（地质工程专业论文）gfrp锚杆特性试验研究.pdf

华北水利水电学院硕上学位论文 g f r p 锚杆特性试验研究 摘要 g f r p ( g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ) 是玻璃纤维增强聚合物的缩写， 是种新型复合材料，具有轻质高强、耐腐蚀性能好等优良的力学特性。将其替 代钢材锚杆用于边坡工程加固将会很好的解决钢材锚杆耐腐蚀性能差，施工困难 等很久以来困惑工程技术人员的难题，具有很好的经济价值和社会效益。 本课题通过一系列试验验证了g f r p 锚杆具有良好的力学性能，主要包括： 拉伸试验、剪切试验、蠕变试验、抗腐蚀性能试验等室内试验。大直径的g f r p 锚杆由于材料容易脆断，试验机夹头夹持不住，直接拉伸试验很难成功，多用的 方法是加工成小直径试件进行试验。为减少尺寸效应及试件再加工造成的影响， 对不同直径g f r p 筋材试件拉伸试验，用回归方法预测了大直径中3 2 m m 的g f r p 锚杆强度为6 5 4 m p a ，拉伸破坏形式为脆性破坏。剪切试验测试g f r p 锚杆的剪切 强度为1 8 5 8m p a ，并且对g f r p 锚杆常温条件的蠕变进行了试验研究，证明了 g f r p 锚杆常温条件下蠕变量很小，能够满足一般工程要求。所有的室内试验结 果表明：g f r p 锚杆与钢材锚杆相比具有强度高，质量轻，并且其弹性模量与混 凝土的弹性模量相近，因此在受力条件下与混凝土的变形协调性也较钢筋好。同 时，在考虑到截面抗拉能力相等的情况下，与钢筋锚杆进行了经济性对比分析， 结果也表明g f r p 锚杆具有较高的性价比。 g f r p 锚杆抗腐蚀性能试验是分别把g f r p 锚杆试件放置在p h i 、p h 4 的硫酸 溶液，p h 7 的纯水，和p h l 2 、p h l 4 氢氧化钠溶液中，分别在l o d 、2 0 d 、4 0 d 、6 0 d 、 1 2 0 d 后进行拉伸试验。经过1 2 0 d 腐蚀溶液浸泡后，g f r p 锚杆试件尺寸没有变化， 颜色稍有变化，腐蚀后的试件干、湿重量变化率最大为0 3 ，强度保持率分别 为1 0 0 、1 0 0 、9 8 8 、9 7 、8 8 。试验结果表明g f r p 锚杆具有良好的耐腐蚀 性能，如果用于工程中将会很好的解决钢筋耐腐蚀性能差问题。 同时，本课题也进行了一系列的现场试验，主要包括拉拔试验和g f r p 锚杆 加固边坡监测。通过拉拔试验和光纤监测相结合的方法，研究了g f r p 锚杆荷载 传递机理和循环荷载作用下轴力分稚的特征。试验结果表明，中3 1 g f r p 锚杆在 荷载作用下的有效传递范围约1 5 m 。锚杆轴力沿埋深迅速衰减，0 6 m 以后的锚 华北水利水电学院硕士学位论文 杆轴力随荷载增加的变化已经很小。在循环荷载作用下，锚杆受力传递范围不断 增大，最大粘结应力部位不断向深部发展。 通过对g f r p 锚杆加固的试验边坡监测数据表明，g f r p 锚杆试验边坡经过 当地四百年一遇的强降雨考验后，仍安全运行，结果表明g f r p 锚杆同钢锚杆一 样能够有效约束边坡变形，起到加固效果。通过与钢筋锚杆的受力状态进行对比 分析，g f r p 锚杆与钢筋锚杆在同等条件下应力变化曲线相似，表明g f r p 锚杆是 能够对高边坡起到约束作用，但由于其弹性模量较小，因此，所以变形较大，其 受力状态对外界条件更为敏感。 作为一种替代钢材用于土木工程的新型复合材料，g f r p 筋材具有优良的力 学性能，已经在其他领域广泛应用。但是，作为锚杆用于高边坡加固的实例，目 前在国内还是未见到相关文献报道，所以，无论理论探讨还是施工方法都还存在 很多问题，需要进一步研究、探讨，以期真正推广g f r p 锚杆这种新型材料。 加固 关键词lg f r p 锚杆拉伸试验蠕变试验腐蚀试验拉拔试验边坡 华北水利水电学院硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo np r o p e r t i e s o fg f r pr e b a r a b s t r a c t ：g f r p ( g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ) i san e wk i n do fc o m p o s i t e ， w h i c hh a sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fw e i g h ti s l i g h t ，s t r e n g t h i s h i g h a n d c o r r o s i o n r e s i s t a n ti s g o o d i ti s ag o o dw a yt os o l v et h eb a dc o r r o s i o n - r e s i s t a n t ， d i f f i c u l to ni n s t a l l a t i o no fs t e e lr e b a ri ft h es t e e lr