（岩土工程专业论文）考虑钢筋锈蚀的锚杆耐久性评估研究.pdf

摘要 岩土锚固在我国土木、水利和建筑工程中已得到广泛应用，其成效显著。 岩土锚固的耐久性与安全评价是当前岩土工程界普遍关注的一个热点问题，也 是影响岩土锚固工程安全性的一个关键问题。锚固类结构具隐蔽性，地下腐蚀 环境较恶劣等特点，对耐久性的要求严格。鉴于这类结构已经和正在出现的一 些问题，人们对其安全性与耐久性问题愈来愈关注解决锚固类结构耐久性、使 用寿命预测和防护对策问题不仅具有理论价值，而且有着有着重要的工程意义。 本文在前人的研究成果的基础上，运用弹性力学，材料科学，数值分析以 及灰色系统理论和模糊数学等方法，对钢筋锈蚀造成的锚杆耐久性问题进行研 究，主要研究成果有： ( 1 ) 考虑到锚固结构在岩土体地质材料中容易受到地下环境侵蚀而造成材 料性质劣化，影响其耐久性。预测锚固钢筋在环境条件下的腐蚀速度和腐蚀量。 通过材料科学中关于混凝土和砂浆在侵蚀性环境条件下的材料性质劣化机理分 析，计算砂浆和钢筋的力学性质随结构服务时间的变化。从而导致锚固结构的 力学性能随着服务时间的变化。 ( 2 ) 通过锚固结构分析，假设锚固砂浆在由于钢筋锈蚀锈胀力作用下破坏 前为弹性，运用弹性理论分析求解了导致砂浆胀裂的钢筋临界锈蚀率。 ( 3 ) 以锚固结构耐久性指标临界值作为寿命判断标准，采用以砂浆开裂的 寿命控制标准、钢筋锈蚀率控制标准、锚固结构极限抗拔力学下降临界值标准， 取其计算寿命最小值作为锚固结构寿命的控制标准研究锚杆的寿命。最后以某 实际工程为例，通过砂浆和钢筋在环境条件下的力学性质劣化模型，采用o o 软件计算锚杆在不同的服务期的极限抗拔力，通过分析以极限抗拔力下降率作 为寿命控制标准，计算得该工程永久性锚杆在特定侵蚀性环境条件下的耐久性， 并讨论了不同应力水平条件下应力腐蚀对耐久性的影响。 ( 4 ) 充分考虑耐久性评估指标的模糊性，提出基于灰色关联度和模糊识别 方法，利用信息熵和复合权重，综合考虑专家经验和检测数据的重要性，对锚 固结构耐久性进行评估。并将该法应用于某工程实例评估，采用锚固结构外观 情况、环境条件、裂缝宽度、钢筋截面损失率、钢筋锈蚀速度、砂浆强度衰减 速度为评价指标，评估了6 个锚固结构，评估耐久性结果分别为较好、一般、一 般、差、一般、一般，表明该方法用于评估锚固结构耐久性的有效性。 关键词：锚杆，钢筋腐蚀，砂浆侵蚀，耐久性，评估 a b s t r a c t r o c k b o l ti sw i d e l yu s e di nc i v i le n g i n e e r i n ga n dh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g , i t s a c h i e v e m e n ti sr e m a r k a b l e n ee v a l u a t i o no fs a f e t ya n dd u r a b i l i t yo fr o c k b o l ti so n e o ft h ef o c u so fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ，a tt h es a l l l et i m ei sak e yp r o b l e mt h a t a f f e c tt h es a f e t yo fa n c h o r a g e 功ep r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i c so fa n c h o r a g ei s ：b a d u n d e r g r o u n dc o r r o s i o ne o n d i t i o na n ds t r i n g e n tr e q u i r e m e n to fd u r a b i l i t y i nv i e wo f p r o b l e mo fs u c ha n c h o r a g ei se m e r g i n ga n db e c o m i n go b v i o u s ，t h ei s s u eo fs a f e t y a n dd u r a b i l i t yi so fi n c r e a s i n gc o n c e r t l s o l v e sd u r a b i l i t yp r o b l e mo fr o c k b o l t , p r e d i c t i o nt h es e r v i c el i f ea n dr e s e a r c h t h ep r o t e c t i o nc o u n t e r m e a s u r eo fi t sf a i l u r e n o to n l yh a st h et h e o r yv a l u e ，a n dh a st h ei m p o r t a n te n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c