砂漿中聚丙烯纖維摻量對預(yù)應(yīng)力錨桿錨固性能影響研究

任青陽 張 勇 許 虎 陳 斌

(1. 重慶交通大學(xué) 山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點實驗室， 重慶 400064； 2. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400064； 3. 重慶飛洋控股有限公司， 重慶 404600)

在工程實踐中，傳統(tǒng)的水泥砂漿抗拉強(qiáng)度低、抗斷裂性差，將其作為灌漿材料，會導(dǎo)致在常規(guī)工作荷載作用下，內(nèi)錨固段部分灌漿材料由于錨桿的應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，使得錨桿與周圍巖體中的大氣和地下水接觸，發(fā)生銹蝕，嚴(yán)重影響預(yù)應(yīng)力錨桿在長期荷載作用下的錨固性能[1-3]．為了克服這些問題，一方面對預(yù)應(yīng)力錨桿的構(gòu)造進(jìn)行改造，緩解錨固段的應(yīng)力集中現(xiàn)象．黃明華，周智，歐進(jìn)萍[4]從錨桿荷載位移關(guān)系的指數(shù)曲線模型出發(fā)，建立了錨桿錨固段的雙指數(shù)曲線剪切滑移模型及其拉拔荷載傳遞解答，分析了拉拔全歷程中錨桿錨固段的荷載傳遞與荷載位移曲線特征；李慈航，吳紅剛，王寶成[5]通過采用不同錨固參數(shù)進(jìn)行拉力型錨桿的拉拔試驗，得到了錨固系統(tǒng)在不同圍巖條件下沿錨桿軸向和徑向的應(yīng)力傳遞規(guī)律和第二界面剪應(yīng)力傳遞規(guī)律，結(jié)果表明合理的錨固長度可以提高錨固系統(tǒng)的承載能力．另一方面是在砂漿中加入纖維材料來改善受力性能．劉潤，閆澍旺，羅強(qiáng)[6]等通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)模型試驗，證明了纖維的摻入可以提高錨固段與圍巖的粘結(jié)力，表明該纖維砂漿能夠改善錨固段的受力變形特征，增強(qiáng)砂漿的抗裂性，提高錨桿的錨固能力；王來貴，陳強(qiáng)，潘紀(jì)偉，等[7]等研究了聚丙烯纖維摻入量對不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥砂漿試件變形破壞規(guī)律的影響，提出了含聚丙烯纖維水泥砂漿的微觀膠結(jié)接觸模型，模型的力學(xué)關(guān)系較好地解釋了聚丙烯纖維試件峰后塑性提高的特征．

以上研究均未量化分析不同聚丙烯纖維摻量下，灌漿材料對錨桿錨固性能的影響．本試驗將不同摻量的聚丙烯纖維砂漿作為灌漿材料進(jìn)行室內(nèi)模型試驗，分析張拉后的錨桿軸力及兩種界面(錨桿與注漿體、注漿體與圍巖)的剪應(yīng)力分布規(guī)律，總結(jié)灌漿材料的聚丙烯纖維最佳摻量，并分析聚丙烯纖維砂漿改善預(yù)應(yīng)力錨桿錨固性能機(jī)理．

1 室內(nèi)物理模型試驗

據(jù)相似理論并結(jié)合模型的制作條件等方面，確定原型與模型的尺寸相似常數(shù)Cl為10．

6組試驗的物理模型尺寸(長×寬×高)均為80 cm×20 cm×20 cm．其中錨孔直徑為3 cm，錨桿直徑為0.8 cm，其錨固段長度占模型總長度的37.5%，長度為30 cm，自由段占50%，長度為40 cm，試驗?zāi)Ｐ途唧w細(xì)部尺寸如圖1所示．

圖1 試驗?zāi)Ｐ秃唸D

1.1 試驗材料

本實驗為室內(nèi)物理模型試驗，采用的原材料均按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，材料參數(shù)在進(jìn)行試驗之前，通過計算獲得．

1.1.1 普通水泥砂漿

試驗所用水泥為普通硅酸鹽水泥．水∶水泥∶砂配合比為0.4∶1∶0.5．此外,試驗中選擇在漿液中加入1.2%的減水劑和8%的膨脹劑(外加劑摻量為水泥用量的百分比)來保證砂漿的強(qiáng)度和密實程度．

1.1.2 聚丙烯纖維砂漿

在水泥砂漿的基礎(chǔ)上添加一定含量的聚丙烯纖維，聚丙烯纖維砂漿的橫截面為束狀單絲．聚丙烯纖維的相關(guān)要求均參照《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》(GB/T 21120—2007)．參數(shù)見表1．

