巖石GFRP抗浮錨桿承載性能室內(nèi)試驗與機理分析

白曉宇，張明義，王永洪，閆楠

(1.青島理工大學 a. 土木工程學院；b. 藍色經(jīng)濟區(qū)工程建設與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島，266033；2.青島大學 環(huán)境科學與工程學院，山東 青島，266071)

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(yōu)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(qū)域，服役環(huán)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(qū)尤為嚴重；特別是城市軌道交通運營過程中產(chǎn)生的雜散電流會使鋼筋錨桿產(chǎn)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[1-4]。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(zhì)量輕、抗電磁干擾性能好等優(yōu)點[5-6]。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[7-9]。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(shù)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(guī)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(tài)。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(xiàn)場測試了GFRP土釘?shù)膽兎植家?guī)律。Li等[14]借助分布式光纖傳感技術測試了B-GFRP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。

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(jīng)檢測，玻璃纖維和環(huán)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(guī)力學指標見表1。

表1 GFRP錨桿力學指標Table 1 Mechanical parameters of GFRP anchor

圖1 混凝土基體制作Fig.1 Photo of making concrete

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。基體的制作如圖1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(yǎng)護，28 d后測得立方體試件抗壓強度均值為28.9 MPa?？赡苡捎诙練鉁剌^低，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(chǎn)的42.5#普通硅酸鹽水泥，砂選用無雜質(zhì)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(zhì)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(yǎng)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φ80 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、MGH-500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(shù)為4根，錨固長度分別為1.3、0.55 m，試驗參數(shù)如表2所示。

表2 錨桿試驗參數(shù)Table 2 Test parameters of anchor rod

注：表中d為錨桿直徑。

為模擬巖石地基中錨桿的實際施工情況，待基體養(yǎng)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(nèi)，然后注入M30水泥砂漿，養(yǎng)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。

圖2 現(xiàn)場成孔

圖3 錨桿孔布置示意圖(單位：mm)Fig.3 Diagram of drilling location of

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錨桿保護，粘結材料選用環(huán)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。

圖4 GFRP錨桿加載裝置Fig.4 Loading device schematic diagram of GFRP

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G25-52d-01和G25-22d-01，再進行G25-52d-02和G25-22d-02。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GSJ-2A型讀數(shù)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(guī)程》(JGJ 120—2012)[18]來判定。

圖5 試驗裝置

2 試驗結果及分析

2.1 錨桿的破壞形態(tài)與特征分析

試驗條件下，GFRP抗浮錨桿最終破壞形態(tài)如表3和圖6所示。

表3 GFRP抗浮錨桿破壞形態(tài)Table 3 Failure modes of GFRP anti-floating anchor

圖6 GFRP錨桿破壞形式Fig.6 Damage mode of GFRP anchor

2.2 GFRP抗浮錨桿的極限抗拔力

圖7 GFRP錨桿的Q -s曲線Fig.7 Q -s curves of GFRP anchor

從圖7可以看出，4根GFRP錨桿的Q-s曲線變化規(guī)律一致，基本表現(xiàn)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(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ 120—2012)確定,錨桿G25-52d-01、G25-52d-02、G25-22d-01、G25-22d-02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30.7%。主要是由于在有效錨固長度范圍內(nèi)，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 錨桿與灌漿體的平均黏結強度Fig.8 Average bond strength of anchor and grouting

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G25-52d-01、G25-52d-02、G25-22d-01、G25-22d-02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(fā)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(fā)揮。

2.4 GFRP抗浮錨桿的破壞機制分析

圖9 螺紋GFRP錨桿與灌漿體之間的相互作用Fig.9 Interaction between thread and grouting body of GFRP

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(jù)靜力平衡條件，灌漿體內(nèi)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(nèi)的裂縫就會由內(nèi)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。

圖10 螺紋GFRP抗浮錨桿周圍灌漿體開裂Fig.10 Fracture of grouting body surround thread

GFRP錨桿出現(xiàn)拔出破壞，說明錨桿桿體的強度沒有充分發(fā)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(jīng)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(fā)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(fā)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(nèi)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(chǎn)生GFRP抗浮錨桿桿體與灌漿體脫黏或者桿體被拔出的現(xiàn)象。這種破壞可歸結為凸起的螺紋使得GFRP抗浮錨桿產(chǎn)生剪脹破壞[24-25]。

圖11 加載過程中黏結應力隨GFRP錨桿深度的變化規(guī)律Fig.11 Change law of bond strength along with GFRP anchorage depth under

3 結論

1)GFRP抗浮錨桿發(fā)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1.3、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(guī)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。