e b a s e do l lt h er e s e a r c ho u t p u to fp r e d e c e s s o r , e l a s t i c i t yt h e o r y , t h em a t e d a l s s c i e n c e , m e t h o d s n u m e r i c a la n a l y s i sa sw e l la sg r e ys y s t e r nt h e o r ya n df u z z y m a t h e m a t i c sa r ee m p l o y e dt os t u d yt h ep r o b l e mo fr o c k b o l td u r a b i l i t yt h a tr e s u l t f r o mc o r r o s i o no fs t e e lb a r m a i na c q u i s i t i o na r ea sf o u o w s ： ( 1 ) c o n s i d e r i n gt h ea n c h o r a g em a t e r i a l sp r o p e r t i e sd e g r a d a t i o nc a u s e db y e r o s i o nc o n d i t i o ni nt h eu n d e r g r o u n dr o c ka n ds o i l ，t h ef o r m u l ai nt h es t u d yo f s t e e lc o r r o s i o ni nr e i n f o r c e dc o n c r e t ei sr e f e r r e dt oc o m p u t e ds t e e lc o r r o s i o nr a t ea n d c o r r o s i o na m o u n tu n d e re r o s i o nc o n d i t i o n d e g r a d i n gm e c h a n i s mo fc o n c r e t ea n d m o r t a ri nm a t e r i a ls c i e n c ea r er e f e r r e dt or e s e a r c ht h ep r o p e r t i e so fc o r r o d e dm o r t a r ma t i 痢a l sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sd e 盯a d a t i o nw i t hi n c r e a s eo fs e r v i c el i f ei sa n a l y s e d ( 2 ) t h r o u g ht h es t r e s sa n a l y s i s ，m o r t a ri sa s s u m e dt ob ee l a s t i cb e f o r ec r a c k i n g ； t h ec r i t i c a lc r o s si o nr a t eu n d e rw h i c hr u s te x p a n s i v ep r e s s u r el e a d i n gt om o r t a r c r a c k e di sc o m p u t e dw i t he l a s t i c i t y 也e o r y ( 3 ) r e l a t e dr e s e a r c h0 1 1t h ei n d i c a t o r so fd u r a b i l i t yo fr o c k b o l ta r er e f e r e e t oa s t h r e s h o l dc r i t e r i a m o r t a rc r a c k i n gc r i t e r i a ，c r i t i c a lc o r r o s i o nr a t eo fs t e e l ，t h e u l t i m a t ep u l l o u tf o r c ed e c l i n ec r i t e r i aa r ee m p l o y e d t h en l i l l i m r l ll i f es p a no ft h e a f o r e m e n t i o n e dt h r e ec r i t e r i ai sc o n s i d e r e da st h el i f es p a l lo ft h ea n c h o r a g e f i n a l l y , a p r a c t i c a le n g i n e e r i n gi st a k e na sa ne x a m p l e ，s i m i l a rp r o j e c t se x