（道路与铁道工程专业论文）高耐久性锚杆在水下挡墙中的性能研究.pdf

摘要 岩土锚固技术是岩土工程加固的一种重要手段，它能比较充分地调动和提高岩土体 自身的强度和稳定性，缩小结构物尺寸和减轻其自重，显著节约工程材料。随着锚固技 术的拓宽和发展，钢锚杆几乎应用于土木建筑领域的各个方面，如在边坡、基坑、矿井、 隧道、地下工程、坝体、机场、港口、挡土墙、桥台锚固等工程建设与改造中都己得到 广泛应用。 然而，以钢材为原材料的传统锚杆容易锈蚀，当用作地下或水下工程的结构构件， 因其更换困难会对结构的安全性和耐久性带来严峻的挑战。复合纤维增强塑料筋( 简称 f r p ) 虽然具有轻质、高强、耐腐蚀、不导电等优良特性，但是其弹性模量较低，抗剪切 模量较小，长期耐温性、耐老化性较差，且成本较高，制作难度大等诸多因素制约了其 在锚固工程中的大规模使用。新型f r p 钢筋锚杆是在普通热轧钢筋锚杆的外表面整体湿 法成型e 型g f r p ( 无碱玻璃纤维) 外壳进行永久性防水防锈，提高锚杆的耐久性的新 型复合式锚杆。f r p 与钢材组合，可发挥出钢材的高弹性模量和f r p 耐腐蚀、耐疲劳性 能好的优势，达到互补的效果。 本文以试验为基础，对f r p 钢筋锚杆的材料组成、耐腐蚀性能、拉伸力学性能以及 生产工艺做了深入研究，并以某实际边坡工程为例检验新型锚杆的锚固性能。研究对f r p 钢筋锚杆相关设计方法、施工要点等提供了必要的基础数据和分析手段，对推动新型复 合式锚杆的广泛使用具有指导意义。 本文的主要研究成果及结论如下： 综合比较各种纤维的使用性能和价格后，选择了性价比较高的e 型玻璃纤维作为 钢筋锚杆的外包材料，浸泡环氧酚醛树脂和丙酮溶液组成的粘结剂后与钢筋具有良好的 粘结性能。 f r p 钢筋锚杆通过浸泡在一定浓度的硫酸、n a o h 溶液、n a c l 溶液和电流加速腐 蚀之后，对其力学性能进行了测试，并与同种条件下的钢筋试件进行对比，从而证明了 f r p 钢筋锚杆具有较好的耐酸、碱、盐和电流腐蚀特性。 在国内外研究的基础上进行了总结，通过层合板理论推导了纤维布缠绕钢筋的角 度以4 5 。最佳，并得到了复合杆体的理论应力应变曲线图。通过拉伸不同纤维残绕层数 和不同内芯材料试验，得出f r p 钢筋锚杆的力学性能与纤维缠绕层数和杆件内芯材料之 间的关系。 探讨了胶结材料与f r p 钢筋锚杆的粘结强度的影响因素，锚杆锚固力的计算方 法，提出了适合新型锚杆特点的锚杆结构设计方法。 通过一个实际边坡工程锚固实例对f r p 钢筋锚杆的使用性能进行了验证，得到 了f i 冲钢筋锚杆的实际锚固效果与钢筋锚杆相近，但其防腐蚀效果比普通钢筋锚杆优良 很多的结论。 关键词：f r p 钢筋锚杆；玻璃纤维布；耐腐蚀性；拉伸力学性能；层合板理论；生产工 艺 a b s t r a c t t h er o c ka n c h o rt e c h n o l o g yi sb e i n gu s e di naw i d er a n g eo fg r o u n do rr o c kc o n d i t i o n s t h e yc a ni m p r o v et h es t r e n g t ha n dr e l i a b i l i t yo fg r o u n d ，r e d u c et h ed i m e n s i o n o fs t r u c t u r e sa n d l i g h t e nt h e i rw e i g h t s ot h e yc a l ls a v et h em a t e r i a l si ne n g i n e e r i n g w i t hi n c r e a s e de x p e r i e n c e a n di m p r o v e da n c h o r i n gt e c h n i q u e s ，s t e e la n c h o r sh a sb e c o m eac o m m o np r a c t i c ei na l m o s t e v e r ya s p e c to fc i v i le n g i n e e r i n gs u c ha ss l o p e s ，f o u n d a t i o n s ，m i n e s ，t u n n e l s ，u n d e r g r o u n d e x c a v a t i o n s ，c o n c r e t ed a m s ，a i r p o r t s ，a e r o d r o m e ，p o r t s ，r e t a i n i n gw a l l ，b r i d g ea b u t m e n t s ， r e h a b i l i t a t i o no fe x i s t i n gc o n c r e t es t r u c t u r e sa n ds oo n h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a la n c h o r sw h i c hm a d eo fs t e e la r ee a s yt or u s t w h e