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g f r p 锚杆抗拉特征及破坏机理试验研究 摘要 岩土锚固是岩土工程领域的重要分支，在岩土工程中采用锚固 技术，能比较充分地调动和提高岩土体自身的强度和稳定性，缩小 结构物尺寸并减轻其自重，显著节约工程材料，有效控制岩土体变 形，锚固技术已经成为提高岩土体工程稳定性和解决复杂岩土工程 问题的有效方法之一。锚杆作为地下工程和岩石边坡的主要支护形 式，对工程结构物稳定性的维护起着非常重要的作用。随着锚固技 术的拓宽和发展，钢锚杆已广泛应用在边坡、基坑、隧道、地下工 程、坝体、机场、港口、挡土墙、桥台锚固等工程建设项目中，并 且其应用范围在日益扩大。 然而，工程实践表明，传统的钢锚杆在锚固工程中的应用存在 着一些突出的问题，如耐腐蚀性较差、自重大、运输和安装困难等， 钢锚杆的这些不足一定程度上制约了其应用，尤其是钢筋的腐蚀， 不仅影响了结构的耐久性，严重时还会出现重大工程事故。 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 ) 锚杆是以玻璃纤维为增强 材料，以合成树脂为基体材料，并掺入适量辅助剂，经拉挤成型技 术和必要的表面处理所形成的一种新型复合材料锚杆，具有比强度 高、耐腐蚀性好、可设计性强、抗疲劳性能好、耐电磁等独特优点。 用g f r p 锚杆代替钢锚杆用于工程支护，可在一定程度上克服钢锚 杆的不足，也必将为锚固技术的发展开辟更为广阔的应用前景。 目前，国内外对g f r p 锚杆的研究和应用相对较少，在设计理 论和生产应用方面几乎处于空白，为推动其在锚固工程中的广泛应 用，本文结合广东省交通科研项目( 项目名称：g f r p 锚杆加固高边 坡试验研究；编号：2 0 0 4 1 7 ) ，主要进行了两个方面的实验，一方 面是用自行设计的螺纹耦合半模钢夹具进行了g f r p 锚杆杆体单拉 实验，其目的是得出g f r p 锚杆的抗拉强度特征并对该试验方法的 合理性进行探讨，另一方面是设计并制作了3 个锚杆结构室内拉拔 试验模型，进行了3 次2 个构件的并行破坏性试验，其目的是全面 了解g f r p 锚杆的破坏机理及不同砂浆体强度条件下杆体可能的破 坏形式，根据试验发生的现象和对试验测试所得数据的分析，得出 了一系列结论，其主要研究成果如下： ( 1 ) 通过分析三个批次试验的9 1 个试件的结果，提出了一种简 便可行的直接测定g f r p 螺纹筋材抗拉强度的拉伸试验方法；提出 了不同截面大小g f r p 螺纹筋材受拉过程可能的破坏形式；提出了 g f r p 螺纹筋材受拉过程的应力应变曲线的合理形态特征：推荐使用 g f r p 锚杆抗拉强度试验装置联合电子引伸计的方法进行g f r p 螺 纹筋材抗拉试验；分析了g f r p 筋材抗拉强度与几何尺寸的关系和 抗拉强度的离散性的内在原因； ( 2 ) 设计了室内拉拔模型试验，根据试验发生的现象和对试验测 试所得数据的分析，肯定了g f r p 锚杆拉拔试验模型的合理性，说 明了砂浆体强度与锚杆的应力传递深度的关系，指出了g f r p 螺纹 锚杆剪应力的峰值特征和随荷载增加的变化趋势，结合砂浆体内的 应力分布特征，充分论证了g f r p 螺纹锚杆结构的可能的破坏形式 和破坏机理。 关键词：g f r p 锚杆，夹具，电子引伸计，拉拔模型试验，破 坏机理，分布式光纤 e x p e rlm e n t a ls t u d yo nt e n sil ec h a r _ i c t e ra n d f a i l u r em e c h a n i s mo fg f r pr e b a r a b s t r a c t g e o t e c h n i c a la n c h o r a g ei sa ni m p o r t a n tb r a n c hi ng e o t e e h n i c a l e n g i n e e r i n gf i e l d ，a n c h o r i n gt e c h n o l o g y c a n s u f f i c i e n t l y i n c r e a s e s t r e n g t ha n ds t a b i l i t yo fr o c ka n ds o i lb u l k , r e d u c es i z eo fs t r u c t u r e ， l i g h t e ni t ss e l f - w e i g h t ，e c o n o m i z en o t a b l ye n g i n e e r i n gm a t e r i a l ，c o n t r o l e f f e c t i v e l yd e f o r m a t i o no fr o c ka n ds o i lb u l k ，a n c h o r a g et e c h n o l o g yh a s b e e na ne f f e c t i v em e t h o df o r i n c r e a s i n gs t a b i l i t y o f