公路巖質(zhì)邊坡BFRP錨桿(索)支護(hù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

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(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司， 廣東 廣州 510000; 2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

公路巖質(zhì)邊坡BFRP錨桿(索)支護(hù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

王安福1，趙文2，李勇1，高先建2，張黎明1

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司， 廣東 廣州 510000; 2.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

通過BFRP筋材與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，基于現(xiàn)行公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范，提出BFRP錨桿(索)支護(hù)設(shè)計(jì)方法及參數(shù)建議值。通過實(shí)際工程應(yīng)用中BFRP錨桿(索)受力特征長期監(jiān)測，并與傳統(tǒng)鋼筋錨桿和鋼絞線錨索受力進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證BFRP錨桿(索)在公路巖質(zhì)邊坡支護(hù)中的可行性。研究結(jié)果表明，砂漿與BFRP錨桿間粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可取4.0 MPa，BFRP筋材極限抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可取700 MPa。BFRP錨桿(索)受力特征與傳統(tǒng)錨桿(索)類似，按等強(qiáng)度原則設(shè)計(jì)采用BFRP筋材錨桿(索)代替?zhèn)鹘y(tǒng)錨桿(索)加固公路巖質(zhì)邊坡是可行的，且經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。

巖質(zhì)邊坡； BFRP錨桿； 支護(hù)設(shè)計(jì)； 試驗(yàn)研究

0 引言

錨桿(索)加固在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，傳統(tǒng)鋼筋錨桿或鋼絞線錨索容易銹蝕，導(dǎo)致錨固系統(tǒng)失效。玄武巖纖維復(fù)合筋(Basalt Fiber Reinforced Polymer簡稱 BFRP)具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、抗疲勞、與注漿體粘結(jié)性能較好等優(yōu)點(diǎn)[1]。利用BFRP筋材替代鋼筋作為桿體材料，能很好地解決巖土錨固工程的錨桿桿體材料的腐蝕問題，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性提供一定的保障。BFRP筋材在巖土工程中已有初步應(yīng)用，如郭成鵬等研究表明BFRP 筋作為錨桿在工藝上可行，在性能上能滿足相關(guān)要求，適宜應(yīng)用于巖土錨固工程[2]。

目前BFRP筋材研究的較多的是其物理力學(xué)性能，以及應(yīng)用于巖土工程的可行性等[3,4]。關(guān)于BFRP筋材在邊坡工程中實(shí)際應(yīng)用的研究較少。本文根據(jù)BFRP筋材與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，提出BFRP筋材錨桿(索)支護(hù)公路巖質(zhì)邊坡的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)?；凇豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30 — 2004)[5]，采用等強(qiáng)度替代的原則，提出BFRP錨桿的設(shè)計(jì)方法，通過現(xiàn)場對(duì)比試驗(yàn)評(píng)價(jià)BFRP筋材錨桿(索)應(yīng)用效果，驗(yàn)證BFRP錨桿(索)支護(hù)應(yīng)用的可行性。

1 BFRP筋材與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度

采用中心拉拔試驗(yàn)方法，標(biāo)準(zhǔn)粘結(jié)試件參考《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50152 — 92)中的設(shè)計(jì)規(guī)定。拔出試件尺寸采用邊長為10倍筋材直徑的砂漿立方體試件。為避免加載端應(yīng)力集中，采用將粘結(jié)區(qū)設(shè)置在試件低端，在加載端設(shè)置未粘結(jié)段，用塑料套管將BFRP筋與砂漿隔離，模擬粘結(jié)長度通過調(diào)整塑料套管長度來實(shí)現(xiàn)[6,7]。試驗(yàn)用砂漿等級(jí)為M20、M30，采用的BFRP筋的直徑為φ8 mm、φ10 mm、φ12 mm，各制作4根試件。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，砂漿與BFRP筋材的粘結(jié)強(qiáng)度約4.77～ 6.39 MPa。

表1 BFRP與水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度筋材型號(hào)/mm砂漿類型粘結(jié)強(qiáng)度/MPa試樣1試樣2試樣3試樣4平均值8M20541523491458503M3059361261356859710M20486588423423480M3050148748143747712M20626417515512518M30623613675644639