p e r i m e n t a ld a t ao n e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n si sr e f e r r e dt o ，e x i s t i n gc a l c u l a t em o d e li se m p l o y e dt o c a l c u l a t em a t e r i a l sp r o p e r t i e so fm o r t a ra n ds t e e la td i f f e r e n ts e r v i c et i m e , f l a c s o f t w a r ei se m p l o y e dt oc a l c u l a t et h eu l t i m a t ep u l l o u tf o r c eo fg r o u t e dc a b l ea t d i f f e r e n ts e r v i c et i m e t a k et h eu l t i m a t ep u l l o u tf o r c ed e c l i n ea sc o n t r o lc r i t e r i a t h e l o n g e v i t yo ft h ep e r m a n e n tc a b l ei sc o m p u t e d ，v a r i o u ss t r e s sl e v e l se f f e c tt ot h e d u r a b i l i t yo fr o c k b o l ti sd i s c u s s e d ，t h er e s u l td e m o n s t r a t e st h a ts t r e s sc r o s s i o nh a s r e m a r k a b l ee f f e c to nt h el o n g e v i t yo f r o c k b o l t ( 4 ) f u z z i n e s so f t h ee v a l u a t i n gi n d i c a t o r si sf u u yc o n s i d e r e d ，b a s e do nt h eg r e y r e l a t i v ea n a l y s i sa n df u z z yr e c o g n i t i o nm e t h o dw i mc o n e e p to fi n f o r m a t i o ne n t r o p y a n dt h ec o m b i n a t o r i a lw e i g h t s t h ei m p o r t a n c eo fe x e r te x p e r i e n c ea n de x i s t i n g t e s t i n gd a t aa r ec o n s i d e r e d 1 1 1 ed u r a b i l i t yo fa n c h o r a g es t r u c t u r ei sa s s e s s e d t h e l l m e t h o di se m p l o y e dt oe v a l u a t eap r o j e c t , w i t ha p p e a r a n c es i t u a t i o n , e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n c r a c ko p e n i n g ，s e c t i o nl o s sr a t eo ft h es t e e lb a r , c o r r o s i o ns p e e do ft l a c s t e e lb a r , w e a k e ns p e e do ft h em o r t a rs t r e n g t h 弱e v a l u a t i n gi n d i c a t o r s ，s a n c h o r a g e sa l ee v a l u a t e d ，t h ee v a l u a t i o nr e s u l t s a r ef i t sf o l l o w s ：g o o d ，g e n e r a l ， g e n e r a l ，b a d ，g e n e r a l ，g e n e r a l ，w h i c hi si d e n t i c a lt ot h ee v a l u a t i o nr e s u l tt h a t w i t h d y n a m i cc l u s t e ra n a l y s i sm e t h o d p r o v e t h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d k e y w o r d s ：m c k b o l t ，s t e e lc r o s si o n ，g r o u te r o s i o n ，d u r a b i l i t y , e v a l u a t i o n n l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：导师签名： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 岩土工程所面临的对象是复杂的地质体。