g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n ga n ds o l v i n gc o m p l i c a t e dr o c ka n ds o i le n g i n e e r i n gp r o b l e m r e b a ra sam a i ns u p p o r t i n gf o r mo fu n d e r s t r u c t u r ea n dr o c ks l o p ew i l l y i e l dv e r yi m p o r t a n t e f f e c tf o rm a i n t e n a n c eo ft h e s t a b i l i t y o f e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e w i t h t h ec o n t i n u a t i o na n dd e v e l o p m e n to f a n c h o r a g et e c h n o l o g y , s t e e l r e b a rh a sb e e n w i d e l ya p p l i e d i n e n g i n e e r i n gp r o j e c t ，s u c ha ss l o p e 、t r e n c h 、t u n n e l 、u n d e r s t r u c t u r e 、d a m 、 a i r p o r t 、h a r b o r 、b r i d g ea b u t m e n ta n ds oo n ，a n di t sa p p l y i n gr a n g ei s i n c r e a s i n gy e a rb yy e a r h o w e v e r , e n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ei n d i c a t i n g ：t r a d i t i o n a ls t e e lr e b a r h a ss o m ep r o m i n e n td e f e c ti nt h ea p p l y i n go fa n c h o re n g i n e e r i n g ，s u c h a s ：l o wc o r r o s i o nr e s i s t a n c e 、h i g hs e l f - w e i g h t 、d i f f i c u l tt ot r a n s p o r ta n d a s s e m b l ea n da le t t h ed e f e c to fs t e e lr e b a rr e s t r i c t si t s a p p l i c a t i o n ， e s p e c i a l l yt h ec o r r o s i o n ，n o to n l yi n f l u e n c et h ed u r a b i l i t yo fs t r u c t u r e ， b u ta l s ol e a dt oh e a v ye n g i n e e r i n ga c c i d e n tu n d e rd a n g e r o u ss i t u a t i o n s t h eg l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ( g f r p ) r e b a ri san e wk i n do f m a t e r i a lf o r m e dw i t hr e s i na n d g l a s s f i b e r c o m p o u n d ，w i t hg o o d c h a r a c t e ro fh j i g ht e n s i l es t r e n g t h ，e 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 ，l o w s p e c i f i cw e i g h ta n ds i m i l a rc o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o nt oc o n c r e t e ， t h et e n d e n c yo fg f r pi n s t e a do fs t e e lf o rg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gi s i n c r e a s i n gy e a rb yy e ar u s i n gg f r pr e b a ri n s t e a do fs t e e lr e b a rf o r e n g i n e e r i n gr e i n f o r c e m e n tc a no v e r c o m et h ed e