e b a ri sr e p l a c e db yg f r pr e b a rt o r e i n f o r c es l o p e i th a sg o o de c o n o m i cv a l u ea n ds o c i a lb e n e f i t t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fg f r pa r eg o o dt h r o u g has e r i e so ft e s t st h a t i n c l u d et e n s i l et e s t ，c r e e pt e s tu n d e ro r d i n a r yt e m p e r a t u r ea n ds h e a rt e s te t c b e c a u s e g f r pi se a s yt ob r i r l ef r a c t u r e ，t h ec h u c ko ft e s t i n gm a c h i n ec a n th o l db i gd i a m e t e r s a m p l e ，s od i r e c t l yt e s t i n gi sd i f f i c u l tt os u c c e e d t h ec o m m o n l yu s e dm e t h o di s p r o c e s s i n gi n t ot h es m a l ld i a m e t e rs a m p l ea n dc a r r y i n go nt h et e s t a u t h o rt e s t d i f f e r e n td i a m e t e r s s a m p l e s ，t h e na d o p tr e g r e s s i o na n a l y s i sf o r e c a s t i n g t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb i gd i a m e t e rs a m p l e ，s ot r yt oa v o i di n f l u e n c ec a u s e db y r e p r o c e s s i n g t h es t r e n g t ho fg f r pr e b a ri s6 5 4 m p at h r o u g ht e s t i n gd i f f e r e n t d i a m e t e r ss a m p l e sa n dr e g r e s s i n g i t ss h e a rs t r e n g t hi s1 8 5 m p at h r o u g hs h e a rt e s t t h ed e f o r m a t i o no fc r e e pi sl i t t l eu n d e ro r d i n a r yt e m p e r a t u r e a l ls h o wt h a tg f r p r e b a rh a sg o o dm e c h a n i c a la n de c o n o m i cp r o p e r t i e s ，a n di t se l a s t i c i t ym o d u l e si s m o r el i t t l et h a ns t e e l ，s od i s t o r t i o nc o o r d i n a t i o nw i t hc o n c r e t ei sb e t t e rt h a ns t e e l t h e a u t h o rc o m p a r e dg f r pr e b a ra n ds t e e lr e b a ro ne c o n o m i ca s p e c tu n d e rs a m ef o r c e ， g f r pr e b a rh a sh i g hp e r f o r m a n c e c o s tr a t i o i no r d e rt or e a l i z et h ec o r r o s i o no fg f r p ，t h ea u t h o rl a yg f r ps a m p l e si n t ot h e s o l u t i o n0 f n a o h ，h 2 0 、h 2 s 0 4 。