河堤邊坡CFRP錨桿基本試驗(yàn)*

黃柳云 鄧?yán)誓?張 鵬

錨桿是巖土體邊坡加固工程常用的一種方法,錨桿材料多選用精軋螺紋鋼等鋼材。在實(shí)踐中工程人員逐步發(fā)現(xiàn),雖然在錨桿工程中采用了在注漿液中摻入膨脹劑、錨桿支架等防腐技術(shù)措施,但由于邊坡工程地質(zhì)條件復(fù)雜,地下水豐富且地下水中常含有氯離子等對(duì)金屬具有較強(qiáng)腐蝕性的物質(zhì),最終導(dǎo)致鋼材遭受腐蝕而引起錨桿破壞失效。CFRP材料抗腐蝕性好、耐久性好、抗拉強(qiáng)度高、自重輕。目前在國(guó)內(nèi),CFRP多以布材、筋材的形式應(yīng)用于房屋橋梁結(jié)構(gòu)加固,尚未進(jìn)入巖土工程領(lǐng)域。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用三根自行研發(fā)的三絲CFRP壓力型預(yù)應(yīng)力錨桿[1],于柳州市濱江西路延長(zhǎng)線河堤邊坡處進(jìn)行。通過(guò)本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),以期做到如下幾個(gè)目的:

1)檢驗(yàn)CFRP錨桿組成部分的綜合性能;2)檢驗(yàn)CFRP錨桿的施工工藝;3)確定CFRP錨桿的抗拉拔的承載能力。

2 試驗(yàn)方案及過(guò)程

1)CFRP錨桿的制作。錨桿的內(nèi)外錨頭部分均采用內(nèi)錐充填環(huán)氧樹(shù)脂砂漿擠壓三絲CFRP筋,單絲CFRP筋的直徑為7 mm,抗拉極限強(qiáng)度為1900MPa,軸向彈性模量為147 GPa,泊松比為0.27。CFRP錨桿全長(zhǎng)為4.20m,自由段長(zhǎng)度為 3.50m,示意圖見(jiàn)圖1。

2)錨桿試驗(yàn)孔的布置及設(shè)計(jì)參數(shù)。本次試驗(yàn)選點(diǎn)于柳州市濱江西路岸坡錨桿加固實(shí)際工程,三個(gè)試驗(yàn)孔布置在錨桿工程部位,同時(shí)避開(kāi)了工程孔位,試驗(yàn)孔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)孔設(shè)計(jì)參數(shù)

3)試驗(yàn)設(shè)備。試驗(yàn)設(shè)備包括:YC60型千斤頂、加工配套的張拉螺母與張拉桿、油壓表、油泵、連接高壓油管、位移百分表、直尺及游標(biāo)卡尺、電葫蘆等。張拉前按標(biāo)定曲線計(jì)算出與張拉加荷荷載對(duì)應(yīng)的油表讀數(shù)。

4)試驗(yàn)孔的鉆鑿。鉆機(jī)采用QZJ-100型潛孔鉆機(jī),風(fēng)動(dòng)干鉆成孔,鉆進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)禁沖水。鉆孔速度嚴(yán)格控制,采用勻速鉆進(jìn),以防鉆孔彎曲和變形,造成下錨困難。由于承載板直徑為125 mm,為防止承載板刮到孔壁帶入碎土,導(dǎo)致下錨困難,達(dá)不到設(shè)計(jì)深度,要求鉆進(jìn)深度要比設(shè)計(jì)深度多0.5m。

5)設(shè)錨。用人力將錨桿抬起平順推送至鉆好的錨孔中,嚴(yán)禁抖動(dòng),扭轉(zhuǎn)和串動(dòng)。若遇坍孔錨桿未下至設(shè)計(jì)深度時(shí),必須將其拔出,重新用鉆機(jī)清孔,然后下錨,直到滿足要求為止。

6)注漿。漿體采用425號(hào)普通硅酸鹽水泥,漿體強(qiáng)度須大于40MPa,水灰比為0.40,外加0.4%的高強(qiáng)減水劑,用高速攪拌機(jī)制漿,集中供漿。在灌漿前應(yīng)清孔,除凈殘?jiān)臀鬯?。將錨桿(包括注漿管)平順緩慢推送至孔底,注漿管的插入深度以管頭距孔底50mm～100mm為宜。漿體應(yīng)攪拌均勻,隨攪隨用,漿液應(yīng)在初凝前用完,并嚴(yán)防石塊、雜物混入漿液。

