（水利工程专业论文）聚丙烯纤维砂浆增强预应力锚索锚固作用的机理研究.pdf

中文摘要 随蓑高边坡高速公路的发展，对锚固的要求越来越高，特别是永久性锚索， 要求有可靠的锚固效果、避免预应力损失。这就要求锚索体有高强、低松驰以 及高防护性能，锚固段要求提供更高的、更稳定耐久的锚固力。 为了提高锚固段的锚固力，人们早已认识到锚固段灌浆材料的重要性。但 由于锚杆工程为地下隐蔽工程，锚固段的受力机理极其复杂，施工难度较大等 方面的限制，国内外对锚固段胶结体材料研究成果较少，通常是通过提高水泥 的标号或砂浆的标号来改善锚固段材料的锚固性能。事实已证明，受锚索灌浆 管尺度和灌浆深度( 深) 等工艺方面和材料抗压性的限制，单纯通过提高水泥 浆或砂浆的标号并不能很好地改善锚索的锚固性能。 本课题主要通过在一定配比的砂浆中掺入一定量的聚丙烯纤维，经室内试 验和现场试验寻求一种最佳配比，来研制新的灌浆材料，使其具有较高的自身 强度及与钻孔壁的粘结强度，能够改善锚固段的受力变形特征，增强抗裂能力， 从而提高锚杆的锚固能力，使新开发的灌浆材料的工程性能优于现在常用的灌 浆材料普通砂浆。研究表明： ( 1 ) 浆料中掺入纤维后对其粘接抗剪和钢筋握裹力有改善作用。 ( 2 ) 纤维砂浆与普通砂浆相比，纤维砂浆的劈裂抗拉强度为比普通砂浆的高， 当纤维掺量为0 9 k g m 3 时，纤维砂浆的劈裂抗拉强度比普通砂浆的劈裂 抗拉强度增加1 8 。 ( 3 ) 浆料中掺入纤维后，砂浆与钻孔壁的圆孔粘结抗剪强度有明显增高。普 通砂浆和纤维砂浆与钻孔壁的粘结强度都随龄期增大而增大，各龄期纤 维砂浆与钻孔壁的粘结抗剪强度比普通砂浆与钻孔壁的粘结抗剪强度都 有明显增高。 ( 4 ) 聚丙烯纤维砂浆具有制浆工艺简单、使用方便的优点。 本项目研制开发的预应力锚固用聚丙烯纤维砂浆，为西部地区高速公路建 设中岩石边坡锚固处理中提供性能优越的灌浆材料一聚丙烯纤维砂浆，同普通 锚固砂浆相比，使得砂浆的强度及砂浆与钻孔壁的粘结强度，以及砂浆受力变 形开裂诸方砸得到了提高和改善，大大的提高了砂浆的锚固能力，使之用于生 产中，减少锚固段长度，降低锚索失效率。 关键词：灌浆材料，聚丙烯纤维，预应力锚索，粘接强度 锚固能力，边坡加固，有限元分析 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o n , s o m eh i g h w a y sh a v et ob e c o n s t r u c t e da l o n gh i g hs l o p e s a n c h o rp l a y sa ni m p o r t a n tm l ei ng u a r a n t e et h e s l o p es t a b i l i t y r e l i a b l ea n c h o r a g e se f f e c ti sn e e d e dt oa v o i dr e l a x i n gp r e s t r e s s e d f o rt h ep e r m a n e n c ea n c h o r a n c h o r a g e se f f e c td e p e n d so nt h eh i g hs t r e n g t h e no f t h e s t e e l ，l o w e rr e l a x i n gs t r e s sa n da d v a n c es a f e t yc h a r a c t e r f u r t h e r m o r e ，a n c h o r a g e s s e g m e n ts h o u l dp r o v i d eh i g h e ra n ds t a b l ec o h e s i v es t r e n g t h g r o u t i n gm a t e r i a li sv e r yi m p o r t a n ti ng u a r a n t e et h eh i g h e rc o h e s i v es t r e n g t hf o r a n c h o r a g e ss e g m e n t i nt h i st h e s i s ，a n u n to fp o l y p r o p y l e n ef i b e r sh a v eb e e n m i x e di n t oo r i g i n a lm o r t a r i n d o o rt e s t sa n di ns i t ut e s t sh a v eb e e np e r f o r m e dt o f i n do u tt h es u i t a b l er a t i o no f t h em i x t u r e o b s e r v e dd a t ai m p l yt h a tt h i sn e wt y p eo f m