t h o s ec o n c e n t r a t i o n sa r ep h l 、p h 4 、p h 7 、p h l 2 ， p h l 4 a f t e r1 0 d ，2 0 d ，4 0 d ，6 0 d ，1 2 0 d ，t e n s i l et e s ti sc a r r i e do u t t h er e s u l to ft e s t s h o wt h a t ，a f t e rd i p p e di ne a c hc o r r o s i v es o l u t i o n ，d i m e n s i o na n dt h ec o l o ro fg f r p c h a n g el i t t l e ，a n dt h er a t eo fr e m a i n i n gs t r e n g t ho fg f r pd i p p e di ne a c hs o l u t i o ni s 10 0 、10 0 、9 8 8 、9 7 、8 8 a i ls h o wt h a tg f r pr e b a rh a sg o o d 华北水利水电学院硕士学位论文 c o r r o s i o n - r e s i s t a n t ，t h ep r o b l e mo fd u r a b i l i t yo fc o n c r e t ec a nb es o l v e di fs t e e lb a r a r es u b s t i t u t e dw i t hg f r pr e b a r i nt h es a l v et i m e ，t h ea u t h o rc a r r i e do u tp u l l o u tt e s to fg f r pr e b a ra n d m o n i t o r i n gt h es l o p er e i n f o r c e db yg f r pr e b a r r e s e a r c ht h et r a n s m i t t i n gl o a d m e c h a n i s ma n dt h ed i s t r i b u t i n go fa x i sf o r c eu n d e rc i r c u l a rl o a d i n gt h r o u g hp u l l - o n t t e s t t h er e s u l to ft e s ts h o w st h a t t h ed e p t ho ft r a n s m i t t i n gl o a do f 中31g f r pr e b a ri s 1 s m ，t h ea x i sf o r c ec h a n g el i t t l er a p i d l yw i t hd e p t h ，a n dt h ea x i sf o r c ea f t e ro 6 m c h a n g el i t t l ew i t hl o a d i n g u n d e rc i r c u l a rl o a d i n g ，t h ed e p t ho ft r a n s m i t t i n gl o a da n d t h ep o s i t i o no f m a x i m a lb o n ds t r e s so f g f r pr e b a rc h a n g ed e e p e r i nj u n e2 0 0 5 ，t h es l o p er e i n f o r c e db yg f r pr e b a re n c o u n t e r e dr a i n s t o r m o c c u r r i n g4 0 0y e a r s ，t h ed a t ao fm o n i t o r i n gs l o p es h o w st h es l o p ei s s a f e a ts a l t l e t i m e ，c o n t r a c tw i t ht h ec u r v eo fs t r e s sa n dd e p t ho fg f r pr e b a ra n ds t e e lr e b a ru n d e r s a m ec o n d i t i o n ，t h er e s u l ts h o w sg f r pr e b a rc a nr e i n f o r c es l o p e ，a n di tr e s t r i c t d e f o r m a t i o no fs l o p e b u t ，a si t se l a s t i c i t ym o d u l e si sl e s st h a ns t e e l ，i t ss t r a i ni sm o r e t h a ns t e e l ，s oi tm o r es e n s i t i v et ol o a d i n g a san e wm a t e r i a lr e p l a c e ds t e e lu s e df o rc i v i le n g i n e e r i n g ，g f r pr e b a rh a sg o o d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n de