2 BFRP錨桿(索)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方法

BFRP錨桿(索)與普通錨桿(索)的主要區(qū)別在于材料抗拉強(qiáng)度、與水泥基類粘結(jié)強(qiáng)度等不一樣，這些關(guān)鍵參數(shù)影響錨固段長度的確定。設(shè)計(jì)方法參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30 — 2004)進(jìn)行[5]，BFRP錨桿設(shè)計(jì)取以下公式計(jì)算的大值作為錨固段長度。

地層與注漿體間粘結(jié)長度L應(yīng)按下式計(jì)算：

(1)

式中：K為安全系數(shù)，可采用2.5；Nt為錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值,kN；d為錨孔直徑,m；frb為地層與注漿體間粘結(jié)強(qiáng)度,kPa。

注漿體與錨桿體間粘結(jié)長度應(yīng)滿足下式：

(2)

式中：n為錨桿體根數(shù)；ds為錨桿體直徑；β為考慮成束筋材系數(shù)，單根β=1.0，2根一束β=0.85，3根一束β=0.7；fb為注漿體與錨桿體間粘結(jié)強(qiáng)度，kPa；其它參數(shù)同前。

BFRP錨索設(shè)計(jì)計(jì)算每孔BFRP筋材根數(shù)n公式如下：

(3)

式中：K為安全系數(shù)；Pu為錨索抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,kPa。

地層與注漿體間粘結(jié)長度Lr按下式計(jì)算：

(4)

式中：ξ為錨固體與地層粘結(jié)工作系數(shù)，對(duì)永久錨桿取1.00，對(duì)臨時(shí)性錨桿取1.33。

注漿體與錨桿體間粘結(jié)長度Lr按下式計(jì)算：

(5)

式中:η為錨索張拉筋材與砂漿粘結(jié)工作系數(shù)，對(duì)永久性錨桿取0.60，對(duì)臨時(shí)性錨桿取0.72；dg為錨索材料直徑,m。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)取值

BFRP筋材在酸堿溶液的長期浸泡下強(qiáng)度基本無損[8,9]，是耐腐蝕材料，且發(fā)生脆性破壞，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中，材料破壞前呈直線。參照沒有屈服平臺(tái)的鋼絲或鋼絞線，BFRP筋材的可靠強(qiáng)度可近似取為其極限抗拉強(qiáng)度的80%[6]，BFRP筋材抗拉強(qiáng)度見文獻(xiàn)[4]，可靠強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 BFRP筋材可靠強(qiáng)度和極限荷載直徑?/mm極限抗拉強(qiáng)度/MPa可靠強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk/MPa極限張拉荷載Pu/kN612921030338111989056101067850851289171010014917730141

對(duì)于工程常用錨桿，其直徑一般大于10 mm?？山y(tǒng)一取BFRP筋材的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為700 MPa。由于BFRP桿體材料受荷達(dá)到抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值后，還有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備才會(huì)發(fā)生破壞。故可取BFRP錨桿桿體抗拉安全系數(shù)Kt≥1.6(永久錨桿)和Kt≥1.4(臨時(shí)錨桿)。

根據(jù)BFRP筋材與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，BFRP與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度為4.17～6.75 MPa，設(shè)計(jì)時(shí)取BFRP與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為4.0 MPa。

3 BFRP錨桿(索)工程應(yīng)用

3.1 工程概況

選擇汕揭高速公路K186+895～K187+060段邊坡進(jìn)行BFRP錨桿(索)支護(hù)應(yīng)用試驗(yàn)。該工點(diǎn)為開挖路塹邊坡，高約46 m，分5級(jí)開挖。設(shè)計(jì)第1、4級(jí)邊坡采用錨桿支護(hù)，第2、3級(jí)邊坡采用錨索支護(hù)，第5級(jí)邊坡采用人形骨架植草防護(hù)。試驗(yàn)邊坡從上到下依次為粉質(zhì)粘土(6 m)、全風(fēng)化粉砂巖(10 m)以及強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，巖層傾向于邊坡傾向相同；巖土體參數(shù)如表3。該邊坡部分采用BFRP錨桿(索)支護(hù)設(shè)計(jì)，并通過布置應(yīng)力監(jiān)測元件監(jiān)測錨固筋材受力，并與普通錨桿和錨索進(jìn)行對(duì)比，分析BFRP邊坡錨固效果。