o r t a r sh a st h ec h a r a c t e r so fh i g h e rc o m p r e s s i v es t r e n g t h e na n dc o h e s i v es t r e n g t h e n a n di te f l l li m p r o v et h ea n c h o r a g e se f f e c tb ym e n d i n gt h ep r o c e d u r eo fd e f o r m a t i o n a n dh e a r i n gc a p a c i t ya n dp r e v e n t i n gt h ec r a c ka p p e a r e d a n a l y z i n gr e s u l t ss h o w t h a t ： ( 5 ) p o l y p r o p y l e n e f i b e r sm i x e di n t ot h em o r t a rc a ni m p r o v et h ec o h e s i v e s t r e n g t h e nb o t hb e t w e e nt h es t e e la n dt h eg r o u ta n db e t w e e nt h ea r o u n dr o c k a n da n c h o r ( 6 ) c o m p a r i n g t ot h ec o i n i d _ o r lm o r t a r ，t h ef i b e rm o r t a rh a s h i g h e r c r a c k r e s i s t a n c ea n dt e n s i l es t r e n g t h ( 7 ) m i x i n gf i b e r si m p r o v et h ec o h e s i v es t r e n g t h e nb e t w e e nt h em o r t a ra n d a n c h o rh o l e a n dt h ec o h e s i v es t r e n g t h e nb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e rw i t ht i m e p a s s b y ( 8 ) s i n c ei ti se a s yt om i xt h ep o l y p r o p y l e n ef i b e r si n t om o r t a r ，t h i sn e wt y p eo f m o r t a r sc o u l db eu s e dw i d e l y p o l y p r o p y l e n ef i b e r sm o r t a rc o u l db ea p p l i e di n s t a b i l i z a t i o nt h er o c kh i g h s l o p ed u r i n gc o n s t r u c t i n gt h es u p e rh i g h w a y m i x i n gf i b e r si n t om o r t a r si m p r o v e t h ea n c h o r a g e se f f e c t ，r e d u c el e n g t ho f a n c h o ra n dd e c l i n et h ef a i l u r er a t i oo f a n c h o r s k e y w o r d s ： g r o u t i n gm a t e r i a l ；p o l y p r o p y l e n e f i b e r s m o t a r ；p r e s t r e s s e d a n c h o r ；c o h e s i v e a n ds h e a rs t r e n g t h ；e f f e c to fs t a b i l i z a t i o n ；s l o p e s t a b i l i z a t i o n ；f e mm e t h o d 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨生太堂或其他教育机构的学位或 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。 学位论文作者签名：享弁碇签字日期：局。年年j 月厅日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗太茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、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的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢新捷导师繇泌盛膨 签字r 期：。