巖石GFRP抗浮錨桿承載性能室內試驗與機理分析

2018-09-30 08:51:38 土木建筑與環境工程2018年5期

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白曉宇 張明義 王永洪 閆楠

摘 要:

基于4根巖石GFRP抗浮錨桿的室內足尺拉拔破壞性試驗,探討了風化巖地基中全長黏結GFRP抗浮錨桿的界面黏結特性和承載性能,揭示了GFRP錨桿的細觀破壞機理。結果表明:GFRP抗浮錨桿發生拔出破壞,主要是由螺紋表面劣化所引起的剪脹破壞;直徑25 mm、灌漿體強度M30、錨固長度1.3和0.55 m的GFRP抗浮錨桿的極限抗拔承載力分別為255、195 kN,滿足工程抗浮要求;GFRP抗浮錨桿桿體與灌漿體界面平均黏結強度介于2.41~5.10 MPa之間,高于《巖土錨固與噴射混凝土支護工程技術規范》(GB 50086—2015)中鋼錨桿與灌漿體的黏結強度推薦值。

關鍵詞:巖石地基;抗浮錨桿;極限抗拔力;平均黏結強度;破壞機制

中圖分類號:TU475

文獻標志碼:A 文章編號:16744764(2018)05007808

收稿日期:20171103

基金項目:

國家自然科學基金(51708316、51778312);山東省重點研發計劃(2017GSF16107、2018GSF117008);山東省自然科學基金(ZR2016EEQ08、ZR2017PEE006);山東省高等學??萍技蘋↗16LG02);青島市應用基礎研究計劃(165139jch);中國博士后科學基金(2018M632641)

作者簡介:

白曉宇(1984),男,博士,副教授,主要從事地基基礎與城市地下工程研究,Email:[email protected]。

Received:20171103

Foundation item:

National Natural Science Foundation of China (No. 51708316, 51778312); Shandong Key Research and Development Program (No.2017GSF16107,2018GSF117008); Natural Science Foundation of Shandong Province (No. ZR2016EEQ08, ZR2017PEE006); Higher Educational Science and Technology Program of Shandong Province (No. J16LG02); Applied Basic Research Programs of Qingdao (No. 165139jch);China Postdoctoral Science Foundation(No.2018M632641)

Author brief:

Bai Xiaoyu(1984), PhD, associate professor,main research interests: foundation and urban underground engineering, (Email) [email protected]

Fullscale test and mechanism analysis on bearing capacity of

GFRP antifloating anchor socketed into rock

Bai Xiaoyu1a, 1b, Zhang Mingyi1a, 1b, Wang Yonghong1a, Yan Nan2

(1a.School of Civil Engineering; 1b.Collaborative Innovation Center of Engineering Construction and Safety in Shandong

Blue Economic Zone, Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, Shandong, P. R. China;

2.College of Environmental Science and Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, Shandong, P. R. China)

Abstract:

Based on the laboratory fullscale tensile failure tests on four fullbonded GFRP antianchors socketed into rock, the interfacial adhesion and bearing capacity of the anchor on rock foundation were studied, from which the microfailure mechanism of the anchor was revealed. The results show that the pullout failure occurred in GFRP antifloating anchor, attributing to the dilative shear failure from anchor threads interfacial deterioration. The ultimate uplift bearing capacity of GFRP antifloating anchor with diameter of 25 mm, concrete of M30, anchorage length of 1.3 m and 0.55 m, was 255 kN and 195 kN, respectively, indicating that the high bearing capacity of the anchor for antifloating purpose. The average bond strength between GFRP antifloating anchor and grouting body was between 2.41 MPa and 5.10 MPa, higher than the recommended values from Technical Code for Engineering of Ground Anchoring and Shotcrete Support”(GB 50086-2015).