nu s e da s s t r u c t u r a lm e m b e r si nu n d e r g r o u n do ru n d e r w a t e re n g i n e e r i n g ，t h e yw i l l p o s es e r i o u s c h a l l e n g e st ot h es a f e t ya n dd u r a b i l i t yo fs t r u c t u r a lb e c a u s eo ft h ed i f f i c u l tt oc h a n g e a l t h o u g h t h ef r pb a r sh a v et h eg o o df e a t u r e so fl i g h tw e i g h t ，h i g hs t r e n g t h , c o r r o s i o n - r e s i s t a n ta n d n o n - c o n d u c t i v e ，t h ef a c t o r so fl o w e re l a s t i c i t ym o d u l u s ，s m a l ls h e a rm o d u l u s ，t h el o n g t e r m t e m p e r a t u r er e s i s t a n c e ，a g i n gl e s sa n dh i g hc o s to fp r o d u c t i o na l s oc o n f i n e dt h e yw i d e l yu s e d i nc i v i le n g i n e e r i n g t h ef r p - s t e e la n c h o ri san e wt y p eo fa n c h o rw h i c hu s e do v e r a l lw e t f o r m i n gg f r p o nt h eo u t e rs u r f a c eo fo r d i n a r yh o t - r o l l e ds t e e lb o l t t h es h e l lh a st h ef u n c t i o n o fw a t e r p r o o f , p e r m a n e n tr u s ta n di m p r o v e st h ed u r a b i l i t yo fb o l t t h ef r pc o m b i n e d 、析t h s t e e lc a l lp l a yah i 曲m o d u l u so fe l a s t i c i t yo fs t e e l ；i ta l s oc a np l a yt h ea d v a n t a g e so f a n t i c o r r o s i o n , a n t i - f a t i g u ep r o p e r t i e so ff r p , t oa c h i e v ec o m p l e m e n t a r ye f f e c t s t h i sa r t i c l ei sb a s e do ne x p e r i m e n t ，a n dd o n ei n - d e p t hs t u d yo nt h em a t e r i a lc o m p o s i t i o n , c o r r o s i o n , t e n s i l ep r o p e r t i e s ，p r o c e s so ff r p - s t e e la n c h o r ，t a k e sar e a lp r o j e c t i o no fs l o p ea sa n e x a m p l et ot e s t i n gt h en e wb o l ta n c h o r a g e sp e r f o r m a n c e t h i ss t u d yp r o v i d e st h en e c e s s a r y b a s i cd a t aa n da n a l y t i c a lt o o l sf o rt h er e l a t e dd e s i g na n dc o n s t r u c t i o np o i n t so ff r p - s t e e l a n c h o r ，a n dg e ta ni n s t r u c t i v ef o r t h ew i d e l yu s e do ff r p - s t e e la n c h o r t h i sp a p e r sm a i nf m d i n g sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： c o m p r e h e n s i v ec o m p a r ev a r i o u sf i b e r sp e r f o r m a n c ea n dp r