口年。厂月f 日签字日期：如p 乒年g 月6 只 第一章概述 1 1 课题的提出 第一章概述 用锚杆( 锚索) 加固边坡是从上世纪六十年代末提出并推广应用的。该方法 通过钻孑l 将锚杆( 索) 用粘结材料固定于深部稳定的地层中，另一端旆加拉力， 使锚杆体产生预应力，从而可以充分发挥岩t 潜力，提高被加固边坡岩土体的 稳定性。经过三十多年的试验研究和工程实践，现已成为国际上公认的提高岩 土工程稳定性的最经济、摄具有发展前途的方法之一。 随着高边坡高速公路的发展，对锚固的要求越来越高，特别是永久性锚索， 要求有可靠的锚固效果、避免预应力损失。这就要求锚索体有高强、低松驰以 及高防护性能，锚固段要求提供更高的、更稳定耐久的锚固力。 为了提高锚固段的锚固力，人们早已认识到锚固段灌浆材料的重要性。但由 于锚杆工程为地下隐蔽工程，锚固段的受力机理极其复杂，施工难度较大等方 面的限制，国内外对锚固段胶结体材料研究成果较少，通常是通过提高水泥的 标号或砂浆的标号来改善锚固段材料的锚固性能。事实已证明，受锚索灌浆管 尺度和灌浆深度( 深) 等工艺方面和材料抗压性的限制，单纯通过提高水泥浆 或砂浆的标号并不能很好地改善锚索的锚固性能。 本课题主要通过在一定配比的砂浆中掺入一定量的聚丙烯纤维，经室内试验 和现场试验寻求种最佳配比，来研制新的灌浆材料，使其具有较高的自身强 度及与钻孔壁的粘结强度能够改善锚固段的受力变形特征，增强抗裂能力， 从而提高锚秆的锚固能力，使新开发的灌浆材料的工程性能优于现在常用的灌 浆材料普通砂浆。 1 2 国内外研究水平及发展现状 锚杆、锚索经过三十年的试验研究和工程实践，我国于1 9 8 8 年成立了“中 国岩土锚固工程协会”，经过十多年的努力，使我国的岩士锚固技术在理论分析 与设计方法、施工机具与工艺、锚固结构与材料、监测仪器与监测方法等方面 取得了较大的发展，已在我国的工程建设领域产生了巨大的经济效益和社会效 益。 深层锚固所需的灌浆材料，目前国内外普遍采用水泥砂浆或纯水泥浆。我 第一章概述 国国家“八五”科技攻关项目“高早强预应力锚固灌浆材料试验研究”，对钢纤 维砂浆作了少量的试验研究，从试验结果看，加入钢纤维对提高砂浆的握裹强 度是有效的，但遗憾的是没有将研究成果应用于实体工程。 1 9 7 5 年美国采矿局对“超快硬无机锚杆黏结剂”进行了可行性研究，提出 的超快硬无机锚杆黏结剂为快硬水泥药卷。8 0 年代初，我国以煤炭系统为首的 有关单位也开始了水泥药卷锚杆的研究应用。铁道科学院研制的“t z 一2 型”的 水泥药卷为硫硅酸盐早强水泥，内掺t s 早强速凝剂、亚硝酸钠阻锈剂和5 0 卜 1 0 0 的优质干砂，按定比例拌和均匀，使用厚质滤纸为外包装。中国矿业大 学研制的m _ d 、卅_ q 、和龋一r 快硬膨胀药卷，其锚固剂材料是普通水泥加专用 外加剂，药卷为空心结构，较之实心结构复杂些，其中部为空心铁丝网，空心 直径与锚杆直径相同，纱网内有一圆形纸筒，用以阻止锚圆剂从纱网孔中外漏。 快硬水泥药卷类材料，其配方工艺复杂，使用不便，由于采用较多的化学原料 配制，对环境容易造成污染等诸多因素，在工程中少被应用。 6 0 年代初期，已有专家发现在水泥浆和砂浆中掺入少量的聚丙烯纤维即可 明显提高它们的抗冲击性。1 9 7 0 年，美国开始大力开发丝束相连的聚丙烯纤维， 于9 0 年代初期研制出纤维混凝土，在随后的几年得到迅猛发展，其中应用最多 的是聚丙烯纤维混凝土。 近几年来，聚丙烯纤维混凝土在各个工程领域得到大量的应用，其主要作 用是控制混凝土的塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂纹，防止及抑 制裂缝的形成及发展，大大改善混凝土的抗渗性能、抗冲击及抗震能力。 由此，在锚索灌浆材料中加入类似的纤维，可以很好地改善锚索锚杆灌浆 材料的干缩、提高握裹强度，解决锚索的防腐蚀问题，从而减少灌浆数量、节 约锚索长度、减少成孔深度、加快施工工期。 然而，纤维在锚索灌浆方面的研究应用还是一片空白。因此，对纤维砂浆 的力学性能、物理性能、作用机理等方面进行研究具有特别重要的意义，其成 果可以直接应用于公路建设中。 1 3 研究的意义 本项目研制开发的预应力锚固用聚丙烯纤维砂浆，为西部地区高速公路建 设中岩石边坡锚固处理中提供性能优越的灌浆材料一聚丙烯纤维砂浆，同普通 锚固砂浆相比，使得砂浆的强度及砂浆与钻孔壁的粘结强度，以及砂浆受力变 形开裂诸方面得到了提高和改善，大大的提高了砂浆的锚固能力，使之用于生 产中，减少锚固段长度，降低锚索失效率。 第一章概述 根据项目研究结果表明，聚丙烯纤维可提高砂浆与钻孔壁的粘结抗剪强度， 比普通砂浆提高2 0 以上，因此可以增大锚固力，减少锚固段长发，进而减少锚 孔深度、减少砂浆用量、锚索钢铰线长度，从而降低工程成本。