表1 聚丙烯纖維參數(shù)表

根據(jù)實際工程，擬定以下6種體積摻量的試驗組，其中第Ⅰ組為空白對照組，其余5組為試驗組，聚丙烯纖維采用表1統(tǒng)一型號，聚丙烯纖維摻量見表2．

表2 聚丙烯纖維摻量表

1.1.3 石膏砂漿

采取在水泥砂漿中摻入一定量石膏的復(fù)合材料來模擬巖體，配合比為水泥∶砂子∶石膏∶水=0.4∶5∶0.6∶0.1，其性能滿足相似條件，所用石膏符合《建筑石膏國家標(biāo)準(zhǔn)》(GB 9776—88)，砂的細(xì)度模數(shù)為1.8，含泥量小于1%，試驗中模擬巖體參數(shù)見表3．

表3 模擬巖體參數(shù)表

1.1.4 錨桿模擬

錨桿采用直徑為8 mm的HRB400鋼筋模擬，其參數(shù)見表4．

表4 錨桿材料技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗過程

1.2.1 測試元件的布置

試驗測量內(nèi)容主要有：鋼筋表面的軸力、錨固段內(nèi)外側(cè)各區(qū)段剪應(yīng)力、錨桿測力計測得的錨桿張拉應(yīng)力和錨桿錨頭處位移．張貼位置以與自由端距離計算，單位為毫米，詳細(xì)布置情況見表5．

表5 應(yīng)變片張貼位置表

張拉完成后記錄錨桿測力計、注漿體錨固段應(yīng)變片、鋼筋表面應(yīng)變片的變化情況并保持跟蹤測量．

1.2.2 模型制作

鋼筋表面相應(yīng)位置布置應(yīng)變片，6組試驗?zāi)Ｐ蜐仓瓿珊?，自然養(yǎng)護(hù)至一定強(qiáng)度后進(jìn)行脫模，圖2為注漿體澆筑脫?，F(xiàn)場圖．

圖2 澆筑脫模照片

注漿體表面應(yīng)變片粘貼完成后，將注漿體按要求固定在80 cm×20 cm×20 cm的模板中部位置，將應(yīng)變片導(dǎo)線引出之后，進(jìn)行混凝土的澆筑，自然養(yǎng)護(hù)至一定強(qiáng)度后脫模．

1.2.3 極限拉拔試驗

空白組試驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行極限拉拔試驗，試驗張拉使用穿心千斤頂對試驗錨桿模型進(jìn)行張拉．施加張拉荷載時，按預(yù)應(yīng)力筋抗拉力標(biāo)準(zhǔn)值(Fptk)的10%逐級加載，每級加載后持荷1 min，并記錄傳感器與千分表數(shù)據(jù)，預(yù)應(yīng)力筋拉力達(dá)到0.8Fptk后應(yīng)持荷10 min，然后逐漸加載至完全破壞．

根據(jù)拉拔試驗結(jié)果，本次對拉力集中型錨桿模型的設(shè)計張拉力為12.0 kN．為保證物理模型試驗的錨桿錨固段處于彈性階段，取極限拉力的80%作為模型試驗的設(shè)計張拉力．因此，模型試驗的設(shè)計張拉力為Fcon=Fptk×80%=12.0×0.8=9.6 kN，圖3為空白對照組極限拉拔試驗現(xiàn)場圖．

圖3 Ⅰ號空白組極限拉拔試驗

1.2.4 錨固性能試驗

試驗采用分級循環(huán)張拉方法，在安裝好的模型上，采用千斤頂對6組模型進(jìn)行加載，加載主要通過油壓表的輸出油壓來控制，張拉力的校核和錨桿受力用應(yīng)變式錨桿測力計和錨桿上的應(yīng)變片測出，圖4為第Ⅳ實驗組錨固性能測試現(xiàn)場．

圖4 Ⅳ號試驗組錨固性能試驗

2 試驗結(jié)果分析

2.1 錨桿軸力分析

由鋼筋和注漿體上各點的應(yīng)變值計算出鋼筋和注漿體上相應(yīng)點的軸力．

N=με·EA

(1)

式中：με為鋼筋與/或注漿體表面的微應(yīng)變；E為鋼筋的彈性模量；A為鋼筋截面積．

圖5為各組錨桿軸力沿錨固長度方向的分布示意圖．

圖5 錨桿軸力分布圖

對拉力型錨桿施加張拉荷載之后，錨桿上的軸力表現(xiàn)為：

1)6組試驗錨桿軸力的峰值均出現(xiàn)在錨固段與自由段的分界面附近，隨著遠(yuǎn)離自由端呈指數(shù)衰減，在距離自由端0～100 mm(1/3錨固段長度)范圍內(nèi)，隨著聚丙烯纖維體積摻量從0.00 kg/m3提高到0.90 kg/m3,軸力衰減比例由94.48%降低至79.53%，衰減比例降低14.95%；當(dāng)聚丙烯纖維體積摻量超過0.90 kg/m3，前100 mm(1/3錨固長度)范圍的軸力衰減穩(wěn)定在80%左右，見表6．