Keywords:

rock foundation; antifloating anchor; ultimate uplift bearing capacity; average bond strength; failure mechanism

抗浮錨桿因地層適應性強、分散應力、布置靈活、施工便捷、造價低等諸多技術優勢在土木工程領域被廣泛采用,但其常年處于地下水位以下或干濕交替區域,服役環境會不同程度遭受地下水中侵蝕性離子的化學腐蝕,在沿海地區尤為嚴重;特別是城市軌道交通運營過程中產生的雜散電流會使鋼筋錨桿產生電化學腐蝕,導致抗浮結構的服役性能嚴重退化,過早退出服役,極大地威脅主體結構的安全性和耐久性[14]。另外,在青島、深圳等風化巖地基(尤其中~微風化花崗巖)中施工大直徑鋼筋混凝土抗浮樁非常困難,工程費用高,喚起了人們對非金屬抗浮錨桿的期待。玻璃纖維增強聚合物(GFRP)筋是以纖維為增強材料、樹脂為基體材料,通過拉擠、固化復合而成的一種新型材料。與鋼筋相比,GFRP材料具有耐腐蝕性強、抗拉強度高、造價低、質量輕、抗電磁干擾性能好等優點[56]。近年來,GFRP材料在土木工程相關領域得到了較多研究和應用[79]。將GFRP錨桿用于地基加固工程能有效解決鋼筋錨桿的耐久性問題,有利于提高結構的使用壽命。

對GFRP抗浮錨桿的研究尚處于起步階段,大多數研究都局限于普通巖土GFRP錨桿或基于小尺寸拉拔試件。有學者從GFRP錨桿的承載特性、破壞機理、荷載傳遞規律及黏結應力分布特征展開研究。劉漢東等 [10]研究了GFRP錨桿基本力學指標和基本破壞形態。賈新等 [11]從試驗的角度分析了GFRP錨桿的破壞模式、極限抗拔承載力、平均黏結強度及臨界錨固長度等問題。李國維等 [12]基于GFRP錨桿拉拔模型試驗,揭示了錨桿桿體應力傳遞深度隨錨固體強度的變化特征。Zhu等[13]在管狀GFRP土釘上植入FBG傳感器,現場測試了GFRP土釘的應力應變分布規律。Li等[14]借助分布式光纖傳感技術測試了BGFRP筋的應力松弛特性。白曉宇等[15]基于原型抗浮錨桿拉拔破壞性試驗,探討了中風化花崗巖中GFRP抗浮錨桿的承載性能和破壞機理。Vilanova等[16]得到了長期荷載作用下GFRP筋與混凝土相對滑移的時間效應。Benmokrane等[17]預測了實心和空心GFRP錨桿在鹽溶液侵蝕條件下的長期抗拉強度,進一步評價了GFRP錨桿的耐久性。

GFRP錨桿的出現,特別是GFRP材料優越的抗電磁干擾性和耐腐蝕性,能夠徹底解決抗浮錨桿的耐久性問題。為模擬巖石GFRP抗浮錨桿的實際施工情況和受力特性,通過兩組全尺寸巖石GFRP抗浮錨桿室內拉拔破壞性試驗,研究其抗拔性能及錨桿桿體灌漿體界面黏結特性,揭示GFRP抗浮錨桿的破壞機制。

1 試驗方案及過程

1.1 試驗材料及儀器

1.1.1 GFRP抗浮錨桿 為了提高錨桿與灌漿體之間的錨固力,試驗采用直徑25 mm的全螺紋實心狀GFRP抗浮錨桿。經檢測,玻璃纖維和環氧樹脂的含量分別為75%和25%,密度為2.1 g/cm3,重量為970 g/m,橫截面積為478 mm2,常規力學指標見表1。

1.1.2 混凝土基體 為模擬實際工程中的中風化巖地基,試驗選用C30混凝土制成基體,混凝土基體的底面尺寸為1 m×1 m的方形截面,高度分別為0.8 m和1.6 m?;宓鬧譜魅繽?所示。另外還澆注了3組立方體試件,試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,與試驗錨桿同條件養護,28 d后測得立方體試件抗壓強度均值為28.9 MPa??贍苡捎詼酒陸系?,混凝土中未加防凍劑,導致抗壓強度小于30 MPa。

1.1.3 灌漿體 水泥選用山東某公司生產的42.5#普通硅酸鹽水泥,砂選用無雜質且級配良好的中砂,采用自來水拌和均勻。其中,水、水泥、砂的質量比為0.45∶1∶1,灌漿體的設計強度等級為M30。為檢驗灌漿體強度是否達到設計要求,澆筑了2組70.7mm×70.7 mm×70.7 mm的水泥砂漿試塊,與試驗錨桿在相同條件進行養護,7 d后測得1組試塊的抗壓強度均值為31.2 MPa,28 d后測得另一組試塊的抗壓強度均值為35.6 MPa。