据上分析，聚 丙烯纤维锚圊砂浆具有经济性。 聚丙烯纤维砂浆应用于锚固工程后，能显著提高锚固段砂浆的抗裂能力， 有效加强对锚杆的保护和减少预应力的损失，提高锚索使用寿命，降低工程失 事率，保护人民的生命财产安全，具有显著的社会效益。 总之，聚丙烯纤维纤维砂浆的生产工艺几乎同普通砂浆一样筏单，但锚固 能力却能得到提高，聚丙烯纤维的掺加纯粹为材料的物理改良作用，无其它不 良影响，加之显著的经济和社会效益，其应用前景广阔。 第二章试验研究 2 1 室内试验研究 21 1 粘结抗剪对比试验 第二章试验研究 为了比较不同锚固段砂浆与钻孔孔壁的枯结强度，本次试验设计种标准 条件下的砂浆与钻孔壁的粘结抗剪对比试验。 2111 试验模型 试验选择相同材料的外模试块，即用c 5 0 砼制成试块，在同种方法条件下 对外模试块进行钻孔，然后在钻孔内灌入水泥砂浆和纤维水泥砂浆，待不同凝 期后对钻孔内砂浆施加竖直力，将砂浆顶山，求出粘结面上的抗剪强度。见图 2 1 。 图2 1 砂浆与钻孔孔壁的* 1 接抗剪试验模型 从图中可看出，钻孔孔壁与砂浆的粘结抗剪强度比砂浆的剪切强度高，砂 浆受压后下大t - 部分破坏发生在孔壁接触面上，与传力轴接触的叫、段破坏发 生在孔壁与传力轴周边砂浆内的剪切破坏。，砂浆受传力轴加压所受力，一方面 主耍南砂浆j 钻孔孔壁粘结抗剪力承担，另一一方面由传力轴崩边至钻孔壁问砂 浆的抗剪承担，但砂浆的受剪力较小，造成计算结祟略偏低。 计算公式为： t = r v s ( 2 - 1 ) 式中：一砂浆与钻孔壁的粘结抗剪强度 n 一施加给砂浆的轴向力 n 一施加给砂浆的轴向力 第二章试验研究 2 1 室内试验研究 2 1 1 粘结抗剪对比试验 第二章试验研究 为了比较不同锚固段砂浆与钻孔孔壁的粘结强度，本次试验设计一种标准 条件下的砂浆与钻孔壁的粘结抗剪对比试验。 2 1 11 试验模型 试验选择相同材料的外模试块，即用c 5 0 砼制成试块，在同种方法条件下 对外模试块进行钻孔，然后在钻孔内灌入水泥砂浆和纤维水泥砂浆，待不同凝 期后对钻孔内砂浆施加竖直力，将砂浆顶出，求出粘结衄上的抗剪强度。见图 2 一】。 n 图2 - 1 砂浆与钻孔孔擘的粘接抗剪试验模型 从图中可看出，钻孔孔壁与砂浆的粘结抗剪强度比砂浆的剪切强度高，砂 浆受压后卜i 大半部分破坏发生在孔壁接触面上，与传力轴接触的小段破坏发 生在孔壁与传力轴周边砂浆内的剪切破坏。砂浆受传力轴加压所受力，一方面 主要由砂浆与钻孔孔壁粘结抗剪力承担，另一方面由传力轴周边至钻孔壁间砂 浆的抗剪承担，但砂浆的受剪力较小，造成计算结果略偏低。 计算公式为： t = n s ( 2 1 ) 式中；t 一砂浆与钻孔壁的粘结抗剪强度 n 一旖加给砂浆的轴向力 4 翮霞 土传方轴鹤二崾一幽 第二章试验研究 s 砂浆与钻孔壁的接触面积 2 1 1 2 试验材料 ( 1 ) 水 生活用水 ( 2 ) 水泥 遵义花岗水泥p 0 4 2 5 ( 3 ) 砂 第一次选用产于贵州桐梓大河镇小河内的河砂，过0 2 5 o 5 衄圆孔筛； 第二次选用产于重庆赶水镇大河内的河砂，细度模数芦，= 2 1 9 。 ( 4 ) 减水剂 重庆市江北特种建材有限公司产棕褐色液体状萘系高效减水剂( f d n ) 。 ( 5 ) 膨胀剂 重庆市江北特种建材有限公司产灰白色粉末状u e a h 高效砼膨胀剂。 ( 6 ) 纤维 本次试验选用江苏丹阳台成纤维厂生产的混凝土砂浆抗裂抗渗纤维，长度 为1 5 r a m ，砂浆体积掺量为1 k g m 3 。 2 1 1 3 试验配合比 粘结抗剪的配合比为： 普通水泥砂浆：水泥：砂：膨胀剂；减水剂：水 = 1 ：0 7 5 ：0 1 ：0 0 2 5 ：0 4 2 纤维水泥砂浆：水泥：砂：膨胀剂：减水剂：纤维：水 = 1 ：o 7 5 ：0 1 ：0 0 2 5 ：0 0 0 1 3 2 ：0 4 2 2 1 1 4 试验方法 首先用模箱浇铸c 5 0 砼制作3 0 个1 5 0 n m a x1 5 0 m m 1 5 0 j m 的试件，试件中心 预埋外径由7 5 i f l 圆空心p v c 管。试样完成后保养1 4 天后再拆除p v c 管，向圆孔 内灌入砂浆，其中1 5 件灌入普通水泥砂浆，1 5 件灌入纤维水泥砂浆。按7 天、 1 4 天、2 8 天三个龄期分组，每组普通砂浆5 件，纤维砂浆5 件( 见图2 2 ) 。 第二章试验研究 图2 2 砂浆与钻孑l ：f l 壁的粘接抗剪试验 211 5 试验结果及分析 试验总共分两次进行重复性试验，第一次试验由于种种原因造成试件受损， 纤维水泥砂浆组数不够，对比条件较差，其结果如表2 - 1 。 