i c e s ，c h o o s et h eet y p eo f g f r pm a t e r i a la st h eo u t s o u r c i n gs t e e lb o l tm a t e r i a l ，a f t e rs o a k 诵t l lb i n d e rw h i c hm a d eo f e p o x yp h o n e t i cr e s i na n da c e t o n es o l u t i o n , i th a sag o o db o n d i n gp r o p e r t i e s 、析t l ls t e e l a f t e ri m m e r s e di nac e r t a i nc o n c e n t r a t i o no fs u l f u r i ca c i d ，n a o hs o l u t i o n , n a c l s o l m i o na n dc u r r e n ta c c e l e r a t e dc o r r o s i o n ，t e s t i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff i 冲一s t e e l a n c h o r , a n dm a d eac o m p a r i s o nw i t l l s t e e l a n c h o rw h i c hu n d e rt h es a m ek i n d so f c o n d i t i o n s t h er e s u l tp r o v e dt h ef r p s t e e la n c h o r sh a v eg o o dr e s i s t a n c et oa c i d ，a l k a l i ，s a l t a n dc o r r o s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc u r r e n t s u m m a r i z e do nt h eb a s i so fh o m ea n da b r o a d s t u d y , u s e dt h el a m i n a t e dp l a t et h e o r y t op r o v et h a tt h eo p t i m u ma n g l ef o rf i 冲t ow o r r yt h es t e e li s4 5 0 , a n dg e tt h ec o m p o s i t er o d 。s t h e o r yo fs t r e s s s t r a i nc u r v e t e n s i l et h eb a rw h i c hw o r r i e d 、析吐ld i f f e r e n tf i b e rr e s i d u el a y e r s a n di n n e rc o r em a t e r i a l ，g e tt h er e l a t i o n s h i po ff r p s t e e la n c h o r sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw h i c h w i n d i n gd i f f e r e n tl a y e r sa n dr o d sc o r em a t e r i a l s c o n f e rt h ef a c t o r sw h i c he f f e c tb o n ds t r e n g t ho fc e m e n t i n gm a t e r i a la n df r p s t e e l a n c h o r ，t h em e t h o do fb o l ta n c h o r a g ef o r c ec a l c u l a t i o n ，p r e s e n t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa n c h o r b o l t s d e s i g nm e t h o d sf o rt h en e w s t r u c t u r a l t a k et h er e a lp r o j e c t i o no fs l o p ea sa ne x a m p l et ov a l i d a t et h ep e r f o r m a n c eo f a n c h o r , t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef r p s t e e lb a r s a c t u a la n c h o r i n ge f f e c ts i m i l a ra ss t e e lb a r s ， b u tt h ea n t i c o r r o s i o ne f f e c ts u p e r