x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，h a sb e e na p p l i e di no t h e r d o m m n b u t ，a sb o l tu s e dt or e i n f o r c es l o p e ，w eh a v en o tr e a dc o r r e l a t i v er e p o r t s o ，w eh a v em a n yp r o b l e mn o tk n o w n ，s u c ha sb o l t i n gm e c h a n i s m 、t h ea n c h o r a g e d e v e l o p m e n ta n dt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o do fg f r p w es h o u l dk e e po nr e s e a r c h g f r pr e b a r , s ow ec a np o p u l a r i z eg f r pr e b a ri n t or e i n f o r c i n gs l o p e k e yw o r d ：g f r pr e b a r , t e n s i l et e s t ，c r e e pt e s t ，c o r r o s i o nt e s t ，p u l l o u tt e s t ，s l o p e r e i n f o r c e m e n t 华北水利水电学院硕上学位论文 独立完成与诚信声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则本人愿意承担由此产生的一切法 律责任和法律后果，特此郑重声明。 作者：寸 p 年 友 烈明 华北水利水电学院硕士学位论文 1 1 研究的工程背景 第1 章绪论 粤赣高速公路为国家重点在建项目阿深高速公路的一段，全长1 3 5 6 3 2 k m ，所 经地段地形地貌复杂多变，地层岩性软弱，且分布不均；地质构造上处于赣闽隆起 和粤桂湘褶皱带，通过的构造线有河源深断裂及佛冈断裂带。由于构造断裂的影响， 造成沿线岩石破碎，构造结构面发育。路线切坡通过产生陡坡路堤填筑和路堑高边 坡开挖，全线共有3 0 米以上的高边坡5 7 处，多处需锚索或锚杆加固。 其他已建工程应用表明，钢锚杆在锚固工程的应用中存在着一些突出的问题， 如钢锚杆的腐蚀及防腐处理、自重大、运输和安装困难等。特别是边坡工程这类的 永久性锚固工程，由于地层和地下水中含有大量腐蚀介质，导致钢锚杆极易腐蚀。 钢锚杆的腐蚀不仅影响结构的耐久性，严重时还会出现重大工程事故，尤其是在地 层中含有大量的钠盐、钙盐、镁赫等，由于这些物质易被地下水分解，就为钢锚杆 的腐蚀提供了极为有利的电化学反应环境。就需要做大量的防腐工作，往往代价很 高，而效果并不理想。近年来，工程人员一直在寻找一种耐腐蚀、强度高，能够代 替钢材的新型材料。 g f r p ( 玻璃纤维增强塑料筋) 锚杆是以玻璃纤维为增强材料，以合成树脂为基 体材料，并掺入适量辅助荆，经拉挤成型和必要的表面处理所形成的一种新型复合 材料，具有比强度高、耐腐蚀性能好、可设计性强、抗疲劳性能好、耐电磁等独特 优点。近年来，把g f r p 材料用于土木工程中代替钢材加固混凝土结构，以避免钢材 抗腐蚀性能差等缺点”1 ，已经成为人们研究的热点。研究用g f r p ( 玻璃纤维增强塑 料筋) 锚杆替代钢锚杆用于边坡工程加固可行性，g f r p ( 玻璃纤维增强塑料筋) 锚 杆作为锚固技术在岩土工程中的应用将会开辟广阔的应用前景。 1 2g f r p 筋材目前在工程中的应用与研究 g f r p ( g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ) 是玻璃纤维增强聚合物的缩写。g 1 7 r p 筋材因其具有强度高、质量轻、抗冲击、耐腐蚀、介电性能优良等优点，广泛用于 电工、建筑、交通及运动娱乐等领域。1 。为满足高强轻质及特殊环境条件的需要， 华北水利水电学院硕十学位论文 制作光缆增强芯、混凝土预应力筋等，材料发生了重大变革，用g f r p 筋材取代高强 度钢材的趋势正逐年增加。近年来，在欧洲、北美、日本等发达国家开始用6 f r p ( 玻 璃纤维增强聚合物筋) 取代建筑钢筋，试图从根本上解决由于钢筋腐蚀所引起的土 木工程的耐久性问题“1 。在欧洲，最早开发g f r p 锚杆的是德国慕尼黑的d s i 公司， 主要用于隧道和煤矿巷道的支护，并且以英国为首的欧洲诸国于1 9 9 6 年成立了研究 纤维增强塑料筋的联合攻关组织( e u r o c r e t e ) ，并设立了雄厚的人力、物力，并在 其正在施工的海峡隧道的支护中采用了g f r p 锚杆”3 支护。该项目的目的是研制适宜 的纤维增强塑料筋以及制定相应的纤维增强塑料筋用于土木工程的试验方法标准和 设计施工规范。在北美，加拿大在1 9 9 5 年成立了专门研究纤维增强塑料筋的专家委 员会( i s i s ) ，美国也成立相应的委员会( a c i c o m m i t t c c 4 4 0 ) 。 