7)反力裝置。由于濱江西路岸坡錨桿加固工程采用的是鋼錨桿外掛鋼筋網(wǎng)噴壁,故本次試驗(yàn)灌完漿后,不做混凝土承載墩,結(jié)合實(shí)際工程的掛網(wǎng)噴壁達(dá)到強(qiáng)度后,制作鋼墊板代替混凝土承載墩。鋼墊板尺寸為600mm×300mm×20mm。

8)拉拔試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采用分級(jí)循環(huán)加、卸荷載法張拉(見(jiàn)圖2),循環(huán)加卸荷等級(jí)與位移觀測(cè)間隔時(shí)間見(jiàn)表2。觀測(cè)時(shí)用百分表量測(cè)鋼墊板的位移,游標(biāo)卡尺量測(cè)千斤頂?shù)挠透咨扉L(zhǎng),兩者之差為錨桿的位移。通過(guò)實(shí)驗(yàn)繪制錨桿在各級(jí)循環(huán)加、卸載條件下的荷載—位移曲線,觀察錨桿的彈性位移和塑性位移的發(fā)展趨勢(shì),并對(duì)錨桿的錨固性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2 錨索試驗(yàn)加荷等級(jí)與觀測(cè)時(shí)間

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)錨桿張拉成果

試驗(yàn)錨桿張拉成果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)錨桿張拉成果

3.2 試驗(yàn)結(jié)果曲線

荷載—位移(P—s)曲線、荷載—彈性位移(P—se)及荷載—塑性位移(P—sp)曲線,以1號(hào)試孔錨索為例,見(jiàn)圖 3,圖4。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)1號(hào)錨桿張拉操作時(shí),在加荷到135 kN時(shí),出現(xiàn)噼啪的異常響聲,由于壓力表能夠繼續(xù)持荷,繼續(xù)加載,在149 kN時(shí)出現(xiàn)突然崩裂的聲音,錨桿由于其CFRP筋的折斷出現(xiàn)破壞,2號(hào)、3號(hào)錨桿極限破壞荷載分別為171 kN,180kN,破壞形式均為CFRP筋斷裂,分析破壞原因均由于三絲筋材下料長(zhǎng)度有細(xì)微偏差,從而導(dǎo)致長(zhǎng)短不一,意味著受力不均,導(dǎo)致部分筋先破壞,引起錨桿失效破壞。2)從 P—s曲線、P—se及P—sp曲線可以看出,1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)試驗(yàn)錨桿的彈性位移和塑性位移正常,曲線圓滑平順。3)試孔1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)土層均為中密粉土,孔徑130mm,錨固段長(zhǎng)度3.5m,現(xiàn)地層提供的總抗拔力在149 kN以上,則根據(jù)公式 T=π?D?L?qs,實(shí)際地層摩阻力 qs≥T試驗(yàn)/(π?D?L)=149/(3.14×0.13×3.5)=104 kPa,由此可知,試驗(yàn)得出的中密粉土摩阻力 qs值為104 kPa,介于CECS 22∶90土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[2]中列出的中密粉土推薦值100kPa～150kPa。

4 結(jié)論與建議

1)CFRP筋錨桿的極限承載力受多方面因素影響,對(duì)多絲CFRP筋來(lái)說(shuō),各筋均布受力是決定該錨桿能否發(fā)揮應(yīng)有強(qiáng)度的關(guān)鍵。本文試驗(yàn)三組錨桿的極限抗拔荷載平均值為拉桿極限抗拉強(qiáng)度的76%,最大值為82%。2)CFRP筋錨桿作為一種新型的錨桿,其在施工過(guò)程中的組織、工藝、質(zhì)量管理是否到位,是否符合設(shè)計(jì)要求是工程成敗的關(guān)鍵。由于CFRP筋抗拉強(qiáng)度較高,抗剪強(qiáng)度較低,因而在施工過(guò)程中要注意CFRP筋張拉時(shí),錨墊板一定要平整,且要調(diào)整到與CFRP筋的軸線方向垂直,錨具安裝與墊板及千斤頂密貼對(duì)中,千斤頂軸線與CFRP筋軸線合一,才能確保CFRP筋張拉順利,避免發(fā)生折斷。

[1]張 鵬,張勝利,黃柳云,等.壓力型CFRP筋錨桿粘結(jié)性能試驗(yàn)研究[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā),2010(4):8-10.

[2]CECS 22∶90,土層錨桿設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].