f i c i e n c yo fs t e e lr e b a ri n s o m ed e g r e e ，a n dt a pm o r ea p p l i c a t i o np r o s p e c tf o rt h ed e v e l o p m e n to f a n c h o rt e c h n o l o g y n o w a d a y s ，r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fg f r pr e b a ra r er e l a t i v e l y d e f i c i e n ti nh o m ea n da b r o a d ，i ti sa l m o s tv o i do nd e s i g nt h e o r ya n d p r o d u c t i o n ，f o ra p p l y i n gw i d e l yi na n c h o re n g i n e e r i n gf i e l d ，t h i st e x t p r i n c i p a l l y c a r r i e do nt w oa s p e c t so ft e s tb a s e do nt h e p r o j e c to f g u a n g d o n gc o m m u n i c a t i o ns c i e n t i f i cr e s e a r c h ( n a m eo ft h ep r o j e c t ： e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fg f r pr e b a rf o rh i g hs l o p er e i n f o r c e m e n t ； s e r i a ln u m b e r ：2 0 0 4 1 7 ) ，i no n ea s p e c t ，p u l l - o u tt e s t so fg f r pr e b a ra r e c a r r i e do u tu s i n gs c r e wc o u p l i n gs e m i - m o u l ds t e e lj i g d e s i g n e db y o u r s e l v e s ，w i t ht h ea i mo fo b t a i n i n gp u l l - o u ts t r e n g t hc h a r a c t e ro fg f r p r e b a ra n dd i s c u s s i n gt h er e a s o n a b l e n e s so ft e s tm e t h o d ，i na n o t h e ra s p e c t ， l a b o r a t o r yp u l l o u t t e s tm o d e la r ed e s i g n e da n d s i m u l a t e d ，p a r a l l e l d e s t r u c t i v et e s to ft w os p e c i m e n sh a v eb e e nc o n d u c t e df o rt h r e et i m e s ， w i t ht h ea i mo fs u f f i c i e n t l ya r g u i n gp r o b a b l ed e s t r u c t i v ef o r ma n d m e c h a n i s mo fg f r ps c r e wr e b a r s t r u c t u r e ，a c c o r d i n g t ot h et e s t p h e n o m e n o na n dr e s u l to ft h ea n a l y z e dt e s td a t a ，as e r i a lo fc o n c l u s i o n s a r eg a i n e d ，a n dt h em a i nr e s e a r c ha c h i e v e m e n ta r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l to f9 1s p e c i m e n sd i v i d e di n t ot h r e e b a t c h e s ，as i m p l ee a s i l yc o n t r o l l e dt e n s i l et e s tm e t h o df o rd i r e c t l y d e t e r m i n i n gg f r p b a r st e n s i l es t r e n g t hi sp u tf o r w a r d ，t h ef a i l u r ef o r m s f o rg f r pb a rw i t hd i f f e r e n ts e c t i o