表2 一l 第一次普通( 纤维) 砂浆与钻孔孔壁的粘接抗剪对比试验结果 龄期 破坏荷试件 平均 粘结抗剪甲均 试样编号载 一 试件粘结面积备注 局强度值 高度 dk n呦岫2m p a m p a i 一卜卜l2 37 4 66 8i 5 9 2 8 5 9 21 4 4 i l 一1 2 2 3 97 4 7 4 81 1 2 5 8 7 8 42 1 2 i l l 一3 2 1 67 4 3 6 6 9 6 0 0 6 1 5 6 0 7 9 0 4 l _ 3 81 7 8 i 一1 一l _ 4 2 3 d7 55 8 61 3 8 0 0 3 0 01 7 0 l 一1 1 53 0 87 4 5 5 8 81 3 7 5 5 0 8 42 2 4 i l 一2 一l3 7 47 4 56 9 71 6 3 0 4 9 2 l2 2 9普通 i 一1 2 23 67 4 36 l 1 4 2 3 i 4 2 2 2 5 3水泥 i 一1 2 33 9 87 4 45 8 36 1 7 41 3 6 1 9 8 1 32 9 22 5 8砂浆 i 一1 2 - 43 6 67 5 65 9 71 4 1 7 1 8 2 52 5 8 i 一1 2 53 6 57 5 26 01 4 1 6 7 6 8 02 5 8 i 一1 3 14 8 67 4 57 1 91 6 8 1 9 5 6 72 8 9 i l 一3 23 8 27 4 96 4 11 5 0 7 5 4 2 32 5 3 6 0 4 62 9 6 i 一1 3 3 4 2 3 7 4 65 3 91 2 6 2 5 7 5 23 3 5 i l 一3 44 4 47 4 85 5 31 2 9 8 8 4 2 23 4 2 第二章试验研究 续表2 - 1 龄期 破坏荷试件 平均 粘结抗剪平均 试件粘结面积备注 试样编号载高强度值 高度 dk n删l啪珊帝硪a m p a i 一2 3 - 53 4 97 4 95 7 11 3 4 2 9 1 2 12 6 0 i - 2 - 1 1 2 07 4 25 21 2 1 1 5 3 7 6l ，6 5 i 一2 - 1 - 21 4 37 4 74 1 89 8 0 4 5 2 4l 。4 6 4 7 6 0 1 4 8 i 一2 一l 一31 5 27 4 64 2 29 8 8 5 0 9 71 5 4 i 一2 1 41 6 57 5 75 4 41 2 9 3 0 7 7 11 2 8 i 一22 一i2 67 4 73 6 28 4 9 1 0 0 03 0 6纤维 i - 2 - 2 23 1 _ 77 5 54 3 31 0 2 6 5 1 3 1 3 0 9水泥 4 0 6 3 2 8 9 l 一2 2 3 3 0 17 5 44 0 59 5 8 8 6 1 83 1 4砂浆 i - 2 - 2 42 2 57 4 4 4 2 59 9 2 8 6 8 02 2 7 i - 2 - 3 - 14 8 8 7 4 85 1 71 2 1 4 2 8 8 24 0 2 i - 2 - 3 - 2 4 97 54 7 54 9 1 01 1 1 8 6 2 5 04 3 8 3 9 8 i 一2 3 3 4 07 4 64 8 11 1 2 6 7 1 3 63 5 5 从上表可得出： ( 1 ) 纤维水泥砂浆与钻孔的粘结抗剪强度总体比普通水泥砂浆与钻孔的 粘结抗剪强度增高； ( 2 ) 随时间增长，纤维水泥砂浆与普通水泥砂浆的比值逐步增高，其中7 天强度纤维水泥砂浆为普通水泥砂浆的0 8 3 倍，1 4 天强度纤维水泥砂浆为普通 水泥砂浆的1 1 2 倍，2 8 天强度纤维水泥砂浆为普通水泥砂浆的1 3 4 倍，见表 2 2 。 表2 - 2 第一次试验结果总结对比 砂浆类型7 天1 4 天2 8 天 普通水泥砂浆的平均粘结抗剪强度 l l7 82 5 82 9 6 平均粘结抗剪强度 1 4 82 8 93 9 8 纤维水泥砂浆 比普通水泥砂浆增加倍数 o 8 3l - 1 2上3 4 但由于受试验条件的限制：一是砂浆受剪影响计算结果；二是普通水泥砂 7 第二章试验研究 浆和纤维水泥砂浆试样的试验条件如砂浆试件高度等不完全一致，造成两种砂 浆对比性受影响。 第二次从试验条件上进行改善和加强，使试件尽量满足要求，其结果见表 2 - 3 。 表2 - 3 第二次普通( 纤维) 砂浆与钻孔孔壁的粘接抗剪对比试验结果 龄破坏试件 平均试件粘结抗平均 面积 备注 试样编号期荷载高高度剪强度值 dk nm m 2肝am p a h 一卜卜l73 2 44 8 71 1 3 6 1 8 0 7 42 8 5 h 一1 一l 一2 73 8 84 7 72 9 3 2 6 1 23 4 4 4 7 7 6 2 9 7 一1 一卜3 73 1 34 7 61 1 1 0 , 5 1 7 5 22 8 2 i i 一1 1 4 72 8 54 5 41 0 7 0 5 9 5 5 62 ，6 7 】j 一1 1 573 5 84 9 41 1 6 4 9 2 1 1 63 0 8 i i 一1 2 11 44 6 54 91 1 4 9 3 3 4 24 0 4 一卜2 21 44 035 0 81 2 0 1 1 2 5 3 63 3 6 4 8 8 64 1 2 普通水 】231 46 0 35 0 2 n 9 】6 6 7 6 85 _ 0 6 泥砂浆 i i 一卜2 4 1 45 