两种不同材质抗浮锚杆锚固性能的现场对比试验研究与机理分析

为深入研究中风化花岗岩中以全螺纹GFRP筋材为杆体的全长黏结抗浮锚杆锚固机理及破坏机制,进行了螺纹GFRP抗浮锚杆与螺纹钢抗浮锚杆现场拉拔试验。试验结果表明,GFRP抗浮锚杆的极限抗拔承载力高于钢筋抗浮锚杆;相同荷载水平,相同位置处GFRP锚杆的轴力大于钢筋锚杆,钢筋锚杆轴力沿深度衰减的速率比GFRP锚杆快;GFRP锚杆剪应力峰值点较钢筋锚杆更明显,钢筋锚杆的剪应力比GFRP锚杆发挥早,GFRP锚杆的峰值剪应力比钢筋锚杆大;就砂浆与围岩界面的平均黏结强度而言,GFRP抗浮锚杆高于钢筋抗浮锚杆;GFRP抗浮锚杆以杆体材料剪切破坏为主,而螺纹钢锚杆的破坏是锚固体与围岩界面产生剪切滑移破坏。     

考虑锚固体不均匀及杆体脱黏效应的GFRP抗浮锚杆杆体荷载分布函数

基于荷载传递理论及Kelvin位移解,推导得出理想条件下GFRP抗浮锚杆杆体与锚固体的剪应力、轴力沿锚固深度的分布函数,并通过对2根同型号GFRP抗浮锚杆的拉拔试验进行验证。试验结果表明:试验锚杆杆体轴力及剪应力分布曲线与理论值形式相似,证明提出理论方法应用于求解GFRP锚杆杆体荷载分布函数的可行性。但由于锚固体成型后的不均匀性及杆体的脱黏效应,导致试验剪应力值低于理论值且实际曲线主要分布范围较深,同时造成轴力下降较慢,消失深度较深的现象。通过固定脱黏长度下的平均剪应力衰减法及下移弹性段起点的方法对理想条件下的杆体剪应力分布函数进行修正,并利用杆体轴力分布与剪应力分布之间的函数关系,对理想条件下的轴力分布函数进行修正,修正后剪应力及轴力分布曲线精度大大提高。     

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。     

全长黏结GFRP抗浮锚杆界面剪切特性试验研究

针对在中风化花岗岩中不同直径、不同锚固长度的钢筋和GFRP抗浮锚杆,依托现场拉拔破坏性试验,首次利用三重光纤光栅传感器串同步测得GFRP抗浮锚杆杆体、灌浆体中央和第二界面(灌浆体与岩体界面)轴向应力、剪应力分布形式,并借助改进的位移测试装置获取了锚杆杆体和灌浆体的相对滑移量,研究GFRP抗浮锚杆的多界面剪切特性。结果表明:GFRP抗浮锚杆体系协同作用较钢筋抗浮锚杆效果较好,直径28 mm、锚固长度4.5 m的GFRP抗浮锚杆极限承载力达400 k N,上拔量小,能够满足工程需要。GFRP抗浮锚杆灌浆体最大轴向应力仅为1 200~1 800 k Pa,有效作用长度为1.5~1.8 m,且存在极大轴力衰减段;最大剪应力为160~260 k Pa,有效作用长度为1.8 m左右,应力集中明显。第二界面最大轴向应力值仅为灌浆体内1/6,也存在极大轴力衰减段,且有向下移动的趋势;最大剪应力值为灌浆体内1/3,有效作用长度在1.2 m左右。试验结果揭示了GFRP抗浮锚杆的力学传递机制,进一步明确了锚杆杆体与灌浆体之间的锚固特性和黏结性能。     