n sa n dt h er e a s o n a b l em o r p h o l o g i c a l c h a r a c t e ro fs t r e s s s t r a i nc u r eo fg f r pb a ri nt h et e n s i l ep r o c e s sa r e p r e s e n t e d ，w ep u tf o r w a r dar e a s o n a b l et e n s i l et e s tm e t h o df o rg f r pb a r a n dr e c o m m e n du s i n gt h em e t h o da s s o c i a t i n ge l e c t r o n i ce x t e n s o m e t e r , t h e nt h er e l a t i o n s h i po fg f r pr e b a r st e n s i l es t r e n g t hv a r y i n gw i t hi t s p h y s i c a l d i m e n s i o na n di n t r i n s i cc a u s eo fi t st e n s i l e s t r e n g t h s d i s c r e t e n e s si sa n a l y z e d ( 2 ) l a b o r a t o r yp u l l o u tm o d e lt e s t sa r ed e s i g n e d ，a c c o r d i n gt ot h e t e s t p h e n o m e n o na n d r e s u l to ft h ea n a l y z e dt e s t d a t a ，r a t i o n a l i t yo f g f r pr e b a rp u l l - o u tt e s tm o d e la r ea f f i r m e d ，t h er e l a t i o n s h i po fm o r t a r b u l ks t r e n g t ha g a i n s tr e b a r ss t r e s st r a n s f e rd e p t hi s e x p l a i n e d ，a n dt h e t r e n do fp e a kv a l u ec h a r a c t e ro fg f r ps c r e wr e b a r s s h e a r i n gs t r e s s v a r y i n gw i t ha d d i n go fl o a da r ep r e s e n t e d ，c o m b i n gs t r e s sd i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fm o r t a rb u l k ，p r o b a b l ed e s t r u c t i v ef o r ma n dm e c h a n i s m o fg f r ps c r e wr e b a rs t r u c t u r eh a v e b e e ns u f f i c i e n t l ya r g u e d k e y w o r d s ：g f r pr e b a r ，j i g ，e l e c t r o n i ce x t e n s o m e t e r ， p u l l o u tm o d e le x p e r i m e n t ，f a i l u r em e c h a n i s m ，d i s t r i b u t e df i b e r - o p t i c 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反 学术道德、学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位 论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得华北水利水电学院或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示 了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：高磊 保证人( 导师) 签名：j 。fj l 一手 签字日期：。7 f 签字日期：一。7 ，石 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特 授权华北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关 数据库提供检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件 和电子文档。( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规定) 导师签名： 三。