杆结构应力松弛受环境和应力交叉影响,环境的影响较应力大,应力松弛绝大部分发生在加载后早期。GFRP锚杆结构应力松弛主要来源于锚固段黏结蜕化,部分来源于杆体弹性模量蜕化。相比于碱性环境,蒸馏水环境中锚杆体界面黏结状态蜕化速率更大。在溶液长期侵蚀作用下,通过黏贴耦合的光栅传感器与GFRP筋杆体变形同步性难以保证。     

GFRP与钢筋抗浮锚杆承载特性试验研究

为深入了解GFRP锚杆的锚固特性,研究了GFRP抗浮锚杆代替传统钢筋锚杆用于地铁抗浮工程的可行性,以解决地铁抗浮中杂散电流对金属锚杆的锈蚀,满足永久性抗浮的要求。本课题组在前期对钢筋锚杆通过粘贴应变片进行杆体应力测试的基础上,又对植入光纤光栅传感器的GFRP锚杆进行现场拉拔试验,进一步研究GFRP锚杆的锚固机理与杆体应力分布。对比分析了钢筋锚杆与GFRP锚杆的破坏形态和杆体轴向应力与黏结应力分布规律的异同。分析认为:GFRP抗浮锚杆的破坏形态与钢筋锚杆有所不同,二者的轴力与剪应力的总体分布规律相似,但轴力和剪应力沿锚固深度的衰减速率和同级别荷载下相同深度处的应力水平有所差异;GFRP抗浮锚杆的锚固承载力可达到钢筋抗浮锚杆的水平且锚头位移可满足工程要求。     

GFRP抗浮锚杆界面黏结性能现场试验

基于光纤光栅传感测试技术,通过对GFRP筋和钢筋抗浮锚杆现场拉拔破坏性试验,分析GFRP抗浮锚杆锚筋–灌浆体界面、浆–岩界面黏结特性,揭示锚固长度、锚筋材质、锚筋直径等因素对2种材质抗浮锚杆锚筋–灌浆体界面、浆–岩界面黏结强度的影响规律。结果表明：(1) GFRP筋和钢筋抗浮锚杆的破坏形式主要为拔断破坏和剪切滑移破坏;锚固长度为4.5,6.5 m的GFRP抗浮锚杆破坏荷载分别是同规格钢筋抗浮锚杆的1.21和1.13倍;GFRP抗浮锚杆锚筋–灌浆体界面的平均黏结强度高于钢筋锚杆,在0.99～1.03MPa范围;锚固长度是影响抗浮锚杆锚筋–灌浆体界面黏结强度的最重要因素。(2) GFRP抗浮锚杆浆–岩界面轴向应力在孔口处最大,随深度增加而降低;浆–岩界面剪应力呈先增大后减小趋势,在锚固深度约0.5m处剪应力达到峰值;通过对比不同材质、不同型号的抗浮锚杆发现,钢筋抗浮锚杆浆–岩界面黏结性能略高于GFRP抗浮锚杆,且随锚筋直径增大而提高。(3) GFRP抗浮锚杆锚筋、灌浆体与岩土体三者之间协同作用效果高于钢筋抗浮锚杆。     

全螺纹GFRP黏结型锚杆锚固性能试验研究

 通过全螺纹GFRP锚杆的改进拉拔试验,测试与分析全螺纹GFRP锚杆在锚固工程中与岩体的黏结性能,并推导出GFRP锚杆的锚固承载力设计公式,给出GFRP锚杆锚固设计各参数的确定方法,以便于全螺纹GFRP锚杆在工程中的应用。试验测试项目包括砂浆强度、锚固长度、锚杆直径等对于全螺纹GFRP锚杆锚固力的影响,以及GFRP锚杆杆体黏结应力分布。测试发现：锚固力随砂浆强度、锚固长度、锚杆直径的增大而增大;黏结强度则随砂浆强度等级增大,但随锚固长度和锚杆直径的增大而减小。分析认为：采用全螺纹GFRP锚杆进行工程锚固时,全螺纹GFRP锚杆的直径可取12～32 mm,锚固长度应大于20倍的锚杆直径,锚固砂浆的强度等级为M15以上。     