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。     

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。     

中风化砂页岩中抗浮锚杆极限抗拔力和有效锚固长度的研究

为了探究辽宁西部地区抗浮锚杆的极限抗拔力和有效锚固长度的取值,以辽宁阜新玉龙时代广场抗浮锚杆为工程背景,对抗浮锚杆进行现场抗拔试验,通过6根抗浮锚杆在连续荷载作用下的破坏性抗拔试验,测试锚杆杆体的抗拔力,并进一步利用公式推算锚杆轴力和剪应力,并绘制出锚固深度与轴力、剪应力的变化曲线。分析结果表明,注浆体与锚杆杆体间的轴力、剪应力分布是不均匀的,自孔口到杆底端呈逐渐递减的分布模式;当锚杆杆体的内力(轴力和剪应力)达到某一临界值时,锚杆杆体变形由弹性变化为塑性,这一临界值接近于杆体的极限抗拔承载力,锚杆抗拔时并非全长同时受力,而是分阶段受力;经分析此项目中抗浮锚杆极限抗拔力为270～330kN,抗浮锚杆的有效锚固长度约3. 6m,可为辽宁西部地区的中风化砂页岩中抗浮锚杆的使用提供参考依据。     

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。     

GFRP抗浮锚杆在混凝土底板中荷载传递机制的数值模拟

采用Abaqus模拟浮力作用下GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)抗浮锚杆在基础底板中的受力性能.考虑到GFRP锚杆与混凝土的界面接触,应用Cohesive单元模拟锚杆-混凝土界面,建立空间轴对称有限元模型,并以试验结果为基础进一步分析锚固性能,为外锚固方法的改进提供参考.研究结论包括:零厚度的Cohesive单元模拟界面的黏结滑移,获得荷载-滑移曲线;锚杆轴向应力服从负指数分布;当荷载较小时,剪应力服从负指数分布,随着荷载增加,剪应力峰值向远加载端一侧转移.     

Pullout performance of GFRP anti-floating anchor in weathered soil

Anchors are often used as anti-floating reinforcements in civil engineering structures. However, conventional steel bars present disadvantages concerning corrosion and poor adaptability to aggressive environments. Glass fiber-reinforced polymer (GFRP) components could provide a solution to these problems. In this paper the feasibility of GFRP anti-floating anchors is evaluated. Four full scale pullout tests were performed in moderately decomposed granite (MDG). Bare Fiber Bragg grating (FBG) sensors were embedded into the specimens during the pultrusion process to monitor the stress–strain distribution along their lengths. Based on the results the behavior of the anchors was assessed, including the relationships between the pullout force and the head displacement, the axial strain along anchors and the shear stress at the GFRP-grout interface. The stress distribution of anchors showing interlaminar shear failure was then analyzed based on a maximum shear stress criterion. It was proved that the load transfer mechanism of GFRP and steel anti-floating anchors differs significantly. GFRP anti-floating anchors reach failure due to interlaminar shear failure, while conventional steel anchors generally fail as a result of shear at the grout–soil interface. The test results also showed that the embedded FBG technique is reliable for monitoring the stress–strain state of an anisotropic material.     

中风化花岗岩中抗浮锚杆的试验研究

 抗浮锚杆已经在我国许多地区得到广泛应用。但是不同规范推荐采用的锚杆设计参数变化范围较大,并且未考虑不同地区岩石的差异性,实际应用中不利于设计参数的选取。在青岛大剧院工程场地上对设置测力元件的抗浮锚杆进行破坏性拉拔试验,重点测试锚杆杆体的轴力、杆体与注浆体之间的剪应力变化规律,结果显示内力沿锚杆长度不均匀分布并且超过一定长度后不再受力,进而确定出该地区中风化花岗岩中抗浮锚杆的极限抗拔力和有效的锚固段长度,为抗浮锚杆设计、施工提供了依据。     

基于能量原理的压力型锚杆数值模拟计算

根据能量原理,推导了压力型锚杆的轴力与位移计算式。其中锚固体与周围土层的黏结力计算采用弹塑性剪切位移模型,并考虑因位移过大而发生土层卸荷的情况。提出了最小势能原理在压力型锚杆问题中的应用方法,并给出了能量方程的程序求解流程。最后通过算例分析了压力型锚杆在各级荷载下的轴力、位移以及剪应力分布情况,进一步讨论了压力型锚杆的荷载–位移曲线,计算了压力型锚杆极限锚固长度。得出的结论：①压力型锚杆在大部分荷载下都处于弹性工作阶段,一旦进入塑性状态,就表明即将达到承载力极限;②考虑土层卸荷情况的锚固体能量传递理论可以解释压力型锚杆极限锚固长度的存在。     

