复合材料抗浮锚杆外锚固性能试验研究_李妮.pdf

270工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工导致其具有脆性高、抗剪能力差的力学特征。若在施工过程中依然采用传统的夹片式锚固，容易将锚杆夹碎，针对这一问题本文研发出一种新型的锚固方式，用于固定 GFRP材质锚杆。本文研发的新型锚具是在夹片锚具的结构上，添加能够将应力分散的结构装置。该结构由应力分散装置和圆锥形螺母构成，应力分散装置内置螺纹，圆锥形螺母咬合螺纹将两部分连接成为一个整体，进一步将锚杆固定。该装置在固定锚杆的同时，又避免了因应力集中而导致锚杆损坏问题。2.2 试验设计本文设计了对向拉力试验对装置进行检验，该试验可以在一次加载过程中完成对两组样品的验证。试验样品将两块混凝土试块用 GFRP 材料锚杆连接，在两块试块之间用千斤顶施加推力，并设置施拉力计测试锚杆极限受力值。在采用千斤顶施加拉力时，需要连接荷载传感器对施加的拉力值加以控制。GFRP 复合材料混凝土试件对拉试验装置设计如图 1 所示。共进行 4 组实验，其中设计两组对照组，0 引言对于地下建筑而言，随着埋深的增加，地下水会对建筑会产生较大的浮力，由此严重影响了建筑物的工程安全性1。地下建筑的抗浮结构设计时不容忽视的问题，目前工程中多采用抗浮锚杆来提高工程的安全系数2。玻璃纤维聚合物（GFRP）是一种新型的复合材料，具有轻质、高强、耐腐蚀的优点，是目前被广泛采用的抗浮锚杆材料之一3-4。匡政5、白晓宇6、张明义7等对GFRP 材料的锚具在建筑物抗浮方面的应用进行了深入研究，但在 GFRP 材料锚杆与混凝土基体的粘结应力发展特性研究方面仍有不足。本文基于海语城（红岛）项目，探究 GFRP 材料抗浮锚杆的外锚固性能，研发了将锚杆杆端应力分散的结构装置，并对整体结构进行对向拉力试验。该研究将为实际的建筑物抗浮结构设计提供理论基础。1 工程概况中国铁建海语城（红岛）项目，总建筑面积 33 万 m2，主要包括 4 幢 1618F 高层住宅楼、1 栋 23 层办公楼及 4 座2 层商业用房，部分高层住宅楼带有 1F 商业网点，场区整体带 12 层地下车库。该项目位于沿海区域，属于华北暖温带沿海湿润季风区气候，且沿海环境对建筑物混凝土构件具有一定的腐蚀性；滨海地区地下水位变化频繁，建筑物基础地下抗浮问题突出。2 试验方案2.1 锚具设计在传统施工过程中多采用夹片锚具完成对抗浮锚杆的固定。但对于 GFRP 材料而言，由于其各项异性的特点，复合材料抗浮锚杆外锚固性能试验研究李妮（中铁十四局集团第五工程有限公司，山东济宁 272100）摘要：基于海语城红岛项目，探究 GFRP 材料抗浮锚杆的外锚固性能。为了克服 GFRP 材料锚杆脆性高、抗剪能力差的问题，研发了一种能后将锚杆杆端应力分散的结构装置，该装置在固定锚杆的同时有避免了因应力集中而导致的锚杆损坏问题。对研发的装置进行对向拉力试验，结果表明：在锚固长度相同的条件下，采用应力分散装置的 GFRP 材料锚杆承受的破坏拉力大于普通锚固的抗浮锚杆；就平均粘结强度而言，GFRP 材料锚杆比普通锚杆提高了 9%25%。在控制其他变量相同的条件下，GFRP材料全螺纹抗浮锚杆的外锚固长度越长，锚杆与混凝土基体间发生的相对位移就越大。由此可见在一定范围内，增加 FRP 材料全螺纹抗浮锚杆的外锚固长度，可以提高工程的锚固安全系数。关键词：抗浮锚杆；外锚固；对拉试验；应力分散锚具图1 GFRP复合材料混凝土试件对拉试验装置置换式滴灌机GFRP锚杆中心孔千斤顶动力计CM&M 2023.01271实验组采用文中研发的应力分散锚固装置。本文试验使用的锚杆由山东某公司生产，锚杆采用为 YH-28GFRP 型全螺纹抗浮锚杆。锚杆的直径尺寸为 28mm。合成锚杆的主要材料是树脂与玻璃纤维，两种材料按照体积比 1:3 的比例混合制成 GFRP 复合材料，密度为 2.06g/cm3。