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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

BFRP砂浆锚杆锚固黏结性能试验研究

通过6组BFRP砂浆锚杆拉拔试验,研究了BFRP砂浆锚杆的锚固黏结性能,分析了锚固长度、筋材直径、筋材表面特征对其黏结-滑移关系、锚杆杆体轴力分布、锚杆界面剪切应力分布的影响。结果表明：试验条件下水泥砂浆强度为27.49 MPa时,试件的破坏形态分为拔出破坏和劈裂破坏两类;锚固长度由5cm增加至10、15 cm时,黏结强度分别降低42.5%、67.78%;筋材直径由12.6 mm减至10、8 mm时,黏结强度分别增加20.61%、42.22%;与光面BFRP筋相比,黏砂BFRP筋黏结强度增加4.42%,峰值滑移量减少24.21%;锚杆杆体轴力自加载端沿杆体呈降低趋势,极限荷载时,杆体轴力均传递至锚固末端,BFRP砂浆锚杆有效锚固长度大于15 cm;锚杆界面剪切应力分布呈先上升后下降的单峰形式,峰值位置随荷载增加逐渐向锚固末端转移,同一荷载等级下,随锚固长度的增加,峰值应力越高。     

风化岩地基GFRP抗浮锚杆力学与变形特性现场试验

利用光纤光栅传感技术,对10根GFRP抗浮锚杆进行现场拉拔破坏性试验,研究了风化岩地基中GFRP抗浮锚杆的承载性能与变形特性。试验结果表明:发生滑移破坏的锚杆杆体、锚固体荷载-位移差曲线高于同型号发生断裂破坏的锚杆;锚固长度接近临界锚固长度的试验锚杆荷载-位移差曲线上升较平稳;增加杆体直径有助于提高锚杆承载能力、限制杆体位移并且降低杆体、锚固体的位移差。此外,杆体横截面轴应力沿锚固深度呈"反S型"分布,由孔口沿锚固深度方向递减;锚杆轴向界面剪应力沿锚固深度呈先增大后减小的趋势,且剪应力在锚固体内按斜向上方向由第一界面传递至第二界面。最后,利用剪应力分布简化模型求得杆体、锚固体位移差与发生滑移破坏的锚杆试验结果较为一致,可为GFRP锚杆的推广应用提供理论基础。     

GFRP锚杆结构预应力锁定装置研制与现场试验

纤维增强聚合物(FRP)筋耐腐蚀,抗拉强度高,弹性模量小,用于边坡加固锚杆结构是解决钢筋锚杆结构耐久性问题的途径之一,预应力FRP锚杆结构是合理型式。FRP筋抗剪强度低,钢筋锚杆施加预应力采用的刚性夹具不能用于FRP锚杆。基于端部封闭的钢套管充填膨胀剂锚固FRP筋法,设计了FRP锚杆预应力施加及锚索装置,并进行了现场试验。试验结果表明:预应力锁定装置的原理可行,结构合理,使用方便,能较好地完成玄武–玻璃纤维增强聚合物(B-GFRP)锚杆的预应力施加和锁定,经历外部环境变化检验,降雨、震动等环境影响产生的预应力损失均缘于杆体界面的黏结蜕化,没有发生锁定装置失效导致荷载明显损失的现象。B-GFRP锚杆的预应力损失百分率在5%~35%间,达到了精轧螺纹钢锚杆预应力损失的控制标准。     

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。     

泥质砂软岩边坡加固锚杆黏结疲劳特征原位试验

引江济淮河(航)道工程水下软岩边坡采用钢筋锚杆加固,通过原位试验研究现有检测方法对软岩加固锚杆黏结状态的影响。研究表明,锚杆承担荷载越大,有效锚固深度越大,锚杆体界面黏结损伤程度与荷载大小正相关,黏结损伤主要受前期荷载大小影响,加荷次数导致的黏结损伤相较于前者是次要的;加荷过程中分级荷载的持荷时间越长,相同量级荷载引起的锚杆弹性伸长量越大,锚杆体界面黏结损伤程度与分级荷载持荷时间正相关;锚杆端部塑性位移是在卸荷过程中产生的,来自于黏结体围岩界面的相对位移,主要受卸荷方式影响,卸荷越快塑性位移越大,与分级加荷的持荷时间正相关;结合4种检测方法得到的黏结损伤特征,提出检测泥质砂软岩加固锚杆锚固状态更科学的试验方法。     