这些复杂的地质体在漫长的地质年 代里，由于经历了地质构造运动、自然风化和人类活动的作用，其中包含大量 诸如层理、节理、断层、软弱夹层、溶沟溶槽等各种地质缺陷。他们在一定的 时间内和一定的条件下，可能处于相对稳定的平衡状态，但如果条件改变，原 来的平衡状态就有可能遭到破坏，比如在岩土工程开挖与施工过程中，其原有应 力长会重新分布，从而使岩土体发生变形，进而产生塌落、塌陷、岩崩、滑坡， 地面沉降等地质灾害。为预防和和治理此类地质灾害，工程长将一种受拉刚健埋 入岩土体，用以调动和提高岩土的自身强度和白稳能力。这种受拉杆件工程上成 为锚杆，它所起的作用就是锚固，应用数学、力学和工程材料等科学知识来解决 岩土工程中的锚固设计、计算，施工和监测等方面问题的技术和工艺就称为锚固 工程【l 】。 岩土锚固技术是近代岩土工程领域的一个重要分支，由于它的安全性，经济 性和有效性，已广泛应用与各个领域；同时在岩土锚固设计理论与方、锚固材料、 结构型式、施工工艺、现场测试，以及工程应用方面均已取得了长足的进展【2 】。 1 2 锚杆应用简史 1 8 7 2 年，英国首次使用金属锚杆。1 9 0 0 年到第一次世界大战期间，在各种矿 山中采用全长锚固木锚杆支护。1 9 7 3 年，在西弗吉尼州伯克里一个生产煤矿的 巷道中，无意中穿透了一些第一次世界大战前的巷道，发现这些旧巷中大量使 用了全长锚固木锚杆支护，这些锚杆和巷道顶部当时仍处于良好状态。但第一 次有记载的系统使用金属锚杆作为支护结构是在1 9 2 7 年的圣约瑟夫铅矿。直到 1 9 4 5 年，才在工程文献上出现有价值的关于锚杆作为一种支护系统的文章。从 那时起锚杆支护得到了迅速推广。英国国家煤炭局( n a t i o n a lc o a lb o a r d ) 所属各矿 1 9 4 5 年一1 9 5 7 年每年锚杆使用量为5 0 万根。1 9 7 1 年英国锚杆用量达5 5 0 0 - - 一6 5 0 0 万 武汉理工大学硕+ 学位论文 根。 美国1 9 1 0 年开始使用锚杆支护。1 9 1 2 年，艾尔费维布希( a l 丹e db u s c h ) 在 阿伯施莱辛( a b e r s c h l e s i n ) 的费里登斯( f r i e d e n s ) 煤矿开始使用锚杆支护顶板。 1 9 1 5 - - 1 9 2 0 年，美国的金属矿山开始使用锚杆支护，并有所发展和推广；1 9 4 0 年后在地下煤矿井下支护方面得到了广泛应用。据记载，1 9 4 7 、一1 9 4 9 年，在美 国全面应用锚杆支护，1 9 5 1 年有5 0 0 个以上的现场在使用，当时锚杆的使用量已 达2 6 0 x 1 0 4 根月。2 0 世纪5 0 年代以来，世界上许多国家都开始进行锚杆支护的 研究和应用。 法国1 9 6 9 年锚杆使用量为5 7 0 x 1 0 4 根。日本于1 9 5 0 年引进锚固技术，因地质 条件较复杂和缺乏这方面的知识及经验，在此后的2 2 年中没有推广应用。日本在 1 9 7 1 年有3 2 个金属矿山使用金属锚杆，在隧道等土木工程中有2 1 处使用锚杆支护。 1 9 6 6 年，前苏联斯科琴斯矿业研究所研究开发了新型螺纹锚杆由于其支护效 果优异，在联合企业的机修车间安设了年生产能力为1 8 x 1 0 4 根螺纹锚杆的螺纹轧 钢机。1 9 7 0 年前苏联煤炭工业中广泛使用了锚杆支护，仅库荷巴斯矿区就用其 支护了7 1 3 k m 长的准备巷道。1 9 6 0 - - 1 9 7 0 年，澳大利亚新南威尔士煤矿在国外出 版物中特别是在美国矿业局介绍的锚杆支护方法的启发下进行了局部性的试验 并引起到了极大的兴趣，锚杆使用量每年约1 3 0 x 1 0 4 根。 19 6 6 年，前苏联斯科琴斯矿业研究所研究开发了新型螺纹锚杆，由于其支护 效果优异，在联合企业的机修车间安设了年生产能力为1 8 x 1 0 4 根螺纹锚杆的螺 纹轧钢机。1 9 7 0 年f j 苏联煤炭工业中广泛使用了锚杆支护，仅库荷巴斯矿区就 用其支护了7 1 3k m 长的准备巷道。 1 9 6 0 - - - 1 9 7 0 年，澳大利亚新南威尔士煤矿在国外出版物中特别是在美国矿业 局介绍的锚杆支护方法的启发下进行了局部性的试验并引起到了极大的兴趣， 锚杆使用量每年约1 3 0 x 1 0 4 根【3 】。 1 3 锚固结构耐久性 1 9 8 6 年，国际预应力协会( f i p ) 曾对3 5 起因腐蚀造成锚索体断裂的事故进行 调查，发现其中永久锚索占6 9 ，临时锚索占3 1 ，断裂部位多数位于锚头附近 和自由段范围内。这是自由段无砂浆握裹以及张拉过程中锚具对锚头附近部位 具有刻痕损伤之故。 