砂岩石窟微小型柔性锚杆锚固性能研究

针对石窟顶板文化信息丰富、变形突出和对扰动敏感度高的特点，采用扰动小、隐蔽性高的微小型柔性锚杆，能够满足锚固系统柔性变形和塑性状态极强的抗拉能力。为揭示砂岩石窟平顶窟顶板岩体微小型锚杆锚固技术的有效性和科学性，评价不同系列锚杆在不同工况下的锚固性能，选择直径8 mm的GFRP锚杆和NPR锚杆，植入不同孔径，在杆体–浆体界面布设应变片，采用循环加载模式开展现场拉拔试验。研究发现微小直径GFRP锚杆和NPR锚杆具有良好的锚固性能和界面变形协调性，GFRP锚杆具有更好的延展性和抗剪性，锚孔直径与锚杆直径之比为2～2.25倍时锚固效果最佳，研究成果为微小型柔性锚杆在砂岩石窟顶板岩体加固工程中的应用提供了依据和参考。     

钢筋及GFRP筋锚杆与框架梁连接方式研究

锚杆与框架梁的连接方式影响加固效果和工艺流程。GFRP筋锚杆以其耐腐蚀、高强度特性成为钢筋锚杆腐蚀问题解决途径之一,GFRP筋锚杆与框架梁的有效连接方式是需要研究的问题。通过钢筋折杆、钢筋直杆及GFRP筋直杆的框架梁锚固模型试验,研究钢筋和GFRP筋锚杆框架梁锚固效果的差异。研究结果表明,为施加预应力而研制的锁定装置能够实现FRP筋的预应力张拉和锁定,工作状态稳定,拆装方便操作简单;钢筋折杆的框架梁锚固效果明显优于钢筋直杆锚固形式,相同厚度梁体下,折杆框架梁锚固结构能承担更高的荷载;钢筋直杆与GFRP筋直杆的框架梁锚固效果相近;以GFRP筋直杆等体积取代钢筋锚杆时,按照钢筋弯折锚固形式设计的框架梁厚度不能直接用于GFRP筋锚杆锚固,须根据直杆锚固试验确定框架梁厚度。     

引江济淮软岩钢筋、GFRP筋锚杆承载差异试验

引江济淮试验工程采用锚杆加固河道软岩边坡。通过对钢筋、玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋锚杆实施现场拉拔试验以及锁定观测试验,研究钢筋和GFRP筋锚固性能差异。研究结果表明,试验软岩边坡下,GFRP筋锚杆承担的极限荷载大于钢筋锚杆,具有更高的界面黏结强度,GFRP筋锚杆为杆体拉断破坏,钢筋锚杆为杆体拔出破坏;GFRP筋锚杆的有效锚固长度小于钢筋锚杆,GFRP筋杆体轴力沿深度衰减速率大于钢筋锚杆,GFRP筋锚杆与胶结体具有更好的变形协调性;GFRP筋锚杆的预应力衰减率小于钢筋锚杆,锚杆预应力衰减缘自于界面黏结蜕化,围岩扰动对锚杆预应力衰减有直接影响;GFRP筋锚杆的锚固性能优于钢筋锚杆,界面黏结状态出现蜕化的剪应力水平高于钢筋锚杆。     

玻璃纤维筋灌浆锚固件粘结锚固性能试验研究

为模拟GFRP锚杆在实际工况下GFRP筋与灰浆介质的粘结锚固性状,本文制作GFRP筋灌浆锚固件模型,并对灌浆锚固件模型进行拔出荷载试验,对GFRP筋与水泥灰浆间的粘结性能进行了试验研究。     

多次分段控制注浆斜向预应力钢锚管锚固机制研究

为了研究多次分段控制注浆斜向预应力钢锚管锚固机制,必须搞清楚多次分段控制注浆斜向预应力钢锚管的结构形式、加固作用机制、适用范围及设计计算方法,依托广州北三环高速公路K42边坡对不同自由段长度预应力钢锚管承载力试验,分析预应力钢锚管的有效锚固段长度,并与普通锚杆、普通钢锚管承载力对比,试验结果表明,在强风化花岗岩地层,多次分段控制注浆预应力钢锚管极限承载力与普通锚杆提高约50%,预应力钢锚管的有效锚固长度为6 m;通过Plaxis2D软件对预应力钢锚管锚固机制分析,分析结果表明,劈裂注浆技术对滑坡稳定性的改善并不显著,锚固与劈裂注浆技术共同作用对滑坡稳定性改善显著。现场试验及数值模拟结果对正确分析多次分段控制注浆斜向预应力钢锚管加固作用机制和工程设计应用具有一定的参考价值。     