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。     

不同类型预应力锚索锚固性能现场试验对比研究

 在对锚索锚固段剪应力分布模式进行弹塑性理论分析的基础上,开展拉力集中型、拉力分散型、压力分散型锚索的现场破坏性试验,对3类锚索的剪应力分布特征、承载能力、荷载–位移曲线进行对比分析,结果表明：在弹性状态下,3类锚索锚固体上的峰值剪应力均出现在集中力作用点近端0.5 m范围内,且随着荷载增加而增大;进入塑性状态后,上述0.5 m范围最先出现脱黏滑移,峰值剪应力逐渐向锚固体中部转移,脱黏段的残余剪应力约为峰值的1/3;由于拉力分散型锚索的剪应力分布更加均匀、有效锚固段长度更长,其承载能力相比拉力集中型提高31.1%;压力分散型锚索锚固体由于受压产生径向膨胀,其与土体之间的黏结强度增大,因而承载能力比拉力分散型提高17.7%;从荷载–位移曲线来看,压力分散型锚索具有更好的位移延性和抗变形能力,在土体锚固中优势明显。     

新型拉压复合型锚杆锚固性能研究Ⅲ：现场试验

针对传统拉力型锚杆存在受力集中、锚固体与岩土体界面黏结强度发挥不充分、抗拔承载力偏低的问题,研发了一种新型拉压复合型锚杆。通过开展现场破坏性试验,对拉力型锚杆及拉压复合型锚杆的承载能力、荷载位移曲线及应变数据进行分析,结果表明：3组拉压复合型锚杆TC12-3、TC11-1、TC21锚杆的平均破坏荷载分别提高至拉力型锚杆的2.81,2.01,2.52倍;拉压复合型锚杆套管内的拉力传递损失率最大为20.5%,在自由段内的拉力传递损失率最大仅为6.8%,拉力传递损失主要发生在承压锚固段上;TC12-3锚杆的受拉锚固段长度最短,单位受拉锚固段长度分担荷载最高;TC21-1锚杆的承压锚固段最短,单位承压锚固段长度分担荷载最高;锚杆破坏时,TC12-3、TC11-1、TC21-1锚杆的受拉承载系数分别为0.398,0.470,0.600;且TC11-1锚杆表现为承压锚固段与受拉锚固段同时破坏,TC12-3、TC21-1锚杆表现为先后破坏;拉压复合型锚杆锚固性能显著提高主要是由于荷载分解作用,界面剪应力双向传递机制及短锚承载效应;从荷载位移曲线来看,拉压复合型锚杆具有较好的抗变形能力,在岩土锚固工程中,具有显著的优势和广阔的应用前景。     

土层锚杆拉拔界面松动破坏分析

根据界面黏滑本构模型假定和剪切位移法基本原理,推导了土层锚杆拉拔临界松动荷载理论公式和锚杆拉拔荷载与松动长度内在关系表达式。界面黏滑特性致使锚杆剪应力重新分配,引起荷载进一步往里端传递,加剧里端锚固体损伤劣化。依据界面抗剪强度与残余强度之间大小关系将土层锚杆拉拔松动破坏类型划分为渐进式和突发式两种形式,并给出了破坏类型定量判别标准及其所对应的锚杆拉拔极限荷载理论解。最后,结合已有的锚杆拉拔试验资料,通过计算对比分析,验证了方法的可行性。     

锚固段侧阻力分布的一维滑移-软化半数值分析

工程实际表明，预应力锚索（拉力型）锚固段侧阻力的沿程分布多呈单峰上凸曲线，而较多解析推导及半数值分析采用锚固体与孔壁界面的严格全程黏结假设，其计算结果难以解释这一现象。对此，以岩土介质的半无限弹性体假设为基础建立一维力学模型，利用半无限体Mindlin问题的位移解析解，以半数值法求得岩土体与锚固体的孔壁界面位移差值。通过引入侧阻力与位移差值的滑移-软化模型关系，对锚索锚固段的侧阻力分布进行半数值求解探索和算例讨论。相对于锚固段严格全程黏结假设，考虑孔壁界面侧阻力滑移-软化特性更符合实际情况，在张拉力作用下，锚固段始端一定范围的滑移使该区段侧阻力降低，应力向深处转移调整，从而形成侧阻力分布的单峰曲线。     

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。