切尔法大坝在加固3 0 年之后( 1 9 6 5 年) 在接受检查时，发现有2 根锚索在束 2 武汉理工大学硕士学位论文 体与外锚头处发生腐蚀断裂，预应力损失已达到9 ( 含其他因素影响) 。为保证 大坝安全，又在坝项增设了3 0 根锚索。 瑞士一座由锚索加固的管线桥，只运行3 年后就发生倒塌事故，检查发现事 故因3 根锚索腐蚀断裂所致，由此可见锚索破坏造成的严重后果。 美国一个由单排预应力锚索加固的挡土墙工程在短短的2 年时间内，先后有 数根锚索断裂并像标枪一样越过工地。后来经过调查发现，是多年烧煤的火车 头煤烟中掉下来的煤渣形成了硫酸，导致地下水具有酸性而使锚索腐蚀破坏。 据说巴基斯坦一蓄能池工程( 法国设计建造) 曾发生过锚索自由段氢脆断裂， 致使外锚头凌空飞起，险些造成工伤事故。据报道，a c o y n e 于1 9 3 3 - - 1 9 3 4 年在 为加固舍尔法大坝所设计的3 4 根1 0 0 0 0 k n 级预应力锚索中即采用了防腐技术措 施，但在2 0 年后( 1 9 6 5 年) 对该坝进行检查时发现预应力损失已达9 。出现这种 情况，估计与锚头松弛及腐蚀因素有关。r o m a n o f r 于1 9 6 2 年对埋设在土介质中 的钢柱的锈蚀情况进行观察，发现钢柱锈蚀主要发生在置于回填土中的部分， 而置于原状土中的基本无锈蚀，原因是回填土土质疏松，其中含有大量氧气。 观察发现，不加任何防护的洁净碳钢，在潮湿的坑道内放置1 昼夜即可见显著锈 斑，3 昼夜便出现连续锈层。我国安徽梅山水库的预应力锚索在使用6 8 年后， 发现有3 根锚索的部分钢绞线因应力腐蚀而断裂( 兼有氢脆) 。河南焦作市冯营矿 锚杆，有砂浆握裹部位，8 年基本无锈蚀；无砂浆或砂浆握裹不良部位，坑蚀最 深处为0 6 5 m m ，腐蚀速率为0 0 4 1 m m 年。焦作市焦东矿锚杆，安装时对中不良 握裹层最薄处仅为l - - 2 m m ，1 2 年期表层中性化深约0 81 1 1 1 1 ，杆体表面有浮锈， 但握裹层厚大于3 m m 段则无锈蚀。鹤壁矿务局四矿楔缝式锚杆，2 8 年期坑蚀深 度分别为0 4 1 5 m m ( 2 群和5 群锚杆，有渗漏水) 和0 0 5 - - 0 1 0 m m ( 1 # ，3 群和4 # n 杆， 无渗漏水) 。我国某铜矿区采用普通硫酸盐水泥砂浆灌注锚杆，由于腐蚀环境恶 劣，2 年后表层砂浆即变为豆腐渣一样的松散体。成昆线羊舀河1 号隧道，在应 用喷锚衬砌后1 0 年，喷层表面被腐蚀成一层厚l e n a 的酥松白色层。总参工程兵科 研三所的初步研究结果表明：优质砂浆锚杆的使用寿命为7 5 - 1 6 9 年；施工质量 不良者约为5 0 年；质量不良且环境恶劣时其寿命约为2 0 - - - 2 5 年。 因此，虽然锚固类结构的技术先进、经济，但是，用作永久支护的无数工程中， 锚固结构的使用寿命究竟有多长，尚不明确，作为永久性支护结构的锚固结构， 耐久性问题就显得十分突出，必须引起高度重视，解决锚固类结构耐久性、使用 寿命预测和防护对策问题有着重要的意义：( 1 ) 使得使这类目前在我国乃至世界 仍占主导地位的工程加固、支护先进工法的设计和施工走上定量控制阶段，将具 有巨大的经济效益、社会效益和重要科研价值；( 2 ) 对其在重大工程中的使用寿 命进行较可靠预测，并提出相应的加固处理对策，对国计民生具有极重要意义。 武汉理- t 大学硕士学位论文 1 4 锚固结构耐久性研究的现状 我国关于锚固类结构耐久性的研究较少，国内的相关研究机构有上世纪7 0 年代末8 0 年代出所做的水工钢闸门防腐研究，以及环氧涂层在水利工程中的防 腐研究。今年来，我国土木工程界许多专家学者，对工程安全性和耐久性问题 非常重视，在各种场合大声呼吁，认为对结构耐久性和使用寿命问题的研究， 成为结构工程学科的主要发展前沿3 1 。 1 4 1 国内研究现状 1 9 8 5 年7 月至1 9 8 7 年7 月，总参工程兵科研三所以“砂浆锚杆的腐蚀和防护研究” 为题，开展了锚杆的使用寿命的初步研究，得出了一些有益的结果，但现场取样尚 不广泛，室内试验欠系统深入。1 9 9 6 年至1 9 9 7 年，总参工程兵科研三所开展了“地 下工程水泥砂浆在腐蚀环境中的耐久性试验”研刭1 8 】，制作了516 个试件进行了为期 7 2 0 天的单因素腐蚀试验。根据试验结果，可以预估水泥砂浆在腐蚀环境下的强度 损失率的发展趋势，在己知腐蚀环境中腐蚀介质浓度并给定强度损失率限值条件 下，可推算出地下工程中水泥砂浆的耐腐蚀年限。1 9 9 9 年，总参工程兵科研三所根 据自身长期从事预应力锚索研制、设计和施工并借鉴国外技术标准，编制了中华人 民共和国国家军用标准一岩土工锚索设计与施工技术规范( g j b 3 6 3 5 - - 9 9 ) ，其 中一章对预应力锚索的防腐提出了要求，不过还只是停留在定性阶段，其中许多的 规定建立在经验基础之上，尚缺乏足够的理论基础和试验依据。 