GFRP 材料的抗压强度极值为 710MPa，抗剪强度极值为 150MPa，弹性模量为 49GPa，详细的试验参数见表 1。本文才采用的 GFRP 全螺纹抗浮锚，其中应力分散圆盘的尺寸为 170mm，圆盘呈碟形，最大厚度为 12mm，全螺纹锚杆的直径为 30mm，螺纹长 65mm。经过实际测量，该锚具的最大承载力可达 130kN。2.3 基体材料在本文实验中，混凝土基础采用强度等级为 C25 的混凝土浇筑成立方体试块，用来模拟实际工程中的建筑物底板。在浇筑混凝土试块时，需要预留直径30mm 以便于锚杆的定位和试块浇筑连接。将锚杆固定在混凝土中指定的位置后，对混凝土进行振捣密实，养护 28d后拆除模板，然后测试品的抗压强度。对达到养护龄期的样品进行无侧限抗压强度试验，12个样品的平均抗压强度测试值为 25.7MPa，实验值大于混凝土的设计抗压强度 25MPa，满足作为 GFRP 材料全螺纹抗浮锚杆对拉试验的基体材料强度要求。在进行试验时，在千斤顶与混凝土接触的位置采用钢板衬垫，采用手动的方式对混凝土试块施加荷载，施加荷载的速度可以根据测力计的读数进行调控。采用逐级加载繁荣方式施加荷载，控制加载速度为 200N/s 匀速加载。施加完一级荷载后饱载 15min 然后再施加下一级荷载，当锚杆发生断裂破坏时视为试验结束，读取测力计的示数，并完成数据记录。3 试验结果与分析3.1 锚杆破坏机制采用上述试验方式，GFRP 材料全螺纹抗浮锚杆对拉试验的测试结果包括失效荷载和破坏位移两个参数，具体的实验数据见表 2。由表 2 中的数据可知，编号为 Z840-2 的样品除外，其他编号的试件均由于锚杆被拔出混凝土基体而导致构件破坏失效，发生的是粘结滑移破坏。这种破坏形式下的锚杆并未出现明显的损伤，说明锚杆还未达到抗拉强度极值，对基体的锚固作用还未发挥完全。编号为 Z840-2 的样品锚杆主体发生断裂，且杆体埋入混凝土的部分也发生显著的位移。与编号为 Z420-2/1 的试件相比，编号为 Z840-2的样品拥有更长的埋入长度（锚固长度），这增大了锚杆与混凝土的粘结力。GFRP 材料的主要材料是树脂与玻璃纤维，当杆体螺纹与混凝土相互咬合承受的相互作用力数值较大、时间过长时，对螺纹会造成不可逆的机械损伤，导致锚杆与混凝土的粘结力降低，呈现出锚杆被拔出的现象。当 GFRP 材料锚杆与混凝土的粘结力分布均匀时，锚杆螺纹与基体的咬合力会超过向外的拉拔力。此时锚杆不会出现粘结滑移破坏。当锚杆主体受到的拉力大于其自身的抗拉承载力后，会发生断裂破坏。3.2 GFRP 复合材料抗浮锚杆荷载滑移曲线粘结强度是衡量锚杆锚固效果的主要参数，本文采用粘结强度来表征 GFRP 材料全螺纹抗浮锚杆对混凝土的锚固效果。图 2 中展示了 GFRP 材料全螺纹抗浮锚杆的粘结强度指标。由图 2 可知，在锚固长度相同的条件下，采用应力分散装置的 GFRP 材料锚杆承受的破坏拉力，大于普通锚固的抗浮锚杆。就平均粘结强度而言，GFRP 材料锚杆比普通锚杆提高了 9%25%。文中设置的 GFRP 复合材料锚杆长度为 420mm 与840mm，根据对拉试验的结果可以得到，锚杆的与混凝土基体之间的滑动位移与承受抗拉力之间的变化曲线，变化图2 GFRP复合材料抗浮锚杆荷载滑移曲线表 1 试验参数编号直径/mm锚固类型外锚固长度/mm混凝土强度基体尺寸/mmmmmmY420-1/228新型应力分散锚420C25800500800Y840-1/228新型应力分散锚840C25800500800Z420-1/228普通锚固420C25800500800Z840-1/228普通锚固840C25800500800表 2 实验数据编号直径/mm锚固类型外锚固长度/mm破坏强度/kN滑动位移/mm破坏形式Y420-1/228新型应力分散锚4202665.14滑移破坏Y840-1/228新型应力分散锚8403898.87滑移破坏Z420-1/228普通锚固4202081.63滑移破坏Z840-1/228普通锚固8403497.55断裂破坏锚杆编号平均黏结强度272工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工参考文献1 曾宪明,雷志梁,张文巾,等关于锚杆“定时炸弹”问题的讨论 答郭映忠教授 J.