i o rt h a ns t e e lb a r s k e yw o r d s ：f l 冲- s t e e la n c h o r ；g l a s sf i b e rc l o t h ；c o r r o s i o n ；t e n s i l ep r o p e r t i e s ； l a m i n a t e dp l a t et h e o r y ；p r o c e s s 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：日期：年月日 重庆交通大学学位论文版权使周授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不 限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权 利。 学位论文作者签名： 日期：年月日 指导教师签名： 日期：年月日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 指导教师签名： 日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 岩土锚固技术是把一种受拉杆件埋入地层中，以提高岩土自身的强度和自稳 能力的一门工程技术；由于这种技术大大减轻结构物的自重、节约工程材料并确 保工程的安全和稳定，具有显著的经济效益和社会效益，因而目前在工程中得到 及其广泛的应用。 岩土锚固的基本原理就是利用锚杆( 索) 周围地层岩土的抗剪强度来传递结 构物的拉力以保持地层开挖面的自身稳定，由于锚杆的使用，它可以提供作用于 结构物上以承担外荷的抗力；可以使锚固地层产生压应力区并对加固地层起到加 筋作用；可以增强地层的强度，改善地层的力学性能；可以使结构与地层连锁在 一起，形成一种共同工作的符合体，使其能有效地承受拉力和剪力。在岩土锚固 中通常将锚杆和锚索统称为锚杆。 工程中所指的锚杆，实际上是受拉杆件及其锚固与固定该受拉杆件的锚固系 统的总称。它由三部分组成：锚固体( 或称内锚头) 、拉杆及锚头( 或称外锚头) ，见 图1 1 所示。锚头是被加固构筑物与拉杆的连接部分，其功用是将来自构筑物的 力有效地传给拉杆，一般由台座、承压板和紧固器等部件组成。拉杆的作用是将 来自锚头的拉力传递给锚固体，通常采用抗拉强度高的材料。锚固体在锚杆的未 部，与岩土体相连，其功用是将来自拉杆的力通过界面粘结力传递给稳固的岩土 目 层0 1 1 1 锚杆的分类及锚固工程的用途瞳m 3 为满足不同的地质条件、岩土性质和施工工况条件下的锚固结构的需要，人 们研制出了各种各样的锚杆，工程上常用的锚杆如下分类： 按照被锚固对象分类可分为岩石锚杆、土层锚杆。 按照是否施加预应力划分，可分为预应力锚杆、非预应力锚杆。 按照锚杆的受力机理来划分可分为粘结式锚杆、拉力式锚杆、端头锚固锚 杆和混合式锚杆。 按照锚固体传力方式划分可分为压力式锚杆、拉力式锚杆和剪力式锚杆。 随着锚固技术的拓宽和发展，锚固工程几乎遍及土木建筑领域的各个方面，目前 2 第一章绪论 国内外广泛采用锚固技术加固临时和永久建筑结构物，且其应用正在日益扩大， 概括起来，锚固工程主要有以下几方面的用途： 图1 1 锚杆结构示意图 f i 9 1 1t h es t r u c t u r eo f a n c h o r 深基坑和地下结构工程支护，主要用在深基坑支挡、高层建筑地下室抗浮、 地下结构工程支护与加固，如地下停车场、地下铁道或地下街、地下商场、地下 工业用地等。 边坡稳固工程，主要有边坡加固、斜坡挡土、锚固挡墙和滑坡防治。 结构抗倾覆应用，如防治高塔倾倒、防止高架桥倾倒、防止坝体倾倒、防 止挡土墙倾覆。 在加压装置中的应用，如桩的静荷载实验装置、沉箱下沉加重。 井巷及隧道工程支护，主要是用来防止隧道( 井巷) 坍塌和控制隧道( 井巷) 围岩变形。 道路桥梁基础加固，如防止桥墩基础滑动、悬臂桥锚固、吊桥桥墩锚固、 大跨度拱形结构物稳固。 现有结构物的补强与加固，主要是指利用锚固技术对已产生裂缝、变形和 滑移等破坏的现有结构物进行加固治理。 其它工程方面的应用，如对水坝下游冲击区和排洪隧洞冲击区实施锚固保 护等。 在各类锚杆体系中，砂浆锚固锚杆以其力学性能良好、安装操作简易、经济 适用等特点，在边坡支护、挡土墙支撑、桥墩锚固、隧道支护、地下洞室开挖等 第章绪论 3 工程中应用广泛。 1 1 2 岩土工程锚固技术及水下挡墙工程技术的发展与现状n 卜【6 】 锚杆由于其力学性能良好，施工放便，在土木工程和矿山工程领域应用广泛。 1 9 1 2 年美国阿伯施莱辛( a b e r s h l e s i n ) 第一次将锚杆用于煤矿巷道的支护，1 9 1 5 年 至1 9 2 0 年在金属矿山也开始使用锚杆，并有所发展和推广。自1 9 3 4 年阿尔及利 亚的舍尔法坝加固工程使用预应力锚杆及1 9 5 7 年前西德b a u e r 公司在深基坑中使 用土层锚杆至今，锚固技术在世界各地都得到了广泛的应用。与此同时，锚固技 术的理论研究也引起了人们的重视。1 9 5 2 年l o u i sp a n e k 等提出了悬吊作用理论， j a c o b i 等提出了合成梁理论。