f 江篁 签字日期：。7 毳 高6 铄 曰 拖 p 作 ： 文 期 论 日 位 字 学 签 华北水利水i 乜学院硕l ：学位论文 第1 章绪论 玻璃纤维增强聚合物( g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ) 是一种由树脂基体 和玻璃纤维复合而成的新材料，具有抗拉强度高、耐腐蚀、自重轻等优良特性， 其取代钢筋用于岩土工程的趋势在逐年增长，g f r p 锚杆也是一种新的正探索 的应用形式。本章首先介绍了锚杆材料的发展，进而引出了g f r p 锚杆，对其 优良特性及其国内外研究现状进行了回顾，接下来讨论了g f r p 锚杆在研究和 应用方面所存在的问题，最后提出了本文的主要研究工作。 1 1 锚杆材料的发展 岩土锚固是岩土工程领域的重要分支，在岩土工程中采用锚固技术，能提 高岩土体自身强度和稳定性，缩小结构物尺寸并减轻其自重，显著节约工程材 料，有效控制岩土体变形，锚固技术已经成为提高岩土体工程稳定性和解决复 杂的岩土工程问题的有效方法之一。近十几年来，我国岩土锚固新理论、新技 术、新方法不断涌现，已在边坡、基坑、隧道、地下洞室、矿山、坝体、航道、 水库、机场、码头及抗倾、抗浮结构等工程建设中广泛应用。随着我国大力兴 建基础设施，特别是水利、交通、能源及城市基础设施建设力度的加大，岩土 锚固将展示出广阔的发展前景“。1 。 随着锚固技术的拓宽和发展以及锚固理论的深入和工程应用的推广，钢锚 杆几乎应用于土木建筑领域的各个方面，并且其应用领域在日益扩大。锚杆的 拉杆是将来自锚头的拉力传递给锚固体，是锚杆重要的部件之一。因此，实际 工程中，对拉杆的材料有特殊的要求。而衡量拉杆材料性能的主要指标有强度、 延展性、松弛性、弹性模量和抗腐蚀性等，理想的拉杆材料应具有强度高、良 好的抗腐蚀性、低松弛等性能。在目前的岩土工程中，通常采用抗拉强度高的 钢材作为拉杆，如钢绞线，高强度钢丝或高强度螺纹钢筋等，当预应力较小 ( 2 0 m ) 或地层徐变较大时，宜采用钢绞线作为拉杆，低 质钢材通常只适用于制作使用寿命不长的短锚杆或不要求使用预应力的i 临时锚 第1 章绪论 杆。 然而钢锚杆在应用的过程中存在着自重大、运输和安装困难等问题，尤其 是钢锚杆的腐蚀，不仅影响结构的耐久性，严重时还会出现重大工程事故。影 响锚杆拉杆腐蚀的因素除自身的物理化学性质、地下水和地层的水化和电学性 质外，地层的化学成分对腐蚀的形成和发展具有重大影响，特别是当地层中存 在钠盐、钙盐和镁盐( 一般酸性的碳酸盐、硫酸盐、氯盐) 时，由于这些盐的可 溶性高，易于被地层中的水分解，于是为锚固工程中应用的钢锚杆( 如钢绞线、 高强钢丝或高强螺纹钢筋) 与周围介质之间提供了极有利的电化学反应环境，使 传统的钢锚杆易于腐蚀。特别是近年来，大气污染加重，许多地区所降酸雨量 加大，使相当一部分建筑物在设计基准期内的安全受到威胁，需要花费大量的 人力、物力去养护维修。所以，对锚固工程中应用的钢锚杆特别是永久性钢锚 杆，必须进行防腐设计，并采取适当的防腐措施。 现已采用许多方法控制混凝土结构中钢筋腐蚀的进程，如在混凝土中掺外 加剂和掺合料提高混凝土的渗透性或在钢筋表面加环氧涂层，后者已广泛用于 桥梁和停车场工程中，像合成隔膜、橡胶混凝土、阴极保护、使用专用漆和加 密封层等技术也在工程中得到应用。对腐蚀环境中的永久性钢锚杆，其锚固段 内的杆体易用波纹管外套，管内空隙用环氧树脂、水泥浆或水泥砂浆充填，自 由段内杆体表面易涂润滑油或防腐漆，然后包裹塑料布，在塑料命上再涂润滑 油或防腐漆，最后放入塑料套管中，形成双层防腐嘲。由此可见，钢锚杆的防 腐保护使锚固工程工作量大、耗材多、施工复杂，另外，钢锚杆自重大、制造、 运输和安装困难。因此，研究和开发轻质高强、耐腐蚀、低松弛的新型锚杆代 替钢锚秆将具有重要的理论意义、实用价值和经济效益。 1 2 玻璃纤维塑料增强筋的提出 基于钢筋腐蚀造成危害的严重性，人们对钢筋腐蚀现象的认识以及为此所 进行的科学研究、技术开发正在逐步深入。玻璃纤维增强塑料筋( g f r pb a r ) 是 f h 玻璃纤维和树脂基体复合而成的一种新材料，它采用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胶液后，在拉挤机的牵引下，通过预成型 模进入加热模具，在高温高压下固化，经表面处理后成型为全螺纹纤维增强塑 2 华北水利水电学院硕士学位论文 料筋材。其突出优点是( 1 ) 具有较好的抗腐蚀性、耐久性好；( 2 ) 抗拉强度高， 等于甚至高于预应力钢筋；( 3 ) 自重轻，只有预应力钢筋的1 5 - 2 0 ；( 4 ) 低松弛 性，荷载损失小；( 5 ) 优良的抗疲劳特性；( 6 ) 对电磁场不敏感。 岩土锚杆是一种轴向受拉杆件，纤维增强塑料筋作为拉杆，其高轴向抗拉 强度可以得到充分发挥；纤维增强塑料筋高抗腐蚀能力使纤维增强塑料筋锚杆 更耐久，并且不需作防腐处理，也使纤维增强塑料筋锚杆的制造更为简单，放 置纤维增强塑料筋锚杆只需较小的孔径就足够了，这就节省了制造和钻孔的费 用；纤维增强塑料筋锚杆自重轻，使得运输、加工、安装变得更容易、更高效， 特别在进出场地受到限制的工程中，像水坝和地基的施工，纤维增强塑料筋的 这一特性更加突出；纤维增强塑料筋的抗电磁性可使其应用在一些特殊的场合， 如应用在电场、电气化路轨等附近有散乱电流的地方；纤维增强塑料筋的弹性 模量较低，这能使因徐变和锚固系统及地层的松弛引起的荷载损失降低”1 。