表3 巖土參數(shù)建議值巖土層重度γ/(kN·m-3)粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)邊坡坡率粉質(zhì)黏土1922161∶125全風(fēng)化粉砂巖2023211∶1．0 強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖2126281∶10巖層層面1926

3.2 BFRP錨桿(索)支護(hù)設(shè)計(jì)

工點(diǎn)邊坡為順層邊坡，將通過坡腳的層面作為潛在滑動(dòng)面來進(jìn)行錨桿(索)的設(shè)計(jì)計(jì)算。利用理正軟件計(jì)算得邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.130。按安全系數(shù)1.30求得邊坡穩(wěn)定需求錨固力為1000 kN/m。參考《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30 — 2004)取錨桿、索的水平間距為3 m、沿坡面間距為3 m，錨桿、索與水平線的夾角為15°。錨桿錨固體直徑為100 mm，錨索錨固體直徑為150 mm，注漿體為M30砂漿。每延米邊坡所需要的錨固力為1000 kN，則每3 m邊坡所需要的錨固力為3000 kN。第2、3級(jí)邊坡的3排錨索主要用于防止邊坡整體滑動(dòng)，第1級(jí)邊坡和第4級(jí)的3排錨桿主要用于防止邊坡的局部破壞。將邊坡需要的錨固力分配到錨桿錨索中，得到各排錨桿(索)的設(shè)計(jì)錨固力如表4。

表4 錨桿(索)錨固力設(shè)計(jì)值邊坡級(jí)數(shù)每級(jí)邊坡的提供錨固力設(shè)計(jì)值/kN單根錨桿、索錨固力設(shè)計(jì)值Nt/kN1級(jí)240802級(jí)15005003級(jí)15005004級(jí)24080

設(shè)計(jì)采用的BFRP錨索采用直徑為φ14 mm的筋材，其極限張拉荷載Pu為140 kN，取安全系數(shù)Kt為1.6。按照式(3)計(jì)算每孔BFRP筋材根數(shù)n=6。單根錨桿錨固力設(shè)計(jì)值為80 kN，抗拉安全系數(shù)Kt為1.6，采用單根φ14 mm BFRP筋材作為錨桿。

根據(jù)規(guī)范，錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù)K為2.5；注漿體與砂巖的粘結(jié)應(yīng)力frb取0.5 MPa；BFRP筋材與M30砂漿粘結(jié)強(qiáng)度fb取4 MPa。取式(1)、式(2)計(jì)算的大值作為錨桿的錨固段長度L，得到錨固段長度為1.27 m，又因?yàn)橐?guī)范中錨固段長度不宜小于2 m，也不宜大于10 m，綜合取錨桿錨固段長度為3 m。

錨索錨固體的抗拔安全系數(shù)K為2.0，通過式(4)、式(5)計(jì)算得到錨索的錨固段長度La并取大值，得到錨固段長度為4.24 m，規(guī)范規(guī)定錨固段長度不應(yīng)小于3 m，也不宜大于10 m，故取錨固段長度為5 m。

由邊坡的潛在滑面產(chǎn)狀、深度和錨索設(shè)計(jì)位置，確定錨索的自由段長度為13 m；取錨桿的錨頭段長度取2 m，便于張拉，故錨索的設(shè)計(jì)長度為20 m。錨桿的自由段長度為6 m，錨桿的錨頭段長度取1 m。故錨桿的設(shè)計(jì)長度為10 m。邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)剖面圖

3.3 BFRP錨桿(索)受力監(jiān)測

現(xiàn)場支護(hù)試驗(yàn)邊坡進(jìn)行3個(gè)斷面的BFRP筋材錨桿和2個(gè)斷面的鋼筋錨桿受力監(jiān)測。每個(gè)斷面設(shè)置2個(gè)鋼筋計(jì)(圖2、圖3)，每根錨桿上，第1個(gè)鋼筋計(jì)距離坡面3 m，第2個(gè)鋼筋計(jì)距離坡面6 m。此外，共監(jiān)測3根錨索受力，其中2根BFRP錨索，1根鋼絞線錨索。