5 34 8 4 1 1 4 8 9 3 8 5 64 8 l l l 一1 - 2 51 43 5 84 5 91 0 7 3 7 3 8 73 3 3 一卜3l2 86 7 ，55 2j 2 2 2 9 6 7 2 5 5 2 i i 一1 3 22 85 4 8 4 7 11 1 0 6 2 4 7 1 24 9 5 卜3 32 8 3 7 5 4 7 7 4 8 o o1 1 1 8 8 4 1 6 63 3 54 7 l 一l 一3 42 85 3 84 6 51 1 0 3 8 3 5 6 4 8 7 一l 一3 5 2 85 3 24 6 71 0 9 0 9 8 6 7 24 8 8 i i 一2 一l l 73 6 25 3 11 2 4 7 1 7 0 3 22 9 0 h 一2 一卜2 74 4 24 8 51 1 2 6 9 4 63 9 2 4 5 9 82 9 8 i l 一2 一l 一3 72 3 83 7 18 6 3 2 2 0 5 42 7 6 i i 一2 14 72 8 74 8 11 1 0 7 0 7 9 2 22 5 9 纤维水 一2 1 572 7 84 3 11 0 1 9 0 6 5 0 22 7 3 泥砂浆 i i 一2 2 1 1 46 1 63 6 28 4 3 4 1 6 5 67 3 0 一2 2 2 1 43 6 44 7 64 5 8 41 1 1 6 4 9 6 0 83 2 64 9 8 一2 2 31 45 8 24 5 11 0 4 6 5 2 7 4 65 5 6 2 2 41 45 2 15 1 91 2 1 0 8 3 7 3 8 4 3 0 续表2 = 3 第二章试验研究 龄破坏试件平均试件粘结抗 平均 面积备注 试样编号期荷载高高度剪强度值 d k n2 2m p a忡a i i 一2 2 5 1 45 0 o4 8 dl j 2 3 1 0 2 6 44 4 6 u 一2 3 1 2 87 4 24 4 11 0 2 7 4 7 7 0 87 z 2 i i - 2 3 22 87 2 84 9 11 1 5 9 3 8 8 4 8 6 2 8 4 5 5 05 9 8 一2 3 - 3 2 87 4 84 6 ，51 0 8 9 2 3 4 6 6 8 7 i i 2 - 3 42 83 44 2 59 9 6 8 7 1 5 3 4 l 一2 3 5 2 86 4 84 5 31 0 5 9 7 0 2 96 1 l 表2 4 第二次试验结果总结对比 砂浆类型7 灭1 4 天2 8 天 普通水泥砂浆的平均粘结抗剪强度 2 9 74 1 24 7 l 平均粘结抗剪强度 2 9 84 9 85 9 8 纤维水泥砂浆 比普通水泥砂浆增加倍数 1 o o1 2 l1 2 7 总的试验结果表明，纤维水泥砂浆与钻孔的粘结抗剪强度比普通水泥砂浆 与钻孔的粘结抗剪强度明显增高，但受砂浆凝结时间影响，其中两种砂浆材料7 天粘结抗剪强度几乎相同，f 4 天纤维水泥砂浆的粘结强度比普通水泥砂浆大约 l _ 2 1 倍，2 8 天纤维水泥砂浆的粘结强度比普通水泥砂浆大约1 2 7 倍。 2 1 2 与灰岩岩石圆壁的粘结抗剪对比试验 本次试验是在同一条件下所进行的砂浆、纤维砂浆与岩石粘结的对比试验。 2 ，1 2 1 试验模型 试验选择相同圆柱形岩样置于试模内，岩样柱体外灌入试验砂浆( 水泥砂 浆和纤维水泥砂浆) ，拟合灰岩与砂浆呈园柱面状接触，待不同凝期后对圆柱形 岩橇施加竖直力，将岩样顶出，求出粘结面上的抗剪强度。见图2 - 3 。 计算公式为： 式中：t 砂浆与岩石的粘结抗剪强度； n 一施加给岩样的轴向力； 第二章试验研究 s 一砂浆与岩样的接触面积。 图2 - 3 砂浆与钻i l 孔壁的粘接抗剪试验模型 21 22 试验材料 ( 1 ) 水 生活用水 ( 2 ) 水泥 重庆地维水泥，p 04 2 5 ； ( 3 ) 砂 巾粗砂，产f 赶水镇河中，细度模数为p - 2 】9 ； ( 4 ) 减水剂 重庆市江北特种建材有限公司棕褐色萘系高效减水剂( f d n 一3 3 ) ； ( 5 ) 纤维 本次选用江苏丹阳合成纤维厂生产的混凝上砂浆抗拉纤维，艮度约1 5 m m ， 砂浆体积掺量为0 4 5 k g m 3 ； ( 6 ) 岩石 灰岩，取于崇遵公路第七合同段大坪岩堆位置，呈微风化状，直径7 0 7 6 m m 。 2 1 23 试验配合比 本次砂浆粘结强度对比试验配合比为： 普通砂浆 水泥：砂 ：水：减水剂 1：0 7 5 ：0 4 2 ：0 0 0 6 8 第：章试验研究 纤维砂浆 水泥 ：砂： 水 ：减水剂：纤维 1：0 7 5 ：0 4 2 ：0 0 0 6 8 ： ( o 9 k g m 3 ) 2124 试验方法 选取表面光滑程度、直径相近的六组灰岩岩芯样品，每组6 件，洗净，准 确量出岩芯的直径、粘结的艮度，其它部分用胶纸带包住，然后在同利条件下， 将岩石分为两个大组，每组共1 8 件岩芯，放入1 5 0 m m 1 5 0 r n t n x1 5 0 m m 试模中心， 一组灌入水泥砂浆，另一组灌入纤维砂浆。