总结国内外对g f r p 用于土木工程中主要有以下几个方面“1 。l ，以片材的形式 用于混凝土结构、砌体结构和木结构的加固补强；2 。以管状组合结构形式用于混凝 土结构的新建结构中；3 ，以筋或索的形式替代普通钢筋、预应力钢筋和钢绞线，用 于各种混凝土结构中；4 ，以传力杆的形式用于路面和岩土工程中；2 0 0 1 年，7 8 0 个 g f r p 筋用于m a n i t o b a 的w i n n i p e g 的一条道路上“7 ，以6 f r p 筋替代环氧涂层钢筋用 于传递路面施工缝两边的混凝士板的荷载表现非常好的性能。 图1 1g f r p 筋材在桥梁中的应用 f i gl 一1a p p l i c a t i o no f g f r pr e b a ro n b r i d g e 1 3g f 即筋材的基本物理力学性能 图1 - 2g f r p 筋材在加固混凝土中的应h j f i g1 2a p p l i c a t i o no fg f r pr e b a ro n t h es t r e n g t h e nc o n c r e t e 6 f r p 筋材不同于普通钢筋材料，是一种各向异性材料；其力学性能受很多因素 影响，不同生产厂家生产的g f r p 筋材由于采用的纤维、树脂的类型和含量，纤维的 华北水利水电学院硕士学位论文 方向，生产过程中质量的控制和生产工艺不同。其力学性能会有很大的区别。此外， 与其它应用于结构的材料一样，g f r p 筋材的力学性能受加载历史、持续时间、温度、 湿度等因素的影响。现将g f r p 筋材的主要力学性能简单介绍如下： 1 3 1 比重g f r p 筋材的比重一般为2 9 一m 。，钢筋的为7 8 9 正m 。，因此，g f r p 比重约为钢筋的0 2 5 ，这样其运输成本减少，在工地施工方便。尤其是在边坡工程、 巷道支护等岩土工程中，施工环境较为恶劣，十分不便，其优势十分明显。特别在 煤矿巷道工程中用作临时支护，由于其质量轻，施工方便，同时碰撞不易产生火花， 较为安全，己经开始推广使用g f r p 锚杆。 1 。3 。2 热胀系数g f r p 筋材的热胀系数横向和纵向不同，在混凝土中主要受纵 向影响较为严重，纵向约为6 x 1 0 一1 0 x 1 0 1 ”1 ，而混凝土的热胀系数也为6 x l o 一l o x1 0 。6 c ，因此g f r p 筋材与混凝土温度变形协调性较好，因温度变化而产 生的温度应力相对较小。 1 3 3 极限拉伸强度和弹性模量o f r p 筋材具有较高的强度，其极限强度一般 为6 0 0 1 0 0 0 m p a ，钢材的极限强度一般4 8 0 6 5 0 m p a ，因此，g f r p 筋材的强度比钢 筋要高一些；g f r p 筋材弹性模量一般为4 0 4 8 g p a ，与混凝土的弹性模量一般为 ( 1 5 4 0 m p a ) ”1 较为相近，而钢材一般弹性模量为2 1 0 g p a 。从这些能够看出，g f r p 筋材较钢筋与混凝土的变形协调性要好一些，也就是说如果作锚杆用于边坡支护工 程，砂浆混凝土能够更有效的传递锚杆受到的荷载。使锚杆、锚固体、岩体协调地 成为一个攘体，这些也正是我们所寻求的效果。 1 3 4 剪切强度相对g f r p 筋材较高的纵向拉伸强度，其横向剪切强度并不 高。这是由于在g f r p 筋材的纵向抗拉主要由高强玻璃纤维提供强度，而在其横向剪 切方向主要是由树脂提供强度，因此一般其强度取决于树脂强度，所以横向剪切强 度并不高，根据相关资料，一般为极限拉伸强度的2 6 左右。 1 3 5 蠕变和蟠变破坏在不利环境下，受恒载作用下的g f r p 筋可能在一段时 间后突然破坏，这种现象称为蠕变破坏。有人对不同截面6 f r p 筋进行蠕变破坏试验， 结果表明持续应力保持在极限荷载6 0 以内是不会发生蠕变破坏的。1 。玻璃纤维具有 良好的抗蠕变性能，但是，用于g f r p 筋材的树脂是种塑料，在常温下的较小荷载 水平作用下就能够观测到蠕变现象，因此，g f r p 筋抗蠕变性能不是很好，在大荷载 作用下，常温情况下就能观测到蠕变现象。根据有关资料，g f r p 筋由于蠕变引起的 变形仅为初始弹性变形的3 ，荷载水平在极限荷载的6 0 以内，不会发生蠕变破坏。 1 华北水利水电学院硕十学位论文 1 3 6 抗疲劳性能g f r p 筋具有良好的抗疲劳性能，p o r t e r ( 1 9 9 3 ) “”和顾奕“” 对g f r p 筋进行了抗拉疲劳试验，其最大荷载为4 9 6 m p a ，应力变化范围为3 4 5 m p a ，在 破坏前能受到4 百万次以上的加载循环。结合本课题研究内容，在实际边坡加固工程 中，用作锚杆的g f r p 筋所受到的循环荷载一般主要是由不同季节温度变化以及干湿 季节坡体荷载变化导致的应力循环变化，由于g f r p 筋的热胀系数、弹性模量与混凝 土的相近，这部分的循环应力变化相对较小。 1 4 研究的任务、目的、意义和方法 g f r p 筋具有高强、轻质、耐腐蚀、不导电、抗疲劳性能好等明显优于普通钢筋 的物理力学性能，如果应用于高边坡加固，不仅施工方便，而且耐腐蚀性能好，将 会使锚固体系更加安全、经济。