因 此，纤维增强塑料筋锚杆的使用必将为锚固技术在岩土工程中的应用开辟更为 广阔的应用前景。 1 3 国外研究现状m 国外学者自2 0 世纪6 0 年代开始研究用f r p 筋( c o n t i n u o u sf i b e rr e i n f o r c e d p l a s t i c s ，简称f r p 筋) 代替钢筋解决钢筋锈蚀问题，经过3 0 年的研究，认为 采用g f r p 筋替代普通钢筋是行之有效的方法“1 ，他们对f r p 筋所进行的研究 工作，多数是测试f r p 筋混凝土试件的抗拉拔、抗弯性能，论证f r p 筋替代钢 筋应用于混凝土结构的可行性，近年来，在欧洲、北美、日本等发达国家开始 用纤维增强聚合物筋取代建筑钢筋，试图从根本上解决由钢筋腐蚀所引起的土 木工程耐久性问题。 在欧洲，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，同时设立了研究该材料的重大欧共体合作研究项目( 简称 e u r o c r e t e ) ，并投入了雄厚的人力、物力，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塑料筋用于土木工程的实验方法标准和设计施 工规程：瑞士w e i d m a n 公司成功地推出了全螺纹锚杆、注浆锚杆和全螺纹锚索， 并在矿山、隧道等工程中得到了应用；法国赛尔泰特( c a l c i t e ) 公司研制生产 3 第1 章绪论 的玻璃钢锚杆简单、实用：9 0 年代初，前苏联的劳动保护与安全管理局和矿山 管理局立项，试制以玻璃纤维为增强材料和绞合式聚合材料锚杆，1 9 9 1 年生产 出第一批并进行了井下工业性试验“3 ：在德国和奥地利，玻璃纤维增强塑料筋 已用于7 座公路桥和人行桥的加固”1 。 在北美，也有两座用玻璃纤维增强塑料筋和碳纤维增强塑料筋( 索) 加固 ，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( 简称i s i s ) ， 1 9 9 7 和1 9 9 8 年政府投入3 0 0 0 多万元用于开发新型的纤维增强塑料筋以及纤维 增强塑料筋用于混凝土结构、地下工程、锚固工程以及桥梁工程的研究，加拿 大学者d a 彼德森等9 0 年代初研制成功了玻璃纤维锚索，证明技术经济上都 有明显优势”1 ：美国也成立了相应的专业委员会( a c ic o m m i t t e e4 4 0 ) ，目前正 在编制纤维增强塑料筋及其混凝土结构的实验方法标准及设计施工规程。 在日本，芳纶纤维增强塑料筋和碳纤维增强塑料筋作为研究和开发的重点， 其研究项目主要集中在纤维增强塑料筋、板及网产品的研制、实验方法以及应 用于混凝土构件、地下工程的设计方法的研究等方面，1 9 9 0 年，纤维增强塑料 筋锚杆在日本首先用于加固一人行桥的桥台( m o c h i d ae ta 1 1 9 9 2 ) ，现已作为拉 杆广泛应用于高速公路的挡土墙和高边坡等岩土锚固工程中”1 ，在此基础上， 日本的j s c e 公司于1 9 9 7 年提出了连续纤维材料( 筋、薄板和网) 增强混凝土结 构的设计和施工建议。 1 4 国内研究现状 国内在这方面的研究刚刚起步，用纤维和胶结物所形成的树脂基复合材料 在其它领域应用广泛，但作为支护结构应用于岩土工程方面的研究还较少，其 实际应用尚处于探索阶段，目前已有厂家生产g f r p 锚杆，仅限于在煤巷临时 加固中使用，用于永久边坡加固工程还没有见到相关报道，有关这方面的设计 和施工规范基本上处于空白状态。 1 9 9 5 年河海大学获得水利部水利科技基金，薛伟辰博士开始在国内首次开 展了纤维增强塑料筋锚杆的试验研究，基于6 3 个试件的拔出试验，对纤维塑料 筋锚杆与多种环境介质之间的界面粘结强度进行了较为系统的研究，研究表明， 纤维塑料增强筋锚杆具有较高的界面粘结强度“”。煤炭研究总院北京建井研究 华北水利水电学院硕上学位论文 所范世平等人( 1 9 9 6 年) 对玻璃钢锚杆材质的性能、锚杆的结构特点、拉力试 验、粘结力及抗扭力试验情况进行了介绍1 。北方交通大学的杨振茂等人于2 0 0 1 年对玻璃钢锚杆杆体原材料、生产工艺与杆体的拉伸性能及锚尾性能进行了实 验研究，试验结果表明该锚杆性能良好，能满足煤帮支护的要求“。中国矿业 大学的马念杰等人于2 0 0 1 年了对国内外玻璃钢锚杆的发展现状及趋势进行了 综合分析，设计出了一种新型的压痕式金属套管锚尾玻璃钢锚杆结构“1 。辽宁 工程技术大学的张向东等人于2 0 0 1 年通过对纤维硬塑复合材料进行正交试验， 获得了纤维硬塑复合材料的最佳配比，研究了固化时间与杆体强度的关系，杆 体直径对强度的影响，并在实验的基础上，对杆体的损伤破坏机理进行了分析 “。周红安等人介绍了水泥灌浆玻璃钢杆的拉拔试验，通过加载端滑移量外加 荷载曲线分析了其受力和破坏机理( 2 0 0 2 年) 1 。谢晶晶等人对( 郑州大学2 0 0 2 年) 纤维增强塑料筋锚杆的粘结滑移机理及支护设计方法进行了研究，提出了 简化的四折段粘结滑移本构模型“。