1.1.4 試驗儀器 主要試驗儀器及設備包括:特制H型截面鋼支墩、跨中截面預留80 mm貫通孔洞的箱型加載梁、行程為20 cm的手動式油壓穿心千斤頂、MGH500型錨索測力,量程為30 mm的機械式百分表,另外還有專用錨具、鋼套管、鋼墊板及磁性表架等。

1.2 試驗方案

在相同條件下進行不同錨固長度的GFRP抗浮錨桿足尺拉拔破壞性試驗,研究其承載性能和破壞機制。試驗錨桿總數為4根,錨固長度分別為1.3、0.55 m,試驗參數如表2所示。

為模擬巖石地基中錨桿的實際施工情況,待基體養護28 d后,采用潛孔鉆機成孔,成孔后的照片如圖2所示。鉆孔直徑均為110 mm,鉆孔過程中全程取芯。將GFRP抗浮錨桿綁扎對中支架后,人工送入鉆孔內,然后注入M30水泥砂漿,養護28 d或灌漿體的抗壓強度達到75%時對GFRP錨桿進行拉拔試驗。需要說明的是,為避免錨桿間距太小而影響試驗結果,在鉆孔過程中要確保錨桿具有一定的間距,GFRP錨桿的孔位布置見圖3。

GFRP錨桿屬于正交各向異性材料,抗拉強度高,但抗剪性能較差,夾片式錨具在這里不適用,試驗采用加載端粘貼鋼套管對GFRP錨桿?;?,粘結材料選用環氧樹脂與固化劑混合液。GFRP抗浮錨桿加載裝置中各部件的位置關系如圖4所示,裝置可直接測定GFRP抗浮錨桿與混凝土基體的相對滑移。

1.3 試驗過程

試驗為不同錨固長度巖石GFRP抗浮錨桿拉拔破壞性試驗,為了便于比較,同步開展2根不同錨固長度的抗浮錨桿拉拔試驗,先進行G2552d01和G2522d01,再進行G2552d02和G2522d02。試驗采用逐級加載法進行,4根GFRP抗浮錨桿按0→30→60→90→120→150→180 kN……進行加載,直至破壞。荷載的大小通過連接在錨索測力計的GSJ2A型讀數儀顯示。每級荷載施加完畢后,應立即讀取滑移量,之后每間隔5 min 讀取一次,相臨兩級荷載的加載時間至少要保證15 min,試驗裝置如圖5所示。GFRP抗浮錨桿的破壞標準按《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)[18]來判定。

2 試驗結果及分析

2.1 錨桿的破壞形態與特征分析

試驗條件下,GFRP抗浮錨桿最終破壞形態如表3和圖6所示。

由表3可知,4根錨桿均發生錨桿桿體被拔出、灌漿體開裂的現象。當荷載水平達到最大加載量的60%~70%時,錨桿發出輕微的破裂聲;隨著荷載水平的逐漸增加,灌漿體出現3~5 cm的裂縫且開裂范圍逐漸增大,錨桿的聲響也隨之增大,在距混凝土基體表面一定深度范圍,GFRP錨桿的螺紋肋被剪壞,該位置正好是剪應力峰值點??梢運德菸頻淖饔媒銜災?,在增加錨桿與灌漿體黏結力的同時也使得桿體表面在局部范圍內發生應力集中,桿體表面發生劣化,致使錨桿桿體被剪壞。試驗過程中,除錨桿桿體灌漿體界面黏結強度不足而造成的桿體拔出破壞外,沒有出現其他破壞形態,表明GFRP錨桿自身的強度并未完全發揮。

2.2 GFRP抗浮錨桿的極限抗拔力

荷載位移(Q s)曲線在宏觀上體現了荷載傳遞性狀及破壞模式,對Q s分析有助于對GFRP抗浮錨桿的荷載傳遞特性的總體把握。試驗中4根GFRP抗浮錨桿Q s曲線如圖7所示,最大加載量(極限荷載)和滑移量見表3。