以其特有的材料性能，可进一步挖掘经济价值的潜 力，完全可能成为将来高边坡加固的首选材料，具有巨大的开发研究价值。本课题 研究的主要任务就是验证g f r p 筋是否适合用于替代钢材锚杆用于高边坡加固。 本课题主要通过室内与现场试验相结合测试g f r p 筋的各种物理力学指标、抗腐 蚀性能，现场试验检验6 f r p 筋材加固高边坡效果、探讨其锚固机理等。室内试验主 要包括：拉伸试验，剪切试验，蠕变试验，抗腐蚀性能试验。其中拉伸试验、剪切 试验、蠕变试验主要测试其拉伸强度、剪切强度、抗蠕变性能等基本力学指标；腐 蚀试验主要是测试g f r p 筋材在恶劣环境条件下外观变化、质量变化其力学性质变化 等指标，从而反映其抗腐蚀性能。然后与钢材的拉伸强度、剪切强度、抗蠕变性能 以及耐腐蚀性能进行对比分析，从6 f r p 筋的基本力学指标、经济角度以及耐腐蚀性 能等不同侧面进行研究分析，探讨其用于边坡加固可行性。 现场试验主要包括：拉拔试验、6 f r p 锚杆加固效果观测与钢锚杆加固效果观测 对比、g f r p 筋材与水泥砂浆粘结效果等试验。其中拉拔试验主要测试b f r p 筋材极 限抗拔强度、分析其锚固效应和锚固机理。不同材料锚杆加固效果观测主要是对采 用g f r p 锚杆和钢筋锚杆加固的试验边坡安全状态进行监测，通过试验边坡表观位 移、深孔位移、锚杆应力等各种监测数据，研究g f r p 锚杆与钢锚杆加固的试验边坡 安全状态，探讨加固锚杆的承载、变形及应力一应变规律之间的差异。现场试验主 要包括在试验边坡安装g f r p 锚杆，并在锚杆上布设应力、应变计，测量应力、应变 计的变化。同时。在g f r p 锚杆上耦合光纤，利用布里渊散射光时域反射测量计 华北水利水电学院硕士学位论文 ( b o t d r ) 技术监测加固体内应力一应变的变化“，同时，布设定量的拉拔试验，探 讨其锚固效应与锚圆杌理。 1 5 存在问题及本文主要工作 1 5 1 存在闯题 对g f r p 锚杆锚具研究较少。实际上岩土工程中的锚杆除了传递拉力外，还承受 横向压力、面内剪力等，与钢锚杆相比，其中多轴应力状态对g f r p 锚杆更为敏感， 这是因为g f r p 锚杆对压力、剪力及筋表面的变形( 如压痕、螺纹等) 效应更加敏感。 g f r p 锚杆的横向抗压强度及层间剪切强度与其抗拉强度相比要低的多，使用现有的 锚固技术，对g f r p 锚杆来说，是不合适的，无法达到g f r p 锚杆的强度，这样也就 不能真正显示g f r p 锚杆的优势。传统的钢筋锚固系统( 如钢楔块锚固系统) 对g f r p 锚杆来说，并不能确傈荷载的有效传递，并且容易因为g f r p 筋材的横向剪切性能差 而在锚固系统区域过早破坏，使锚固系统失效。这些，我们已经在室内试验验证。 衡量锚固系统有效性的指标为其效率比，即锚杆锚固系统的拉拔极限强度与锚 杆抗拉强度的比值“。无论选择哪种类型的锚固系统，g f r p 锚固系统必须满足下列 要求：1 ，不影响g f r p 锚杆的短期抗拉强度和疲劳强度：2 ，长期荷载作用下g f r p 锚杆锚固系统的断裂强度不应比g f r p 锚杆的断裂强度低很多：3 ，环境因素不应较 大降低g f r p 锚杆的强度。根据荷载传递机理，在锚杆中使用的锚固系统一般为钢套 粘结式和楔行粘结式。在现场对试验边坡进行加固时，也自行设计了一种g f r p 锚固 系统，为一种g f r p 材料的螺母，用环氧树脂与锚杆粘结在一起，使其与框架梁形成 一体。但是，经过现场拉拔试验，这种锚固系统不能有效发挥g f r p 锚杆的真f 强度， 在1 2 0 k n 时，锚固系统已经失效。因此，必须开发出适用于g f r p 锚杆特点的锚固系 统，深化研究g f r p 锚杆锚固系统锚具的材料、几何尺寸、粘结材料的类型和强度等 对g f r p 锚杆锚固系统的影响，尤其是要研究锚具承载力的影响因素和建立锚具承载 力的计算方法。 g f r p 锚杆与水泥浆、水泥砂浆的粘结性能研究不够。锚杆的锚固力与锚固体的 水泥浆或水泥砂浆与岩士界面的粘结力、摩擦角、挤压力等因素有关，还有锚杆与 水泥浆或水泥砂浆的界面粘结性能有关“”1 。关于水泥浆或水泥砂浆与岩土体界面 的粘结性能，可参照钢锚杆的有关试验结果，但与g f r p 锚杆与水泥浆或水泥砂浆的 华北水利水电学院硕士学位论文 粘结性能目前还未见相关报道，本研究设计了g f r p 锚杆与水泥浆或水泥砂浆的粘结 性能实验，这其中包括：g f r p 锚杆在水泥浆、水泥砂浆中荷载传递机理，铺同效果 等各方面的研究。 考虑g f r p 锚杆的杆体材料、粘结材料性能、岩体之间的相互作用的承载力计 算方法还需要研究，以取代在实际应用中计算时仍然套用钢锚杆的计算方法和公式。 在国内这是第一次将纤维增强筋锚杆用于边坡加固工程，实际经验和理论都需要积 累和探讨。 1 5 2 本文主要工作 较为系统的测试g f r p 锚杆的力学性能，得出了相应的力学指标，包括拉仲强度、 弹性模量、剪切强度等。也测出其在一定荷载长期作用下蠕变性能。为g f r p 锚杼在 实际工程使用中提供基本力学参数。