在试验方面，赵健【4 1 ( 2 0 0 6 ) 对1 7 年前埋设于河南焦作东煤矿现场的旨在研究 应力腐蚀和化学腐蚀耦合效应的缩尺试验锚杆的腐蚀环境和腐蚀状况，对开挖 出的缩尺试验锚杆的点蚀、坑蚀、失重、腐蚀速率和强度损失率等进行较全面 的测试和分析，指出在中等腐蚀环境下，裸露缩尺锚杆( 钢简体) 的强度损失率约 为1 4 0 ，直径损失约为1 0 0 ，截面积损失约为1 9 o ；其失重率极不均匀，最 高者约为最低者的2 4 4 倍；一根缩尺锚杆钢筋经过1 7 年，其抗拉极限荷载，比 使用年限为0 的相同锚杆的低1 8 4 - - 2 2 2 。 汪剑辉【5 1 ( 2 0 0 6 ) 开展了锚杆在潮湿空气和n a 2 s 0 4 溶液中有、无载荷耦合情 况下的腐蚀对比研究，进行锚杆腐蚀的耦合因素分析，探讨了锚杆在多因素耦合 腐蚀条件下腐蚀机制，并得出了相关结论。 赵剑【6 】( 2 0 0 7 ) 年通过室内模拟试验和现场取样测试的方式，对比研究应力 4 武汉理工大学硕士学位论文 不同条件下影响锚杆使用寿命的因素。试验结果显示：应力对砂浆缺陷处钢筋 腐蚀速度有促进作用，在锚杆上涂保护层比不涂保护层其腐蚀速度降3 , - - , 6 倍； 在中等腐蚀环境下，裸露缩尺锚杆( 钢筒体) 的平均屈服荷载比原来减小了约 5 0 ，极限强度比原来减小了约2 0 ；指出坑蚀普遍存在，坑蚀深度直接影响锚 杆的承载力变化。 曾宪明【_ 7 】( 2 0 0 6 ) 概述了早期埋设在工程现场的尚在研究锚杆腐蚀耦合效应 的缩尺锚杆的腐蚀，指出使用年限为1 7 年的锚杆平均屈服荷载和极限荷载分别 降t k 乇5 2 9 - 4 9 2 和18 4 _ _ 2 2 2 。 夏宁f 8 j ( 2 0 0 7 ) 基于拉拔试验，研究了锈蚀及锈蚀部位对锚杆极限抗拔力和 粘结性能的影响机理。试验证实锈蚀在锚杆与砂浆截面间起“润滑”的不利作用， 破坏了应力由锚杆到砂浆的有效传递路径，是导致锚杆极限抗拔力下降，锚固 端滑移量增大的主要原因。 肖玲【9 】( 2 0 0 7 ) ：通过潮湿空气和n a e s 0 4 溶液中的模拟腐蚀试验，得到腐蚀 后承载锚杆和非承载锚杆力学性能与腐蚀条件以及腐蚀时间之间的关系曲线， 对比两种腐蚀锚杆力学性能的差异，分析荷载对腐蚀锚杆力学性能的影响趋势。 试验结果表明，在潮湿空气中，腐蚀后承载锚杆和非承载锚杆的力学性能之间 并无显著性差异；而在n a 2 s 0 4 溶液中，腐蚀后承载锚杆的极限承载力和最大伸 长量都比非承载锚杆有较大程度的下降，其耐久性与使用寿命损失亦更加严重。 李英勇【lo 】( 2 0 0 8 ) 基于对预应力锚固结构腐蚀影响因素的分析，选取p h 值、 时间、应力水平及材质作为影响预应力锚固结构腐蚀的主要因素进行分析，并 对各因素正交组合后进行预应力杆件的室内加速腐蚀试验。得到预应力锚固结 构在腐蚀介质作用下的外观规律性表现，并分析影响预应力锚固结构腐蚀的各 种因素对于单位长度腐蚀量及断面损失率等指标的影响规律。 肖玲【l l 】( 2 0 0 7 ) 调查了河南焦作煤矿地下巷道腐蚀环境和现场1 0 年期管缝 式锚杆腐蚀状况，对地下水腐蚀物含量、锚杆宏观质量损失和局部坑蚀情况实 施了测量，并对锚杆杆体极限承载力和塑性性能进行测试。 邓德华 1 2 】( 2 0 0 7 ) 针对边坡支护结构中锚固体腐蚀，以武广客运专线为研 究背景，针对锚固体易出现的腐蚀情况和特点设计试验，考察锚固用水泥砂浆 的流动性、匀质性、自收缩性能及抗硫酸盐侵蚀性能等因素，提出改善锚固体 抗腐蚀性能的技术措施。 刘玉堂【1 3 j ( 2 0 0 8 ) 针对锚索长期工作中可能遭遇到的危害，详细阐述了永 久性锚索的防护原理及方法，给出了各种永久性锚索的规范做法。明确指出， 当锚索作为永久支护时应根据工程所处的具体环境合理选用锚索类型。 武汉理工大学硕士学位论文 针对锚杆钢筋的锈蚀问题，李永和【1 4 】根据采矿工程中锚杆锈蚀问题，提出 了地下环境中钢锚杆开始锈蚀时间的确定方法，依据腐蚀电化学原理，建立了 预测钢筋锈蚀量的数学模型，导出了两类环境锚杆锈蚀开裂前后的锈蚀量计算 公式。得出了锈蚀量随时间、锚杆直径的增大而增加，且锈蚀时间越长，刚锚 杆直径影响越大等重要结论。 夏宁【1 5 】( 2 0 0 6 ) 将杆体表面锈蚀产物的体积膨胀转化为虚拟径向位移直接 作用在杆体空洞周围，采用a n s y s 8 0 对砂浆锚杆锚固段保护层的锈蚀胀裂过程 进行数值模拟，提出杆体发生均匀锈蚀和不均匀锈蚀砂浆开裂程度明显不同， 锈蚀对砂浆保护层的破坏程度是不一样的。 何思明【1 6 】( 2 0 0 7 ) 针对埋设在地下特殊环境条件下全长粘结式灌浆锚杆存 在因锈胀致裂，导致结构失效的实际情况，以弹性理论为基础，根据锚杆、灌 浆材料以及围岩体三者之间变形协调关系、荷载平衡条件，研究了锚杆锈胀导 致灌浆或岩体开裂，进而加速锚杆锈蚀破坏的机制问题，讨论了锚杆锈胀量、 灌浆材料特性、保护层厚度以及围岩体力学性质对锚杆锈胀力的影响。 杨启贵【1 7 】( 2 0 0 7 ) 论述了岩土预应力锚索的腐蚀机理和特点，比较了国内 外岩土锚固规范防腐要求的差别，在此基础上，提出了适用我国锚固工程特点 的岩土预应力锚索防腐建议。 