從圖7可以看出,4根GFRP錨桿的Q s曲線變化規律一致,基本表現出緩變型的性狀,當荷載水平較小時,荷載與桿體位移基本呈線性增長,桿體滑移較小,且滑移量增長速率較慢。隨著荷載水平的增加,桿體位移逐漸增大,桿體的上拔速率也相應增大,Q s曲線逐漸過渡為非線性。隨著錨固長度的增加,GFRP錨桿承受荷載的能力逐漸增大,相應的滑移量也增加。根據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)確定,錨桿G2552d01、G2552d02、G2522d01、G2522d02的極限抗拔承載力分別為270、240、180、210 kN,可見GFRP抗浮錨桿的錨固長度增加1.36倍,其極限抗拔承載力平均提高307%。主要是由于在有效錨固長度范圍內,隨著錨固長度的增加,GFRP抗浮錨桿與灌漿體的接觸面積增大,二者的黏結力也將隨之提高,因此,GFRP抗浮錨桿的極限抗拔承載力增大。

2.3 錨桿桿體灌漿體界面平均黏結強度

GFRP錨桿與灌漿體的黏結強度是GFRP錨桿與灌漿體表面的摩擦力、膠著力及機械咬合力共同作用的結果,此處所述平均黏結強度實際上是廣義的,或稱之為廣義平均黏結強度更貼切。將破壞荷載或最大加載量與GFRP錨桿和混凝土接觸側面積的比值定義為二者的平均黏結強度,見式(1)[19]。

τG=Pu/πdl(1)

式中:τG為GFRP錨桿與灌漿體的平均黏結強度,MPa;Pu為GPFP錨桿的最大加載量,N;d為GFRP錨桿桿體直徑,mm;l為GFRP抗浮錨桿與灌漿體的有效錨固長度,mm。

在試驗條件下,通過式(1)求得4根GFRP抗浮錨桿與灌漿體的平均黏結強度見圖8。

圖8顯示,在試驗條件下,直徑25 mm、M30的水泥砂漿(灌漿體強度為35.6 MPa),GFRP錨桿G2552d01、G2552d02、G2522d01、G2522d02與灌漿體的平均黏結強度分別為2.73、2.41、4.79、5.10 MPa。錨桿直徑、灌漿體強度相同的情況下,隨著錨固長度的增加,錨桿桿體與混凝土底板的平均黏結強度逐漸減小,GFRP抗浮錨桿的錨固長度增加1.36倍,相應的平均黏結強度降低92.4%,說明錨固長度對GFRP錨桿與灌漿體之間黏結力發揮有較大影響,這與Zheng等[20]和Nemcik等[21]的研究結果一致,主要是由于GFRP抗浮錨桿的錨固長度越短,錨桿桿體與灌漿體黏結力就能更加充分發揮。

試驗得到的GFRP錨桿桿體與灌漿體的平均黏結強度與黃志懷等[22]研究結果相比提高約83.3%。主要是由于文獻[22]中水泥砂漿立方體試塊28 d齡期的抗壓強度均值為25.7 MPa,而本試驗中灌漿體28 d齡期的抗壓強度均值為35.6 MPa,灌漿體強度的大小對錨桿桿體灌漿體界面平均黏結強度有較大的影響,因此,本試驗得到的GFRP錨桿與水泥砂漿的黏結強度偏高。另外,比較《巖土錨固與噴射混凝土支護工程技術規范》(GB 50086-2015)[23]發現,在灌漿體強度基本一致的情況下,試驗中GFRP錨桿桿體與灌漿體的平均黏結強度遠高于規范[23]中螺紋鋼筋與灌漿體間黏結強度設計值的上限,可見,GFRP抗浮錨桿與灌漿體之間的平均黏結強度要比鋼錨桿與同強度灌漿體之間的平均黏結強度高,這一結論與白曉宇等[15]在風化巖地基中現場試驗得到的結果一致。這主要是由于GFRP材料的彈性模量低,并且其線膨脹系數與水泥基材料的線膨脹系數相近所致。