1 9 5 5 年由r a b a c e w i c z 提出，后由l a n g 等人发展得 出拱形压缩带作用理论，后者成为块状岩体围岩隧道锚杆支护机理的经典理论。 目前，国外仅各类岩石锚杆就多达6 0 0 余种，每年使用得锚杆量达到2 5 亿根。日 本土层锚杆的用量也在逐年成倍增加，德国、奥地利的地下开挖工程，已把锚杆 作为施工中重要手段。 我国在2 0 世纪5 0 年代开始应用岩石锚杆，6 0 年代开始大量采用锚固技术， 特别是在我国的矿山巷道、铁路隧道、公路隧道、排水隧洞等地下工程中大量采 用普通粘结型锚杆与喷射混凝土支护。近年来，随着我国经济的高速发展，高速 公路、水电站、码头的建设加快，在公路边坡、库区大型滑坡治理中更多采用预 应力锚索加固技术。岩土锚固技术几乎遍及土木工程的各个领域，如边坡、基坑、 隧道、坝体、码头、船闸、桥梁等。 1 2 金属锚杆的应用n 卜n 们 岩土锚固技术产生于2 0 世纪初，其巧妙利用了预应力钢材的高抗拉强度，调用 并提高了岩土体自身的强度及自稳能力，充分挖掘了岩土体的潜能，有效地节省了 工程费用并有利于施工安全，因而成为提高岩土工程稳定性及解决复杂困难岩土工 程问题最经济最有效的方法之一，在实际工程中有着广泛的应用。 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。例如，衡量拉杆材料性能主要有 强度、延展性、松弛性、弹性模量和抗腐蚀性等指标。理想的拉杆材料应具有高 强度、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，如钢铰线、高 强度钢丝或高强度螺纹钢筋等。当预应力较小( t 。2 s1 3 0i 。5 01 5 37 8 5 注：括号里的数为特征强度：宰所得值用的是直径为7 9 m m 的圆筋。 锚杆安放年半后，荷载损失约为3 5 5 t w 在f u k u c h i y a m a , l e a d l i n e 用于稳固沿国有9 群路的斜坡( a n d o1 9 9 6 ) 锚杆由 2 0 8 r n m 的压痕l e a d l i n e 索组成，锚杆的锚固长度为3 m ，自由段为4 - - d s m 。 1 3 3g f r p 锚杆 g f r p 锚杆，即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 rg f r p ) 筋 材是近年来开发出来的一种新型复合增强材料，它采用纤维纱浸渍含有固化剂的 不饱和聚酯、环氧树脂胶液后，在拉挤机的牵引下，通过预成模型进入加热模具， 在高温高压下固化成型。自1 9 7 8 年来，德国对玻璃纤维增强预应力筋进行了大规 1 0第一章绪论 模的实验。1 9 8 0 年首先在一座实验性人行桥上采用了玻璃纤维增强筋，1 9 8 6 年在 杜塞多夫一座通行重型货车的桥梁上使用了玻璃纤维增强预应力筋。 g f r p 筋具有比强度高、抗冲击性能好、耐腐蚀、非磁性等等优点。在混凝土 结构中使用g f r p 筋代替钢筋，是解决钢筋锈蚀行之有效的方法，已经应用于桥 梁、水工建筑物、海港码头、煤巷临时加固以及永久边坡加固工程中。 表1 2g f r p 筋与钢筋的物理力学性能比较 t a b l e l 2ac o n t r a s tp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb e t w e e ng f r pa n ds t e e l 比重热膨胀系数抗拉强度屈服强度弹性模量极限伸长 种类 ( g m m 3 ) 纵向横向 ( m p a )( 田a )( g p a )率( ) g f r p 筋 1 2 5 2 16 1 02 1 2 35 2 5 11 2 53 8 4 5 1 0 钢筋 7 91 1 71 1 74 0 0 7 0 02 8 0 4 2 02 0 02 7 2 9 与钢筋相比，纤维增强塑料筋的普遍优点是具有优良的抗腐蚀性能，耐久 性好；抗拉强度高，等于甚至高于预应力钢筋；自重轻，只有预应力钢筋的 1 5 2 0 ；低松弛性，荷载损失较小；优良的抗疲劳特性；对电磁场不敏感。由 于岩土锚杆是一轴向受拉杆件，因此，纤维增强塑料筋作为拉杆，其高轴向抗拉 强度可以得到较充分发挥。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，并且不需做防腐处理，也使纤维增强塑料筋锚杆的制造更简单了，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，象水坝和地基的施工，纤维增强塑料筋锚杆的这 种优势就更加突出。纤维增强塑料筋的抗电磁特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。与钢筋相比，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。因此，用纤维增强塑料筋制作锚杆代替钢锚杆具有不需要防腐保护、结构简 单、重量轻、易于制造、运输和安装、预应力损失小等优点。 然而，纤维增强塑料筋也不是万能的，它也存在一些不足之处【卧9 1 2 0 1 ： 弹性模量低：g f r p 筋在拉伸时的弹性模量在4 1 0 - 4 7 1 0 - 4 m p a 之间， 约为钢筋弹性模量的2 5 。7 0 这