程良奎【”】( 2 0 0 8 ) 通过对国内外重力坝、边坡、地下洞室、码头、干船坞、 结构抗浮与基坑等1 7 项岩土锚固工程长期性能的分析研究后指出锚杆设计具有 足够的安全富裕度，对锚杆结构整个长度实施完善的防腐保护，采用和发展具 有良好化学与力学稳定性的锚杆技术，认真履行高标准的锚杆验收试验和建立 完整的岩土锚固工程长期监测与维护管理体系是提高岩土锚固长期性能的主要 途径和有效方法。初步建立了岩土锚固工程安全评价模式，还论述了锚固工程 危险源的辨认方法，锚杆长期性能的监测与检测，岩土锚固安全工作临界指标 以及岩土锚固病害的处治方法。 针对锚固砂浆的腐蚀研究方面的研究有： 李晓鄂【1 9 】( 1 9 9 7 ) 针对三峡工程中的锚固工程，对锚固注浆材料配合比及 有关性能进行了系统研究，得到了批早强型锚固注浆材料，其水泥净浆和砂 浆3 d 抗压强度分别可达3 3 0 - - - - 4 5 4 mp a 和3 5 3 - - - 3 8 5 mp a 。经现场试验检验， 满足设计技术要求，可应用于三峡工程现场施工。 屈文俊【2 0 】( 1 9 9 9 ) 在讨论氯离子侵蚀环境下混凝土中钢筋锈蚀特点的基础 上，假设坑蚀数服从泊松过程及凹坑深度服从截尾指数分布，依随机变量极小 值的统计分布理论，提出了一种侵蚀性环境下混凝土结构耐久寿命的预测方法。 6 武汉理工大学硕十学位论文 杜应吉【2 l 】( 2 0 0 4 ) 根据南京地铁工程高性能混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的 试验研究结果，初步建立了基于混凝土衰变规律的抗硫酸盐侵蚀耐久寿命模型， 并对该工程进行了寿命预测。 钟世云【2 2 】( 2 0 0 6 ) 通过普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的混合水泥以及磨 细高炉矿渣和聚合物乳液配制了4 种水泥砂浆，研究了这些水泥砂浆试样硫酸 钠的混合溶液中浸泡不同时间后的质量变化和强度变化。结果发现，混合溶液对4 种水泥砂浆都具有强烈的腐蚀作用。磨细高炉矿渣能显著提高砂浆的耐腐蚀性 能；此外，水泥砂浆试样在混合溶液及清水中浸泡后，它们的抗压强度比值要 比它们的抗折强度比值对硫酸硫酸钠腐蚀介质更为敏感。 姜怀宝 2 3 】( 2 0 0 8 ) 研究了不同配合比下掺石灰石粉水泥砂浆在硫酸盐溶液 中浸泡1 年期间的外观、强度变化。结果表明，水灰比越低，砂浆的抗t s a 侵蚀 性能越好；不同品种水泥的抗t s a 侵蚀能力由高至低依次为：硫铝酸盐水泥 抗 硫酸盐水泥 普通硅酸盐水泥；掺硅灰和矿渣细粉均能明显改善混凝土的抗t s a 侵蚀性能，且矿渣粉掺量越大其效果越明显。 唐成燕【2 4 】研究了矿渣微粉对水泥砂浆的流动度、强度以及抗模拟酸雨侵蚀 性能的影响。在试验条件下，随着矿渣微粉掺量的不断增加，砂浆的流动度得 到改善，强度逐渐上升，而且各不同矿渣微粉掺量的砂浆试件在清水中养护的 抗压强度值在后期有逐渐接近的趋势。 金祖权嘲( 2 0 0 8 ) 对普通混凝土和高强混凝土在5 n a ，s o 。( 质量分数，下 同) 、1 0 m g s o 。溶液以及青海盐湖卤水溶液中的损伤失效规律、特点进行研究。 结果表明：混凝土在n a ，s o 。溶液中浸烘循环腐蚀破坏，导致混凝土产生膨胀性 破坏；腐蚀溶液中的s o ：和m 9 2 + 共同作用导致混凝土产生剥落型破坏。 梁咏宁 2 6 1 ( 2 0 0 7 ) 通过干湿循环的实验室加速腐蚀，探索混凝土在硫酸钠或 硫酸镁溶液中的腐蚀破坏机理。测试了腐蚀破坏过程中混凝土的抗压强度、抗 折强度、超声波在混凝土中的传播速度以及饱和面干吸水率，同时还分析了不 同腐蚀阶段水化产物的微观结构。结果表明：混凝土的硫酸盐腐蚀破坏是一个 复杂的物理化学过程，不同种类的硫酸盐溶液中混凝土的破坏机理不尽相同。 在腐蚀后期硫酸钠溶液中混凝土各性能指标的变化幅度比在硫酸镁溶液中的 大，这是经过一段时间的干湿循环之后化学侵蚀与物理作用即盐的结晶相互作 用的结果。 宁宝宽【2 7 】( 2 0 0 8 ) 为了改善结构的耐久性，通过模拟试验，分别探讨了贼一、 h c o ；这两种侵蚀性离子在不同浓度、不同龄期下对水泥砂浆的单轴抗压强度和 应力应变关系的影响。试验结果表明，对水泥砂浆的侵蚀性均比较明显，其中 7 武汉理工大学硕十学位论文 一定浓度的s 研一对水泥砂浆的强度具有一定的增强作用。 我国学者梁炯划2 8 】先生在岩土工程技术与概念发展著作中，以砂浆锚 杆永久性问题的研究一文介绍了对砂浆锚杆的工程抽样调查，分析了使用期为 一年的砂浆锚杆的腐蚀状况、环境影响等，锚杆取样分析结果见表。对取样锚 杆的观测分析，初步结论如下： ( 1 ) 传统的普通水泥砂浆作为锚杆注浆材料在地下工程锚孔中碳化极慢， 可不考虑因砂浆碳化对锚杆锈蚀的影响。武汉蛇山工程的锚杆，年来砂浆尚未 开始中性化，处于锚杆孔中的钢筋完好不生锈焦作焦东矿的锚杆样品，握裹层 较厚一侧砂浆年基本未中性化，只发生砂浆与岩石粘结面有一层厚度小于的泛 白层砂浆握裹层厚度大于钢筋段未发现锈蚀。 ( 2 ) 无砂浆握裹的锚杆，各部分腐蚀程度不同，在鹤壁四矿对使用年的楔 形锚杆取样根，每根锚杆不同部位锈蚀有以下规律尾部丝扣段及靠近丝扣段锈 蚀较为严重，深约0 0 5 m m _ o 1 0 m m ，靠孔底一段锈蚀最轻，此部位锈蚀约一楔 叉处叉角与岩石接触部位也锈蚀严重，深约l i 啪。