岩石力学与工程学报,2002(1):143-147.2 KUANG,ZHENG,MING-YI,etc.Load-bearing characteristics of fibreglass uplift anchors in weathered rockJ.Proceedings of the institution of civil engineers.Geotechnical engineering,2020,173(1):49-57.3 刘颖浩,袁勇.全螺纹 GFRP 黏结型锚杆锚固性能试验研究 J.岩石力学与工程学报,2010,29(2):394-400.4 刘汉东,高磊,李国维.GFRP 锚杆锚固机理试验研究 J.华北 水利水电学院学报,2007(3):63-65.5 匡政,白晓宇,张明义,等.弯曲与直锚 GFRP 复合材料抗浮锚 杆锚固特性试验研究 J.复合材料学报,2019,36(5):1063-1073.6 白晓宇,张明义,朱磊,等.全长黏结 GFRP 抗浮锚杆界面剪切 特性试验研究 J.岩石力学与工程学报,2018,37(6):1407-1418.7 张明义,寇海磊,白晓宇,等.玻璃纤维增强聚合物抗浮锚杆抗 拔性能试验研究与机制分析 J.岩土力学,2014,35(4):1069-1076 +1083.曲线如图 3 所示。由图 3 可知，编号为 Z420-1/2 的样品除外，锚杆长度相同的样品发生的滑动位移大致相同，滑动位移与承受抗拉力之间的变化曲线发展趋势也基本相同。Z420 样品在承受的拉力的加载值到 40kN 时，锚杆两端的滑动位移会出现差值。锚杆长度为 420mm 的样品，在承受拉力为 200kN时滑动位移的增长随拉力值的增大出现明显加快，发展曲线出现显著的拐点。锚杆长度为 840mm 的样品，在承受拉力为 300kN 时滑动位移的增长率随拉力值的增大出现明显加快，发展曲线出现显著的拐点。这一现象说明 GFRP 复合材料锚杆承受的拉力接近锚固粘结强度的临界范围。如果荷载继续增加，锚杆与混凝土基体的相对滑动位移会急速增大，埋入锚杆处的混凝土会出现表面裂缝，并且向基体内部发展为滑动剪切破坏。观察图 3a 和 3b 可以发现，当样品锚固长度相同时，使用设置应力分散装置的 GFRP 材料全螺纹抗浮锚杆，通过对拉试验锚杆与基体见的相对滑动位移，要大于裸筋锚固 GFRP 材料全螺纹抗浮锚杆。这一现象说明应力分散圆盘，可以有效抑制锚杆在混凝土基体中的滑动。在 GFRP材料锚杆杆端设置螺纹，将锚具与螺纹拧紧，增加了与基体间的咬合力。杆端的圆锥形螺母，可有效将应力分散装置和锚杆固定，提高了应力分散圆盘的工作效率，削减了锚杆承受得到剪力。在锚杆的一端设置应力分散圆盘，然后将锚杆固定在混凝土底板上，相当于扩大了锚杆的端头，极大增强了锚杆的锚固强度极值和抗拔强度极值。由于GFRP 材料自身抗剪强度差的特点，随着锚具受到拉力越来越大，锚杆会承受更大的剪力，直至杆体发生剪切破坏或者锚杆的埋入段被完全拔出混凝土基体。综上所述，在控制其他变量相同的条件下，GFRP 材料全螺纹抗浮锚杆的外锚固长度越长，锚杆与混凝土基体间发生的相对位移就越大。由此可见在一定范围内，增加FRP 材料全螺纹抗浮锚杆的外锚固长度，可以提高工程的锚固安全系数。4 结论为了克服 GFRP 材料锚杆脆性高、抗剪能力差的问题，本文基于海语城（红岛）项目，探究 GFRP 材料抗浮锚杆的外锚固性能，研发了将锚杆应力分散的结构装置，并对整体结构进行对向拉力试验，试研究结论如下：在锚固长度相同的条件下，采用应力分散装置的 GFRP材料锚杆承受的破坏拉力大于普通锚固的抗浮锚杆。就平均粘结强度而言，GFRP 材料锚杆比普通锚杆提高了9%25%。在控制其他变量相同的条件下，G