GFRP抗浮锚杆在基础底板中的锚固性能现场试验研究

通过现场拉拔破坏性试验,测得不同直径的GFRP抗浮锚杆在基础底板内的极限承载力和滑移量,并与实际工程中不同形式的钢筋抗浮锚杆作比较,分析其承载性能和粘结特性。研究表明,在相同的混凝土强度与养护条件下,相同直径的GFRP抗浮锚杆的极限承载力、平均粘结强度与钢筋抗浮锚杆相比较高,且GFRP抗浮锚杆的变形能够满足实际工程需求,充分验证了GFRP材料用作抗浮锚杆的先进性与合理性。基于试验结果与理论分析,给出了GFRP抗浮锚杆与基础底板的最佳锚固面积,并提出了计算公式。     

大直径内置光纤光栅玻璃纤维增强聚合物锚杆梁杆黏结试验

 纤维增强聚合物筋是一种新型复合材料,具有优异的力学性能和耐腐蚀性能,用其替代钢筋用于边坡加固是解决锚杆耐久性问题的途径之一。采用内置光纤光栅的GFRP筋制作锚杆结构模型,用空心液压千斤顶施加拉拔荷载,用光栅传感技术监测杆体应变,研究大直径喷砂GFRP锚杆在框架梁锚固条件下的受力破坏机制。研究表明,本试验大直径25 mm GFRP锚杆在拉拔力、平均黏结强度方面均达到相同直径螺纹钢筋锚杆的设计指标,最合理的框架梁厚度为30～40 cm;瞬时荷载循环对GFRP锚杆界面黏结状态无明显影响;持续荷载作用下杆体界面的黏结状态会发生蜕化,随时间延续蜕化向深部扩展,荷载越大扩展深度越大,蜕化速度越快;光纤光栅监测技术是发现和观察锚杆界面黏结状态蜕化过程的有效手段。     

GFRP锚杆粘结特性研究

通过GFRP锚杆与水泥砂浆之间的粘结强度试验,研究了GFRP锚杆的锚固特性,采用理论分析方法研究了GFRP锚杆表面沿锚固长度方向的应力分布,获得了锚杆轴力和粘结应力沿杆长的分布规律,并采用数值模拟方法对结果进行了验证。     

砂固结内锚头预应力锚杆试验研究及应用

为将砂固结内锚头预应力锚杆推广应用到锚固工程中,在长江三峡工程砂石料场及湖南凤滩电站地下厂房开展应用试验研究。通过三峡工程砂石料场边坡12根φ32 mm高强材质锚杆现场试验研究,提出此类锚杆的设计方法和施工工艺,对其锚固的长期稳定性进行预应力监测。根据凤滩电站工程实际情况进行技术创新,研究出一种刚性封口的新型砂固结内锚头预应力锚杆,获得国家专利局授权发明专利。     

岩石GFRP抗浮锚杆承载性能室内试验与机理分析

基于4根岩石GFRP抗浮锚杆的室内足尺拉拔破坏性试验,探讨了风化岩地基中全长黏结GFRP抗浮锚杆的界面黏结特性和承载性能,揭示了GFRP锚杆的细观破坏机理。结果表明:GFRP抗浮锚杆发生拔出破坏,主要是由螺纹表面劣化所引起的剪胀破坏;直径25mm、灌浆体强度M30、锚固长度1.3和0.55m的GFRP抗浮锚杆的极限抗拔承载力分别为255、195kN,满足工程抗浮要求;GFRP抗浮锚杆杆体与灌浆体界面平均黏结强度介于2.41~5.10MPa之间,高于《岩土锚固与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)中钢锚杆与灌浆体的黏结强度推荐值。     