龄期到后，对两种砂浆分别试验， 试验设备及实验过程见图2 - 4 到图2 - 6 。 图2 - 4 岩样加工 图2 - 5 试样制作 第二章试验研究 图2 - 6 岩石与砂浆的粘结抗剪试验 2 12 5 试验结果及分析 一次性浇铸制作普通砂浆与纤维砂浆各1 8 个试件，按7 天、1 4 天、2 8 天三 个龄期分三组，每组普通砂浆、纤维砂浆各6 件，在相应龄期分别试验，求出 其粘结强度，共6 个值，去掉最大、最小值，再用共余4 个求平均值，即为其 该龄期的粘结抗剪强度，见试验结果对比表( 2 - 5 ) ： 表2 - 5 岩石与砂浆的粘结抗剪试验结果表 砂浆直径高度粘结面积龄破坏货载占结强度增加倍 类型 ( r a m ) ( m m )( r a m 2 ) 期 ( k n )：l p a ) 平均值( 御a ) 数 7 4 0 55 5 0 5 1 2 8 0 0 0 62 9 8 2 3 3 7 3 8 55 5 41 2 8 4 6 6 52 72 1 0 普通7 3 8 5 5 5 9 1 2 9 6 2 6 0 2 9 32 2 6 7 天2 1 9 砂浆 7 1 95 4 91 2 3 9 4 5 5 2 4 2 1 9 5 7 3 8 55 5 81 2 9 3 9 4 13 0 12 3 3 7 3 8 55 5 2 51 2 8 1 1 8 72 6 52 0 7 1 1 6 7 45 5 4 51 2 8 8 4 3 63 9 23 0 4 7 3 75 4 41 2 5 8 9 1 43 83 0 2 纤维7 3 5 55 4 41 2 5 8 9 ，1 43 2 82 6 】 7 天2 5 3 砂浆7 3 9 55 51 2 7 7 1 1 72 8 32 2 2 7 4 45 5 5 51 2 9 7 7 3 72 4 41 8 8 7 4 1 55 5 31 2 8 7 5 5 52 9 62 3 0 第= 章试验研究 续表2 - 5 砂浆直径高度粘结面积龄破坏货载粘结强度增加倍 类型( f 衄o( 啪)( 吣瞧)期( k n ) ( 归a ) 平均值( 肿a ) 数 7 3 7 55 5 21 2 7 8 2 9 43 5 32 7 6 7 3 9 55 4 81 2 7 2 4 7 23 5 1 2 7 6 普通7 3 9 5 5 1 51 2 7 9 7 3 4 1 43 3 62 6 3 2 5 9 砂浆7 3 65 5 21 2 7 5 6 9 4 天 2 5 l9 6 7 3 8 55 5 3 51 2 8 3 5 0 64 1 43 2 3 7 45 5 1 51 2 8 1 4 6 5 2 8 42 2 2 7 3 7 55 4 9 5 1 2 7 2 5 0 5 4 0 。l3 1 51 1 9 7 2 65 4 6 51 2 4 5 8 2 3 3 7 63 0 2 1 4 7 2 15 5 11 2 4 7 4 3 1 4 1 83 3 5 纤维 7 1 3 55 5 4 51 2 4 2 2 9 63 5 22 8 33 0 9 砂浆 7 0 0 55 4 81 2 0 5 3 6 42 4 92 0 7 7 2 4 55 5 11 2 5 3 4 8 63 8 83 1 0 6 9 65 4 5 51 1 9 2 1 5 84 6 53 9 0 7 3 9 55 4 9 51 2 7 5 9 5 54 8 13 7 7 7 3 6 55 4 91 2 6 9 6 2 34 0 33 1 7 普通7 4 0 55 5 1 51 2 8 2 3 3 l 2 83 8 63 0 1 3 2 5 砂浆 7 3 8 55 4 。9 5 1 2 7 4 2 3 0天 3 22 5 l 7 3 95 5i 2 7 6 2 5 34 6 23 6 2 7 3 7 55 4 7 5i 2 6 7 8 7 3 4 0 63 2 0 1 2 l 7 3 85 5 21 2 7 9 1 6 l4 9 1 3 8 4 7 3 15 4 81 2 5 7 8 4 6 4 3 53 4 6 纤维7 3 8 5 5 4 8 51 2 7 1 9 1 12 85 4 84 3 l 3 9 4 砂浆 7 2 4 5 5 5 21 2 5 5 7 6 1 天5 8 84 5 2 7 1 35 4 4 51 2 1 9 0 3 7 3 9 53 2 4 7 2 25 4 71 2 4 0 0 9 3 5 2 84 2 6 试验结果表明，两种砂浆与灰岩的牯结强度都随龄期增大而增大，各龄期 纤维砂浆与岩石粘结抗剪强度比普通砂浆与岩石的粘结抗剪强度都有明显增 高，7 天纤维水泥砂浆的粘结强度比普通水泥砂浆大约i 1 6 倍，1 4 天纤维水泥 砂浆的粘结强度比普通水泥砂浆大约1 1 9 倍，2 8 天纤维水泥砂浆的粘结强度比 1 3 第二章试验研究 7 天1 4 天2 8 天 2 1 3 推荐配合比 图2 7 砂浆与岩石的粘结抗剪强度柱状图 为了满足施工对浆液流动性( 即砂浆的泵送性能) 和强度要求，根据试验， 其各项浆液配比应满足如下要求： 1 ) 材料：水泥应尽量使用高标号水泥，不能低于p o4 2 5 ；砂料应选用河 砂，以利于制浆和泵送要求；浆液中根据场地要求，宜适当添加少量掺合料和 外加剂，如膨胀剂、减水剂、粉煤灰、硅粉、矿渣等。 