同时，试图从力学性能，经济角度等不同侧面 研究g f r p 锚杆加固高边坡的可行性。 本文测试了g f r p 锚杆在不同腐蚀溶液长期作用下外观变化、质量变化、强度变 化等不同指标，从而测试了g f r p 锚杆耐腐蚀性能。并且从复合材料理论上探讨了 g f r p 筋材耐腐蚀机理，证明了g f r p 锚杆具有较好的耐腐蚀性能，如果替代钢材锚 杆用于高边坡加固能够很好的解决钢锚杆的腐蚀问题。 结合现场拉拔试验，研究了g f r p 锚杆在不同荷载作用下，应变分布变化情况， 研究其锚固作用机理：通过循环拉拔施加荷载，研究g f r p 锚杆在循环荷载作用下锚 杆应变分布，探讨其荷载传递机理。 结合现场试验边坡的监测数据，研究g f r p 锚杆的锚囤效果并与钢锚杆的进行对 比分析，初步结果显示6 f r p 锚杆是能够有效约束高边坡变形。 华北水利水电学院硕十学位论文 第2 章g f r p 锚杆的基本理论 锚杆加固技术是岩土工程加固的一种重要手段，它能充分利用和调动岩土体自 身的强度和稳定性，施工方便，能显著节约工程材料。随着锚固技术的发展，锚杆 支护技术已经在边坡、矿井、隧道、坝体等各种工程建设中得到应用。同时，实际 工程应用也表明，钢锚杆在锚固工程应用中存在很多的问题，比如，自重太大，在 高边坡锚固中，施工场地很小，钢锚杆又长又重，给施工造成很大的困难：同时， 钢锚杆的防腐处理等问题也是很突出。正是基于上述问题，本课题提出用g f r p 锚杆 加固高边坡的思路。在本章，主要是简单介绍g f r p 锚杆的材料组成，生产方式以及 g f r p 材料研究的主要力学理论，然后，简单介绍锚杆支护加固机理，从理论上探讨 g f r p 筋材用作锚杆的可行性。 2 1g f r p 锚秆的基本组成材料 g f r p ( g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ) 是玻璃纤维增强聚合物的缩写，主要 是由玻璃纤维作为增强材料，不饱和树脂作为基体的一种复合材料。本试验所用材 料全部采用南京奥沃科技有限公司生产的螺旋状g f r p 筋材，主要成分为7 8 的无碱 e 型玻璃纤维和2 2 的乙烯酯树脂。 2 1 1 玻璃纤维 玻璃纤维是最早开发出来的用于复合材料的纤维，e 型玻璃纤维是玻璃纤维中 最常见的玻璃纤维，特点就是强度高，耐腐蚀，电绝缘性好。其组成成分和物理力 学性质如下表： 表2 - 1e 型玻璃纤维组成成分 t a b l e 2 1c o m p o n e n to feg l a s s 组成成分is i 仉 a l ：0 tb z o 。 c a o m g o n a z 0t i qf ez 魄r 含量 l 5 2 5 61 2 1 65 1 01 6 - - 2 5o 5 o 2o 15o o8o 1 表2 - 2e 型玻璃纤维物理力学 物理力学件质窬度 线膨胀系数弹性模量拉伸强度 ( g c m ) ( 1 0 “厂c ) g p a g p a 2 5 8 5 47 2 34 8 华北水利水电学院硕士学位论文 2 1 2 基体树脂 用于玻璃纤维、碳纤维等为增强材料的高性能复合材料的基体材料通常可分为 热固性基体和热塑性基体。这些基体材料的研制主要基于高分子化学、高分子材料 方面的知识。热固性基体材料在常温下呈液体状态，粘度低，树脂与纤维的浸渍性 能好，有较好的机械、电气、力学、耐腐蚀等性能。热固性基体材料主要是通过化 学结合状态的变化而形成固化的，而且此化学结合状态的变化是不可逆的。热塑性 树脂基体材料的成型是通过热塑性树脂的熔化、流动、冷却、固化的物理状态的变 化而实现的，是一个可逆状态。 2 1 3g f r p 材料的制造方法和工艺 g f r p 材料是一种复合材料，其制造工艺和方法与会属材料的制造完全不同，金 属材料的制造大部分是原材料的制造，各种产品是利用金属材料的原材料经过加工 而成的。而复合材料的制造有很大的灵活性，根据增强体和基体材料种类的不同， 需要应用不同的制造工艺和方法。 南京奥沃科技有限公司采用的是一种高温高压成型 法。首先将玻璃纤维纱浸渍含有固化剂、促进剂等多种 助剂的不饱和聚脂树脂等树脂胶液后，在拉挤机的牵引 下，通过预成型模导入加热模具，在高温高压下固化成 型。经表面处理后缠绕螺旋状的浸渍含有多种助剂的树 脂胶液的玻璃纤维束，固化成型为全螺纹纤维增强塑料 筋材。 2 2 复合材料强度理论吼3 图2 - 1 复合材料受力示意图 f i g 2 - 1s k e t c ho fm e c h a n i c a l 通过上述简单介绍，我们能够知道复合材料主要是 与加强材料纤维和作为基体的高分子材料共同组成的，因此，g f r p 筋材的强度是与 玻璃纤维和基体的强度有密切关系。首先我们从微观方面看g f r p 筋材的强度与玻 璃纤维和基体的强度的关系。 首先，我们假设g f r p 筋材受轴向外力拉伸时，其受拉杆件受力简图如上图。 由图中平衡条件我们可以知道，当复合材料受拉时，有 o 。a c = of a om a m ( 2 - 1 ) 华北水利水电学院硕士学位论文 式中o 。、o ，、o 。分别是复合材料、纤维、基体的应力；a 。、a ，、a 分别是复合 材料、纤维、基体的横截面积。