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。     

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。     

黏砂变形GFRP筋黏结性能研究

基于18个梁式试验、42个Losberg拉拔试验以及6个标准拉拔试验,对黏砂变形GFRP筋与混凝土之间的黏结性能进行了较系统的研究。研究表明:黏砂变形GFRP筋梁式试件和拉拔试件的破坏形态均可分为拔出破坏和劈裂破坏两种,黏结长度大于5倍直径的GFRP筋试件发生劈裂破坏,小于5倍直径的试件发生拔出破坏,而对于黏结长度为5倍直径左右的试件,两种破坏形态均有可能发生;GFRP筋与混凝土之间的黏结强度约为相应带肋钢筋的0.64～1.27倍;随着黏结长度和直径的增加,GFRP筋与混凝土之间的黏结强度有所降低;基于梁式试验、Losberg拉拔试验与标准拉拔试验得到的GFRP筋与混凝土之间的黏结强度无显著差异。最后,综合考虑GFRP筋直径、表面形态、黏结长度等因素影响,提出GFRP筋与混凝土之间黏结强度、锚固长度的设计建议。     

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。     

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.     

重复荷载下高强钢筋与混凝土黏结性能的试验研究

随着预应力钢筋强度的提高及钢筋外形的变化,加之抗震设计必须考虑的黏结退化,钢筋与混凝土之间的黏结锚固问题愈显突出。通过光圆钢棒、异形钢棒和螺旋肋钢丝拉拔试件在重复荷载作用下的拔出试验,比较了3种不同外形高强预应力钢筋的黏结特性,研究了螺旋状预应力钢筋与混凝土界面间的黏结锚固机理,并讨论了影响黏结锚固性能的主要因素。根据试验结果,给出3种高强预应力钢筋在等幅重复荷载作用下的特征荷载值与应力水平上限的关系式。结果表明光圆钢棒在重复荷载作用下与混凝土的黏结性能较差;而异形钢棒和螺旋肋钢丝具有较好的黏结性能,且螺旋肋钢丝的黏结性能优于异形钢棒。研究成果为承受重复荷载的此种高强预应力钢筋混凝土结构的设计提供了依据。     

边坡工程中锚杆抗拔计算过程简化的研究

为节省边坡工程设计计算工作量,针对锚孔直径为90～150mm、锚筋直径为18～32mm、砂浆厚度为15～40mm、锚筋根数为1～3根的常规情况确定了可不做锚筋抗拔计算和可不做锚固体抗拔计算的锚杆范围。研究表明：当岩土层与砂浆极限粘结强度标准值小于460.8kPa时,锚杆设计可不做锚筋抗拔计算;当岩土层与砂浆极限粘结强度标准值大于1599.6kPa时,锚杆设计可不做锚固体抗拔计算。当岩土层与砂浆极限粘结强度标准值按相关规范取经验值时,锚固在土层与极软岩中的锚杆设计可不做锚筋抗拔计算,锚固在坚硬岩中的锚杆设计可不做锚固体抗拔计算。     

GFRP筋纤维混凝土黏结滑移性能试验研究

与传统钢筋相比,GFRP(glass fiber reinforced polymer)筋与混凝土之间的协同作用相对较差。为充分发挥GFRP筋力学性能,通过在水泥基材料中掺入纤维,以提升混凝土的抗裂性和韧性,从而改善GFRP筋与混凝土的黏结性能。开展FRP筋-纤维混凝土拉拔试验,通过FRP筋-混凝土拉拔试验对比,分析掺入不同纤维种类与含量的混凝土对GFRP筋的黏结性能提升情况;分析FRP筋黏结长度、混凝土中纤维含量比例对黏结 滑移性能的影响;分析相应破坏形式,确定混凝土最佳纤维含量比例,获得聚丙烯纤维混凝土和玻璃纤维混凝土与GFRP筋的黏结应力沿着筋体表面的分布。明确GFRP筋拉拔受力全过程,明确GFRP筋纤维混凝土的黏结滑移机理。