2 ) 聚丙烯纤维适宜长度为l o n n 1 9 岫，若制浆和泵送设备允许的话，可适 当加长纤维的长度；根据室内外试验，聚丙烯纤维在砂浆中的最佳掺量按l m 3 砂 浆中掺加0 8 l2 k g 。 3 ) 为了保证砂浆强度，水灰比宜控制在0 3 5 0 4 5 之问，但不能超过0 5 。 4 ) 掺合料和外加剂掺量一般根据产品的推荐掺量掺入砂浆内。 5 ) 砂的掺星根据胶砂比确定，胶砂比一般宜控制在1 ：0 4 5 和l ：1 5 。 总之，聚丙烯纤维砂浆应用在锚固灌浆材料巾时，各种材料的配合比首先 应满足浆液可工作性的要求，另外不必须达到强度要求，按上述要求配制，砂 浆凝固体的强度不低于m 3 5 ，但实际应用中，以上要求只作参考，必须根据每个 工程结合现场和使用材料进行验证性试验，方可使用于生产。 图见倍约大浆砂 5 4 5 3 5 2 5 l 5 o 泥 乱 互 l m 水 一蛊邑螂想衙堰埒磐 匿洫日 第二章试验研究 2 2 锚索现场张拉比试验 2 2 1 试验场地 试验场地选择在贵州省崇遵高速公路第三合同段西山沟i 号特大桥遵义岸 引道右边坡二级平台上，岩性主要为灰白色薄层状泥质砂岩夹泥灰岩，呈强风 化状。 2 2 2 试验材料 ( 1 ) 钢绞线 江西省新余市新华金属制品股份有限公司产无粘结低松弛预应力钢绞线( 1 7 ) ，公称直径1 5 2 4 m m ，捻向左，强度级1 8 6 0 m p a 。 ( 2 ) 水 生活用水。 ( 3 ) 水泥 遵义花岗水泥p 0 4 2 5 。 ( 4 ) 砂 产于重庆赶水镇大河内的河砂，细度模数，= 2 1 9 。 ( 5 ) 减水剂 重庆市江北特种建材有限公司产棕褐色液体状萘系高效减水剂( f d n ) 。 ( 6 ) 膨胀剂 重庆市江北特种建材有限公司产灰白色粉末状u e a h 高效砼膨胀剂。 ( 7 ) 纤维 本次试验选用江苏丹阳合成纤维厂生产的混凝土砂浆抗裂抗渗纤维，长度 为1 5 m ，砂浆体积掺量为1 k g m 3 。 2 2 3 砂浆配比 普通水泥砂浆：水泥：砂：膨胀剂：减水剂：水 = l ：0 7 5 ：0 i ：o 0 2 5 ：0 4 2 纤维水泥砂浆：水泥：砂：膨胀剂：减水剂：纤维：水 = l ：0 7 5 ：0 1 ：0 0 2 5 ：0 0 0 1 3 2 = 0 4 2 第二章试验研究 2 2 4 试验张拉设备 试验选用2 0 0 吨级，最多6 束同时张拉的千斤顶和配套设备。 2 2 5 试验方法 2 2 5 1 锚孔的设计与布置 在平台上竖直钻进1 2 个由9 0 衄钻孔，孔深0 5 0 米，呈网络状布置，各孔 进行编号。见图2 - 8 。 ；0 1 10 2 20 1 40 2 5 2 一。 。，一32 4。一6 i l 鱼一21 2 = 3 竺! 二51 2 二亘i 普通水泥砂浆锚索( ) 纤维水泥砂浆锚索 图2 - 8 西山沟锚索试验布置图 2 2 5 2 锚索的设计 全部锚索采用同样一种规格，锚固段长0 5 0 米，与钻孔深度一致。外余段 l 米，其中6 根锚索用纤维水泥砂浆，6 根锚索用普通水泥砂浆。先将砂浆灌注 入钻孔内，再将绑扎好的锚索放入钻孔内后用c a 0 砼作垫墩。见图2 一g 图2 1 2 。 第二章试验研究 图2 - 9 试验锚索 话芤二_ - 卜纤维分袋二i 蓼否稃琢戛= = = 二_ 二i 舸勇f 图2 - 1 0 试验过程 图2 一儿锚索张拉 1 7 第二章试验研究 2 2 6 试验结果及分析 图2 - 1 2 砂浆孔口破坏 锚索按设计施工完毕后，待砂浆凝固期满1 4 天后进行张拉试验，对试验值 采用去除最大值和最小值后进行平均值统计，结果如表2 书。 表2 - 6 普通( 纤维) 砂浆锚索现场张拉对比试验结果表 锚索砂浆 钻孔砂浆锚固段计算平均最大相差倍 直径凝期长度张拉荷载数 规格类型 ( m i l l ) ( d )( m )( k n ) 3m普通水泥砂 9 01 4 o 51 1 7 3 9 1 5 2浆 1 0 9 3中纤维水泥砂 9 01 4o 51 2 8 0 5 1 5 2浆 第章试验研究 从上表可看出锚固段中砂浆通过掺入聚丙烯纤维，砂浆的锚固性能得到提 高9 。 试验后，为，观察锚索和砂浆破坏情况，选了4 根锚索进行开挖后观察， 发现纤维水泥砂浆的铺索锚固段仍然保持原状，从少量拉开的裂口内钢钎都难 以将砂浆锹丌，而普通水泥砂浆的锚索铺固段砂浆几乎全部压碎破裂。见图 2 一】3 。 图2 一1 3 普通( 纤维) 砂浆锚索张拉后照片 第三章纤维砂浆增强锚固作用的机理分析 第三章纤维砂浆增强锚索锚国作用的机理分析 3 1 纤维砂桨基体的增强作用机制 1 9 6 0 年，g o l d f e i n 的早期研究工作发现，在水泥静浆与砂浆中掺加少量聚 丙烯纤维可以明显