高丹盈、朱海堂等人对纤维塑料增强塑料 筋锚杆锚固性能进行了数值模拟“5 ”1 。袁勇等人( 同济大学2 0 0 3 年) 对在性 价比方面就g f r p 加固边坡、大型洞室等土木工程领域进行了可行性研究“”。 大断面玻璃钢锚杆支护已在平顶山煤矿得以应用“”。闫富有等人( 郑州大学 2 0 0 4 年) 通过对直径为2 5 唧的g f r p 螺纹杆的材性试验和灌浆锚固下的拉拔 力测试试验，研究了g f r p 的锚固性能，试验结果表明g f r p 螺纹杆的抗拉能力 高于同直径的钢筋，其最大拉拔力比同直径的螺纹钢低3 0 左右，一般的砂浆 锚固不能充分发挥g f r p 的材料优势“”。煤炭科学总院的韩洪亮等人于2 0 0 5 年 对有代表性的几种玻璃钢锚杆的抗拉强度、抗剪强度、尾部连接部位及螺纹承 载力的实验结果进行了分析，指出了目前国内玻璃纤维增强塑料杆体在主要的 力学性能上存在的不足，提出应该在所用的材料、配方、工艺等方面进一步改 进，以保证玻璃纤维增强塑料杆体产品质量的稳定性以及其力学性能的提高。 文献 2 1 、2 2 通过在芯材上缠绕玻璃纤维制作结构混杂的g f r p 小试件，研究 如何改善g f r p 筋延性特征，所用试件为小尺寸哑铃状；国家自然科学基金 1 9 7 7 2 0 5 8 号项目，使用颈部为8 x 8 m m “哑铃”形状的g f r p 薄板试件，研究在 1 2 0 2 0 范围的冲击拉伸力学性能；文献 2 3 根据玻璃纤维与三种树脂结合 的小试件( 3 0 0 m m 样条) 的抗拉力学性能，指出玻璃纤维增强环氧乙烯基树脂 5 第1 章绪论 的效果较好；文献 2 4 j 利用颈部为1 0 0 x 1 0 m n “哑铃”形状的玻璃布一环氧层薄 板试件，试件端部宽2 5 m m ，研究在0 - 3 0 c 范围的冲击拉伸力学性能。 1 5 存在的问题町 ( 1 ) 纤维增强塑料筋锚具的受力性能研究较少 实际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。与 钢锚杆相比，这种多轴应力状态对纤维塑料筋锚杆更为重要，这是因为纤维增 强塑料筋锚杆对压力、剪力及筋表面的变形( 如压痕、凸肋、螺纹等) 效应更加 敏感。纤维增强塑料筋锚杆的横向抗压强度及层自j 剪切强度与其抗拉强度之比 很低，对现有的锚固系统来说，这是对纤维增强塑料筋锚杆应用于岩土工程的 极大挑战。传统的钢筋锚固系统( 如钢楔块锚固系统) 对纤维增强塑料筋锚杆锚 固系统来说，并不能确保荷载的有效传递，且有可能因为纤维增强塑料筋拉杆 的横向剪切性能差而导致锚固系统过早的失效。因此必须开发出适用于纤维增 强塑料筋锚杆特点的锚固系统，包括纤维增强塑料筋锚杆锚头的锚具及锚具与 纤维增强塑料筋粘结的粘结剂。 根据荷载传递机理，在纤维增强塑料筋锚杆施工中常用的两种锚固系统为 钢套粘结式和楔形粘结式，前者的原理是纤维增强塑料筋拉杼通过粘结材料与 钢套粘结成为一体，通过钢套再与紧固器连接，钢套粘结式锚固系统常用于后 张拉法预应力土锚杆中，单根或多根纤维增强塑料筋平行或呈圆锥形用灰浆浇 筑于钢套中，钢套的内表面呈锯齿形以增强枯结强度，其外表面呈螺纹状以便 于锁紧螺帽，这种类型的锚固系统适合所有类型的纤维增强筋，据报道，对 c f c c 筋和t e c h n o r a 筋锚杆，其锚固效率可达1 0 0 ( n a n n ie ta l ，n o r i t a k ee ta 1 1 9 9 3 ) 。楔形粘结式锚固系统常用于先张拉法锚杆，其原理是用坏氧树脂将单根 或多根纤维增强塑料筋浇筑在圆锥形套筒内，再用钢楔块握裹单个套筒，荷载 通过粘结力和横向楔块压力传递，在施工中，楔形粘结式锚固系统使用与横向 抗压强度和剪切强度较低的纤维增强塑料筋，利用这种锚固系统，其锚固效率 可达0 9 以上，但是这些研究是初步的，必须进一步深入研究钢套几何尺寸、 粘结材料类型和强度对纤维塑料筋锚固系统的影响及建立锚具承载力的计算方 法。 6 华北水利水l 乜学院硕j ：学位论文 ( 2 ) 纤维增强塑料筋锚杆与水泥浆、水泥砂浆的粘结性能研究不够 纤维增强塑料筋锚杆的锚固力不仅与锚固体的水泥浆或水泥砂浆以及岩土 界面的粘结力、摩擦角、挤压力等因素有关，还与纤维增强塑料筋拉杆与水泥 浆或水泥砂浆的界面粘结性能有关。水泥浆或水泥砂浆与地层岩土界面的粘结 性能可取决于用钢锚杆的有关实验研究结果，但必须研究纤维塑料增强筋拉杆 与水泥浆或水泥砂浆的界面粘结性能，如纤维增强塑料筋拉杆与水泥浆或水泥 砂浆的粘结机理，以及其粘结一滑移关系的测试及模型的建立，纤维增强塑料筋 拉杆应变深度函数及其与水泥浆、水泥砂浆界面剪应力沿杆长的分布模型等方 面的内容。 ( 3 ) 考虑纤维增强塑料筋拉杆、粘结材料( 如浆体) 性能、岩土之问的相互作 用的纤维增强塑料筋锚杆承载力的计算方法还没有引起足够的重视。 1 6 本论文的主要工作 本项目依托国家重点工程“粤赣高速公路高边坡加固”，其研究的目标是论 证g f r p 筋材代替钢筋作为锚杆在永久性加固工程中使用的可行性，国内有煤 矿将g f r p 锚杆用于煤巷临时加固结构中，主要是利用其易于切割且不打火的特 点，g f r p 螺纹筋的制作工艺的稳定和成熟也为g f r p 锚杆的应用研究提供了 可能。