2.4 GFRP抗浮錨桿的破壞機制分析

試驗中4根GFRP抗浮錨桿均產生桿體拔出,灌漿體開裂的現象。實際上,GFRP錨桿與灌漿體的黏結力主要由桿體表面與灌漿體中水泥膠凝體的化學黏著力、桿體與灌漿體界面的摩擦力以及桿體表面凸起的螺紋與灌漿體的機械咬合力3部分組成。在GFRP抗浮錨桿受荷過程中,這3種力在不同的加載階段發揮各自的作用,但他們之間又不是獨立存在,而是相互作用,相互影響。對于光圓GFRP錨桿,在錨桿與灌漿體出現相對滑移之前,其黏結力主要由化學黏著力提供,產生相對滑移之后則取決于摩擦力和桿體表面的咬合力,只不過咬合力的作用效果較弱。而全螺紋GFRP抗浮錨桿與光圓GFRP錨桿相比,螺紋的存在改變了錨桿桿體與灌漿體的相互作用方式,使玻璃纖維絲的分布方向與作用力方向具有一定角度,改善了錨桿桿體灌漿體界面的黏結作用,提高了二者的黏結強度;固然化學黏著力和摩擦力存在,但其相互作用與機械咬合力相比較弱,錨桿桿體灌漿體界面的黏結強度主要由桿體表面的突肋與灌漿體之間的機械咬合力提供(見圖9)。

灌漿體的開裂或壓碎,會引起GFRP錨桿桿體與灌漿體的相對滑動,在某一特定荷載作用下,這意味著GFRP錨桿應具有一定的灌漿覆蓋厚度。當GFRP錨桿承受拉力時,根據靜力平衡條件,灌漿體內的黏結力與外荷載相等。隨著荷載水平不斷增加,主拉應力大于灌漿體的抗拉強度時,灌漿體內的裂縫就會由內向外逐漸開展,GFRP錨桿的螺紋深度和寬度越大,則灌漿體的開裂范圍越明顯。螺紋GFRP錨桿與灌漿體之間的相互作用機理見圖10。

GFRP錨桿出現拔出破壞,說明錨桿桿體的強度沒有充分發揮出來。加載初期,GFRP抗浮錨桿桿體與灌漿體之間剪應力小于二者的黏結強度,與玻璃纖維絲與樹脂之間的黏結強度相比更小,桿體與灌漿體之間剪應力主要由摩阻力和黏著力提供,因錨桿表面未經噴砂處理,摩阻力和黏著力的作用效果不顯著。隨著荷載水平的提高,黏著力和摩阻力發揮的作用逐漸降低,機械咬合力開始承擔主要作用。隨著GFRP錨桿桿體表面螺紋發生劣化,使機械咬合力在一定深度范圍(剪應力峰值點的位置)內逐步降低,其峰值向桿體深部轉移,最終機械咬合力失去作用,產生GFRP抗浮錨桿桿體與灌漿體脫黏或者桿體被拔出的現象。這種破壞可歸結為凸起的螺紋使得GFRP抗浮錨桿產生剪脹破壞[2425]。

與鋼錨桿的荷載傳遞特性類似,GFRP錨桿桿體灌漿體之間黏結應力的峰值隨荷載水平的提高逐漸向錨桿深部移動,桿體以漸近的方式發生滑動并使黏結應力重新分布,見圖11。由于加載端鋼套筒的約束作用強,對GFRP錨桿桿體提供足夠的界面壓力,加載端桿體處于三向受力狀態,而灌漿體的抗剪強度有限,所以,灌漿體與桿體會出現脫黏的現象。桿體與灌漿體的黏結應力低于鋼套筒與GFRP錨桿的黏結應力,在灌漿體的抗剪強度還未完全發揮時,剪脹效應所引起的拉應力就已經達到或者超過灌漿體的抗拉強度,所以,GFRP錨桿拔出的同時,在混凝土基體表面時常伴隨著灌漿體開裂的現象。

3 結論

1)GFRP抗浮錨桿發生拔出破壞,主要是由于凸起的螺紋表面劣化所引起的剪脹破壞。

2)直徑25 mm,灌漿體強度M30,錨固長度13、0.55 m的GFRP抗浮錨桿,極限抗拔承載力較高,分別為255、195 kN,滿足工程抗浮要求。其他條件不變,錨固長度由22d提高到52d,GFRP抗浮錨桿的極限抗拔承載力平均提高約30.7%。

3)試驗條件下,GFRP抗浮錨桿桿體與灌漿體界面平均黏結強度介于2.41~5.10 MPa之間,高于《巖土錨固與噴射混凝土支護工程技術規范》(GB 50086-2015)中鋼錨桿與灌漿體(灌漿體強度為M30)的黏結強度推薦值。

4)基于試驗結果,從細觀角度揭示了GFRP抗浮錨桿的破壞機制。

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(編輯 胡英奎)

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