令 v r = a t a 。，v m = 丸a 。 ( 2 - 2 ) 分别是复合材料中纤维和基体的体积分数，运g f r p 筋材受拉示意图 o 。= o f v f + o 。v 。( 2 - 3 ) 事实上，( 3 ) 式是在纤维和集体树脂变形一致基础上提出的。a v e s t o n 、c o o p e r 和k e l l y 。2 3 ( 1 9 7 1 ) 根据纤维基体界面上的荷载传递和破坏模式讨论了复合材料的 强度，认为，对于g f r p 这样脆性纤维增强塑性基体，基体的破坏应变通常比纤维的 破坏应变大的多，当达到e 。时，纤维的应力达到其强度o 。而破坏，这时，复合 材料的最大应力为 o 。= o 。v f + ( o 。) 。( 1 一v f ) ( 2 - 4 ) 纤维断裂后，全部荷载由基体承担。这时，复合材料所承受的最大应力为 o ；= o 。u ( 1 一v f ) ( 2 - 5 ) 根据式( 2 4 ) 和式( 2 - 5 ) 我们知道当v r v 。时，由纤维控制复合材料的强度。其中，式( 2 4 ) 被称为复合材料的混合率。 2 3 锚杆支护主要理论 相关试验和工程经验表明，锚杆锚固是一种有效的加固措旋，但由于其加固机 理及作用方式复杂，至今还没有统一的理论。研究锚杆的加固机理必须考虑其锚固 方式、及其与所加固的岩体之间的相互作用等关系，一般认为锚秆加固的主要作用 是减少岩体变形和防止岩体破坏。岩体结构控制理论。”认为，作为内在因素的岩体 结构在岩体的变形破坏发展过程中起着决定性作用；而作为外因的外力，即荷载， 是通过内因起作用的。近年来，王思敬提出了突破观点，认为：工程岩体的变形破 坏方式千差力i 别，但其破坏过程总是从一处或少数几处开始突破，并通过应力场调 整和岩体性质改变，或者逐步扩展导致破坏，或者转入相对稳定“。基于这些认识， 在岩体表面或内部修建工程时，人们把岩体视为工程结构的一部分或全部，例如， 岩体与地下洞室的支护结构形成一个完整的支护体系，而且在整个体系中，岩体应 视为主要的承载体单元。矿山巷道隧洞施工中已广泛应用的“新奥法“就是基于这 华北水利水电学院硕士学位论文 种认识的，它在支护的设计和施工方法上尽量抑制围岩强度的恶化，积极发挥围岩 本身的承载能力。基于上述理论，在岩体加固工程中，对不稳定岩体不一定采取支 护措施，而从改造变更岩体结构的观点出发，对劈裂、块裂结构的岩体直接进行处 理，使它变为完整的岩体。锚杆的作用就是在于提高岩体的完整性，可使劈裂、块 裂或板裂结构的岩体转变为近似完整的岩体。锚固作用的效果还可从改变岩体应力 状况方面来理解。众所周知，岩体变形和破坏机制包括结构变形和破坏及岩石材料 变形和破坏两种因素，其中材料的变形和破坏多数与岩体内部的应力状态有关，而 预应力锚固可对岩体施加围压，改变岩体的应力状态，提高岩体的弹性模量和强度。 总之，锚杆加固作用表现在岩体结构性质的改善和岩体内部应力状态的改变两个方 面，是一种多因素的综合作用。现有的计算理论和模型有如下： 悬吊理论认为锚杆能提供足够的拉力，利用悬吊作用将软弱、松动、不确定的 岩土体悬吊在深层稳定的岩土层上，以防止其离层脱落。 组合梁理论是对于水平成层的岩土，当没有锚杆加固时，层理面是分离的，层问 粘结强度小，成层岩土类似无粘结的叠合梁。当有锚杆加固时，各层面问相互挤压， 层间摩擦阻力增加，成层岩土变成了整体性较好的组合梁，从而提高了岩土的承载 能力。 挤压加固理论是假设许多锚杆以适当的间距排列，相邻锚杆的加固效应相互重 叠，形成一定厚度的连续压缩带，使松散岩土被加固成能承受较大荷载的整体结构。 内压理论用锚杆加固松软岩层中的隧道稳定性时，锚杆拉力的反作用力呈内压状 态作用于隧道壁，在内压作用下隧道壁呈三维应力状态，壁面承受切向应力的能力 增大，使围岩呈现较好的稳定状态。 以上这些理论在特定的岩土条件和锚固方式下反映了锚杆的加固机理，相应的 力学模型比较粗糙。由于其计算方法简单，在目前的机理分析和设计中仍广泛采用。 近年来，锚杆加固理论随着支护的广泛应用不断发展，出现了许多新的理论。 等效模型理论这种理论将锚杆对周围岩土的作用等效为周围岩土力学参数 ( e 、b ) 的改善，用弹性、弹塑性理论等将洞室围岩视为无限平面带有复合圆环的 力学模型，计算出锚杆加固圈内的应力场和位移场，这种方法的缺点在于锚杆加固 圈内的力学参数很难准确确定。 中性点理论该理论认为，全长粘结式锚杆是靠其与孔壁之间的粘结应力阻止 围岩向自由面变形的，剪应力的大小与围岩和锚杆之问的相对位移成正比，靠近自 1 0 华北水利水电学院硕十学位论文 由面的一段锚杆，因阻止围岩向外移动，产生指向围岩自由面的剪应力，其余一段 锚杆因受该段的拉拔作用，锚杆表面的剪应力必然指向围岩内部，以满足锚杆的静 力平衡，因此在锚杆长度内存在一个剪应力改变方向的点，称为中性点，其剪应力 为零，轴向力最大。以此为基础运用力学方法对锚杆的轴力进行计算，得到全长粘 结式锚杆的极限长度与相应的直径，此方法的不足之处是未考虑锚杆的存在对锚固 层以外岩土的影响。 力学解析法这种方法把围岩视为受外围均匀压力的带圆柱孔的无限体，单一 的锚杆用一对集中力作用于锚杆端部或均匀分布的集中力( 对于全长锚固锚杆) 来 代替，运用弹性、弹塑性或粘弹性力学的方法，得到锚