为了研究g f r p 锚杆替代传统钢筋锚杆的可行性，深入了解g f r p 锚杆 工作机理，为推广应用g f i 冲锚杆提供必要的技术依据，本文特进行了以下两 方面的研究工作。 ( 1 ) 杆体强度特征及试验方法研究 虽然玻璃纤维的抗拉强度非常大，但g f r p 筋用于混凝土结构中，决定其 能否发挥作用的要素不是其抗拉强度够不够，而是筋材和混凝土界面的粘结强 度能否满足要求。因此，国内外以往的研究工作主要是围绕g f r p 筋的粘结强 度开展的，直接研究其抗拉性能的成果较少见到。 锚杆作为一种受拉构件，其极限拉拔力、抗拉强度、弹性模量、延伸率是 必要的设计参数，国内的岩土工程中，常规钢筋锚杆的直径很少有小于f 2 5 的， 研究g f r p 筋替代钢筋作为锚杆使用的可行性，需要研究大直径g f r p 筋的抗 拉力学性能，由于g f r p 材料的脆断特性，对于大直径的g f r p 筋材，常规拉 7 第1 章绪论 伸试验夹持试件的做法，很难保证试件在中部破坏，直接拉伸试验很难成功， 目前，国内这种试验做的不多，相关规范仅适用于板材，文献也较少；同时， 复合材料不同于金属等均质材料，在试件加工过程中或由于原材料本身的缺陷， 在杆体内部易形成“弱”纤维，而其最终强度往往取决于这些“弱”纤维，单 纯采用把试件加工成“哑铃”状，用小直径试件试验不符合锚杆的实际应用情 况，也曾尝试采用不同的小直径试件进行试验，用回归分析的方法估计大直径 试件的力学指标，但由于材料的不匀质性及生产工艺等方面的原因，其结果与 实际情况的差距较大。 为此，本文通过改进试验方法，采用专门加工的试件夹具，对大直径g f r p 筋材进行足尺寸试件抗拉试验，直接测定杆体的强度指标，为不同直径g f r p 筋的真实强度指标测定提供一种可行的手段，从而进一步研究其相关力学性能， 论证其用于永久加固工程的可行性。 ( 2 ) 杆体界面破坏机理研究 锚杆加固结构常见的破坏形式有以下几种情况锚杆自身强度不足；锚 杆和砂浆界面剪切破坏：砂浆体强度不足导致的倒锥形拔出破坏；砂浆和 围岩界面剪切破坏。为研究g f r p 锚杆替代螺纹钢筋锚杆的可靠性，需要研究 上述不同情况下g f r p 锚杆的性状特征。 基于以上考虑，本文设计了模拟颦硬围岩体内的锚杆结构模型，采用自制 的应变砖和分布式光纤等测试手段，进行了3 次2 个构件的并行破坏性试验， 通过室内模型试验结果的分析，指出了模型选择的合理性，对g f r p 锚杆的界 面破坏机理进行了深入探讨。 8 华北水利水i u 学院硕i 学位论文 第2 章g f r p 锚杆基本物理性能指标 g f r p 筋料是由玻璃纤维和树脂基体复合而成的一种新材料，它采用纤维 纱浸渍含有固化剂、促进剂等多种助剂的不饱和聚脂树脂胶液后，在拉挤机的 牵引下，通过预成型模进入加热模具，在高温高压下固化，经表面处理后成型 为全螺纹纤维增强塑料筋材。玻璃纤维、树脂以及固化剂、促进剂品种和性能 的不同将会不同程度的影响g f r p 筋材的力学性能指标。本章主要是简单介绍 g f r p 筋材的材料组成、组份性能以及g f r p 锚杆的基本物理力学性能指标。 2 1g f r p 锚杆的组成材料及生产工艺 2 1 1 玻璃纤维 玻璃纤维及其制品是玻璃钢的主要承力材料，在玻璃钢中起着增强骨架的 作用，对玻璃钢的力学性能起主要作用，可减少产品的收缩率，提高材料的热 变形能力和抗冲击等性能。 2 1 1 1 玻璃纤维的分类 按玻璃纤维成分中有无碱金属氧化物( 主要是n a 2 0 、k 2 0 ) 来划分，可以分 为无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、高碱玻璃纤维和特种玻璃纤维四大类。 ( 1 ) 无碱玻璃纤维指化学成分中碱金属氧化物含量为0 - 2 的铝硼硅酸盐 成分的玻璃纤维，其特点是具有良好的电绝缘性、耐水性和机械强度，主要用 作电绝缘材料以及玻璃钢、工程材料、橡胶等的增强材料，称为e 玻纤( e l e c t r i c a l g l a s sf i b e r ) 。 ( 2 ) 中碱玻璃纤维指化学成分中碱金属氧化物为8 - 1 2 的钠钙硅酸盐体系 的玻璃纤维，其特点是耐酸性好，机械强度为无碱玻璃纤维的7 5 左右，主要 用于乳胶布及窗纱的基材，也可用作酸性过滤布和对电性能、强度要求不很高 的增强材料，由于中碱玻璃纤维成本比e 玻纤低，故用途广泛，这类玻璃纤维 常常选用含硼、钙高，含碱低的成分，耐水、耐酸性较强，称为c 玻纤( c h e m i c a l g l a s sf i b e r ) 。 9 第2 章g f r p 锚杆崔奉物理忡能指标 ( 3 ) 高碱玻璃纤维指化学成分中碱金属氧化物含量为1 4 - 1 7 的钠钙硅酸 盐系统的玻璃纤维，这种纤维的含碱量高，故机械强度低，耐水性差，耐酸性 好，原材料来源方便，价格低。这种玻璃因含碱量高，称为a 玻纤( a l k a l ig l a s s f i b e r ) 。 ( 4 ) 特种玻璃纤维是指适应特殊用途的玻璃纤维，如高弹性模量玻璃纤维 ( m 一玻纤) 引入b e o 、l i 2 0 、z r 0 2 、t i 0 2 ；防辐射玻纤引入p b o 、z r 0 2 、b a o 、 t a 2 0 5 、w 侥等。