凡有渗漏水处，白色沉积 物规则地附于钢筋上，并造成较多局部坑蚀。锚杆因所处环境条件，使用年限不 同，锈蚀程度不同一般处于干湿交替或接触水的锚杆部位锈蚀严重，腐蚀率约2 年，承载力下降较大裸露环境但不直接与水接触的部位锈蚀最轻，承载力下降 极小砂浆握裹层质量好的锚杆部位一年没有锈蚀楔缝式无砂浆锚杆经年锈蚀， 已不能满足使用要求。 在锚固结构耐久性评价方面，陈奕奇【2 9 ( 2 0 0 7 ) 在研究分析影响锚固结构腐蚀 影响因素的基础上，将物元分析理论引入层次分析法，建立了锚固结构腐蚀程 度的多层次评估模型，确定各项指标的评估标准和评估模型各部份的初始权重， 提出实际评估时采用变权评估，对指标体系给出相应的评判标准，给出岩土锚 固结构腐蚀程度的变权评估方法。 马建秦【3 0 ( 2 0 0 3 ) 探讨了含硫化物围岩中影响锚杆侵蚀的主要因素，描述了 侵蚀性地下水的形成，以及锚杆侵蚀作用的物理化学机理，并提出了基于此机 理的含硫化物围岩中锚杆适用年限的估算方法。 孙文斌【3 1 ( 2 0 0 7 ) 利j 手 m i n d l i n 解推导所得锚杆加固岩体的锚杆轴力分布以及 锚固段剪应力分布规律，研究了影响锚固岩体应力分布的参数。进一步讨论锚 杆加固岩体材料的耐久性与其应力分布规律之间的关系。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 国外研究现状 由于国外应用锚固类结构技术较早，因而对这些方法的耐久性问题的观测 和认识也较早。采用这些先进的支护技术，虽然已经获得了巨大的成功，但也 发生过不少锚固类结构未达到设计寿命而出现失效的问题，从而引起了人们的 警觉。在上世纪6 0 年代末、7 0 年代初，法国、瑞士、捷克、澳大利亚先后颁布 了地层锚杆的技术规范与锚索技术条例；8 0 年代末、9 0 年代初又制定了土钉技 术指南。这些技术标准充分考虑了锚固类结构在腐蚀环境中的防护问题，对其 设计和施工作了严格规定。 2 0 世纪8 0 年代，德国出版了包括土锚和岩锚在内的系列丛书，对基础工程 中的拉锚( 索) 和岩石锚杆的全方位防腐提出了明确要求。1 9 7 4 - 1 9 8 1 年，美国 a s t m 委员会( a m e r i c a ns o c i e t yf o rt e s t i n ga n dm a t e r i a l s ) i l 版了一套8 本专门论 述地上地下各种腐蚀对金属材料的效应的丛书，其中包括自然环境腐蚀、应力 腐蚀和防蚀措施等，具有较大影响。 德国的r e l i g s h a u s e n 和h s p i e t h 对插入式螺纹钢筋的连接结构性能进行了研 究，指出这种钢筋如果孔眼不净、粘结不牢固，其使用寿命可由1 0 0 年减至7 5 年， 但其推算依据和细节均未给出。 1 9 8 9 - - 1 9 9 6 年，美国交通部联邦公路总局出版了土钉墙设计施工与监测 手册( m a n u a lf o rd e s i g n a n dc o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n go f s o i ln a i lw a l l s ) ( f h w a s a 一9 6 0 6 9 r ) 、锚杆( f h w a r d 8 2 0 4 7 ) 、永久地层锚杆 ( f h w a d p 6 8 一i r ) 、土钉加固现场检验员手册( f h w a s a 9 3 0 6 8 ) 和用于公 路边坡稳定和开挖的土钉加固( f h w a r d 8 9 1 9 8 ) ，主要介绍了美国及西欧的 锚杆和土钉墙设计、施工与监测新技术，对永久锚杆和土钉作了细致的规定： 规定永久锚杆和土钉系统的使用寿命为7 5 1 0 0 年，临时土钉系统的为1 5 3 年，并指出：欧洲和美国使用了2 0 年土钉墙( 1 9 7 6 1 9 9 6 年) 后才证实其长期 工作性能；要重视专门的腐蚀研究和测试方法才可将土钉用于永久性公路工程； 自钻进土钉不适于应用在腐蚀性介质中，而涂层包括镀锌、环氧和喷涂金属粉 不应视为可接受的防腐措施，应该通过消耗钢筋( 即为设计钢筋直径的1 2 5 - - 一 1 5 0 ) 来实现防腐目的【3 。 f i s h m a nr , l t 3 2 】( 2 0 0 2 ) 引用无损检测技术评价岩土工程中锚杆锚索的应用条 件，并应用电化学测试，探测锚固结构的腐蚀状况和评价防腐系统的完整性。 在布法罗，纽约的现场试验中，无损监测的结果与锚索的安置状况符合的很好， 9 武汉理工大学硕士学位论文 发现了电化学腐蚀的发生，但是波速测试没有发现锚索截面的严重损失。 s a t o l ai 【3 3 】( 2 0 0 1 ) 采用套管测试，确定锚杆在不同荷载下的轴向力学行为， 并讨论了永久锚杆的防腐机制的，防腐处理，提高了锚杆的粘结强度和轴向刚 度，提出了基于钢绞线防腐涂层处理的机理研究，可以用于确定条件下永久锚 杆的防腐处理。 a n d e r s s o np 【3 4 】( 2 0 0 1 ) 评估不同类型的岩石锚杆支护