圖2 錨桿(索)監(jiān)測布置圖

圖3 BFRP筋材受力監(jiān)測剖面圖

BFRP錨桿受力隨時(shí)間變化如圖4所示。BFRP筋材錨桿自施工完成后，受力有一定的上升，隨后數(shù)月期間，錨桿拉力略有上升，但變化不大，僅編號(hào)401322的鋼筋計(jì)受力隨時(shí)間增加較多，該元件位于第2排錨桿距端頭3 m處。至整個(gè)邊坡施工期結(jié)束，錨桿拉力基本穩(wěn)定，整體受力較小，最大約7.0 kN，遠(yuǎn)未達(dá)到錨桿的設(shè)計(jì)極限抗拔力(80 kN)，也未達(dá)到φ14 mm BFRP筋材的極限抗拉強(qiáng)度140 kN。

圖4 BFRP錨桿受力監(jiān)測結(jié)果

普通鋼筋錨桿受力如圖5所示，普通鋼筋錨桿受力同樣不大，最大約3.6 kN，與BFRP筋材錨桿受力相當(dāng)，均遠(yuǎn)低于錨桿的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。目前該邊坡整體穩(wěn)定，邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)受力很小是正常的。

圖5 鋼筋錨桿受力監(jiān)測結(jié)果

BFRP筋材錨索與鋼絞線錨索受力對(duì)比如圖6所示，BFRP筋材錨索和鋼絞線錨索相比，在張拉完成后初期階段，BFRP筋材錨索和鋼絞線錨索均有預(yù)張力損失。后期應(yīng)力變化與鋼絞線錨索應(yīng)力變化相似。目前BFRP筋材錨索和鋼絞線錨索受力均達(dá)到穩(wěn)定。BFRP筋材錨索預(yù)張力保持率約90%，鋼絞線錨索張拉力保持率約83%，BFRP筋材預(yù)張力保持率略優(yōu)于鋼絞線錨索。

圖6 BFRP錨索與鋼絞線錨索受力監(jiān)測結(jié)果

通過錨桿和錨索的試驗(yàn)對(duì)比，表明BFRP筋材錨桿、錨索與普通鋼筋錨桿、鋼絞線錨索的受力機(jī)制類似，相同試驗(yàn)條件下，受力特征相當(dāng)。

3.4 BFRP錨桿經(jīng)濟(jì)性比較

本試驗(yàn)工程采用φ14 mm BFRP筋材代替φ25mm普通鋼筋，φ14 mm BFRP筋材當(dāng)前市場價(jià)約4萬元/t，折合φ14 mm BFRP(0.322 kg/m)錨桿價(jià)格約12.8元/m。普通鋼筋市場價(jià)約4 000元/t，折合φ25 mm普通鋼筋(3.85 kg/m)錨桿價(jià)格約15.4元/m。采用BFRP筋材代替鋼筋可以節(jié)省材料價(jià)格約17%。此外，BFRP筋材質(zhì)量輕，運(yùn)輸方便，且不存在銹蝕的問題，潛在經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯。

4 結(jié)論

論文通過試驗(yàn)研究了BFRP錨桿(索)公路巖質(zhì)邊坡錨固應(yīng)用的可行性，得到如下結(jié)論。

1) BFRP錨桿(索)設(shè)計(jì)可參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30 — 2004)。其抗拉安全系數(shù)不小于1.6(永久錨桿)和1.4(臨時(shí)錨桿)，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取700 MPa，與砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度取4.0 MPa。

2) 現(xiàn)場普通鋼筋錨桿與BFRP錨桿受力監(jiān)測結(jié)果表明，BFRP錨桿和普通鋼筋錨桿受力特征相似，監(jiān)測期錨桿受力未達(dá)到設(shè)計(jì)值，邊坡穩(wěn)定。

3) BFRP筋材錨索預(yù)加力在鎖定后會(huì)產(chǎn)生突降，應(yīng)力下降比鋼絞線錨索稍小，其后錨索受力和傳統(tǒng)鋼絞線錨索受力規(guī)律基本一致。

4) BFRP筋材作為錨桿或錨索加固邊坡是可行的，且經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，可按等強(qiáng)度原則代替?zhèn)鹘y(tǒng)錨桿(索)進(jìn)行邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)。

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1008-844X(2017)03-0010-04

U 418.5+2

A

2017-02-06

廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(科技-2013-02-012)

王安福(1964-)，男，高級(jí)工程師，主要從事公路工程建設(shè)與管理研究。