FRP筋锚杆锚具的有限元参数化设计

在岩土工程中通常采用锚固技术来提高岩土体自身的强度和稳定性。钢锚杆几乎应用于土木建筑领域的各个方面,并且应用领域日益扩大,然而由于其防腐性能差、自重大、运输安装困难等缺陷在一定程度上制约了它的应用,尤其是钢锚杆的腐蚀问题,不仅影响结构的耐久性,严重时还会出现重大工程事故。纤维增强塑料筋锚杆为锚固技术在岩土工程中的应用开辟了更为广阔的前景。针对施工中常用的钢套粘结式锚固系统,采用有限元软件ANSYS建立模型,分析了在正常使用状态下,锚固系统各组件之间界面上的应力分布,同时还对影响锚固性能的几个关键因素进行探讨,为此类锚固系统的设计、计算以及其它形式粘结型锚具的设计、分析、优化提供参考。     

玻璃纤维增强塑料锚杆杆体的力学性能研究

高性能的GFRP杆体是提高GFRP锚杆高性能的关键,GFRP杆体的力学性能指标是指导锚杆设计施工的重要参数。本文通过GFRP筋进行基本力学性能试验,测定了GFRP筋的极限抗拉强度、弹性模量、延伸率、应力-应变关系以及筋的抗剪强度,证实了GFRP筋可以代替钢筋应用在岩土锚固工程中。     

桩锚支护结构锚杆设计参数分析

以实际工程为背景,建立深基坑桩锚支护结构的三堆数值计算模型,分析不同锚杆设计参数(锚杆弹性模量、角度、锚固长度等)对桩锚支护结构位移、内力的影响及其随锚杆参数的变化规律,并对不同锚杆模量参数下基坑角部的空间效应进行探讨.结果表明,适当调整锚杆的相关设计参数以及合理利用基坑角部效应,可以有效减少桩锚支护结构的水平位移,达...     

岩土锚固工程的若干力学概念问题

我国当前某些岩土锚固工程存在力学概念模糊、设计施工方法不当,导致锚杆失效、工程失稳现象频频出现,工程坍塌破坏等事故也时有发生。通过对岩土锚固的典型工程及事故工程调查、理论分析和试验研究,研究显著影响锚固工程的稳定性与健康发展的若干力学概念问题,旨在为提高锚固工程的设计施工水平,改善锚固工程的安全性与经济性提供依据。主要研究结果为:(1)预应力锚杆(索)具有提供主动抗力、能将结构的拉力传至深部稳定地层等力学特征,凡抵抗倾倒、竖向位移、沿基础底面、地层剪切面破坏和洞室坍塌的结构锚固均应采用此类锚杆。(2)适应张拉控制应力要求的锚杆筋体截面,足够的自由段长度和能充分调动地层抗剪强度的锚固体形式是提高锚杆受拉承载力的基本要素。(3)压力分散型锚固体系显著改善了锚杆的荷载传递机制与防腐保护性能,具有良好的力学与化学稳定性。(4)施锚时机滞后是影响锚固工程稳定性的主要因素之一。及时施作低预应力(张拉)锚杆和发展预制的钢筋混凝土块件作锚杆的传力结构,可有效控制和避免施锚时机滞后现象。(5)为改善高应力低强度岩层中的大型洞室的稳定性,应全面采用低预应力锚杆作初期支护,严格控制高预应力锚杆施作滞后,提高锚杆拉力设计值与初始预应力值和加强围岩变形–锚杆抗力(刚度)相互作用失衡的调控力度。     

中风化岩地基中两种不同材质抗浮锚杆的承载性能和变形特性

为深入研究中风化岩中玻璃纤维增强材料(GFRP)抗浮锚杆的承载性能和变形特性,通过改进的位移测试装置记录了钢筋和GFRP两种不同材质抗浮锚杆发生破坏时杆体和锚固段的上拔量。结果表明:两种锚杆破坏形态为拔断破坏或滑移剪切破坏,承载力和变形均能够满足工程需求。研究结果充分验证了GFRP锚杆的先进性和合理性;得到了抗浮锚杆最佳锚固长度和承载力取值方法;提出了锚杆拉拔试验中增设杆体位移测试装置的建议。