表6 前1/3錨固長度范圍內(nèi)軸力衰減變化表

2)據(jù)錨桿軸力曲線斜率分析，聚丙烯纖維的加入使得軸力曲線變得平緩，軸力分布范圍更廣，從錨桿的峰值軸力來看，Ⅰ號空白組軸力峰值為7 628 N．隨著聚丙烯纖維體積摻量增加，錨桿軸力峰值稍有增加，體積摻量為0.90 kg/m3時，軸力峰值為8 423 N；體積摻量為1.50 kg/m3時，軸力峰值為8 512 N,占張拉荷載的86.8%．隨著聚丙烯纖維摻量增加，錨桿的峰值軸力呈增長趨勢，聚丙烯纖維摻量在0.9～1.5 kg/m3時，峰值軸力增長不明顯．

2.2 錨桿與注漿體界面剪應(yīng)力分析

鋼筋和注漿體沿桿長的平均剪應(yīng)力可由相鄰兩點的應(yīng)變值獲得：

(2)

(3)

式中：τi為式中第i點和第i+1點之間的平均剪應(yīng)力；D為鋼筋直徑；Δx為第i點和第i+1點的間距；εi，εi+1分別為第i點和第i+1點的應(yīng)變值，F(xiàn)表示錨固范圍內(nèi)的總剪力．將i和i+1兩點間的平均剪應(yīng)力τi作為這兩點中點的剪應(yīng)力值，注漿體與錨桿界面剪應(yīng)力分布如圖6所示．

圖6 注漿體與錨桿界面剪應(yīng)力分布圖

對不同摻量聚丙烯纖維砂漿與錨桿界面剪應(yīng)力的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1)注漿體錨固段與錨桿界面的剪應(yīng)力分布是不均勻的，在靠近張拉端一側(cè)的剪應(yīng)力分布高度集中．空白實驗組在距離自由端7 mm(錨固段約1/40位置處)時，剪應(yīng)力峰值τmax=3.65 MPa，錨固段的平均剪應(yīng)力τa=0.470 MPa，峰值剪應(yīng)力與平均剪應(yīng)力的比值為7.8；隨著聚丙烯纖維體積摻量從0.00 kg/m3提高到1.50 kg/m3，剪應(yīng)力峰值在摻量為1.20 kg/m3時達(dá)到最大值τmax=4.24 MPa，峰值剪應(yīng)力提高了16.2%；峰值剪應(yīng)力與平均剪應(yīng)力的比值在摻量為0.9 kg/m3時降到最低值5.4，表明聚丙烯纖維的加入能夠?qū)⒓魬?yīng)力更加平均地分布到錨固段，從而減小剪應(yīng)力集中．

2)預(yù)應(yīng)力錨桿錨固段剪應(yīng)力的分布范圍只在其靠近張拉端的有限長度上，不是沿全長分布，錨固段受剪應(yīng)力的有效長度小于錨固段上剪應(yīng)力的實際分布長度，假定界面上剪應(yīng)力為峰值剪應(yīng)力的5%以上的點之間的長度為內(nèi)錨固段的有效長度．空白試驗組的剪應(yīng)力分布曲線上，該臨界點為195 mm(錨固段長度的65%)，錨固長度隨著聚丙烯纖維體積摻量的增加而增加，在摻量達(dá)到0.9 kg/m3時和1.20 kg/m3，錨固長度為229 mm(錨固段長度的76%)，在此摻量下預(yù)應(yīng)力錨固長度提升11%，繼續(xù)增大聚丙烯纖維摻量，錨桿錨固長度不再增加．

2.3 注漿體與圍巖體界面剪應(yīng)力分析

注漿體與圍巖體界面剪應(yīng)力分布由注漿體表面應(yīng)變片測得，注漿體與圍巖體界面剪應(yīng)力分布如圖7所示．

圖7 注漿體與圍巖界面剪應(yīng)力分布圖

對注漿體與巖體界面剪應(yīng)力的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1)注漿體錨固段與巖土體間的剪應(yīng)力在靠近張拉端一側(cè)高度集中．當(dāng)距離自由端35mm(錨固段約1/9位置處)時，空白試驗組剪應(yīng)力峰值τmax=0.787 MPa，內(nèi)錨固段的平均剪應(yīng)力τa=0.211 MPa，峰值剪應(yīng)力與平均剪應(yīng)力的比值為3.75．隨著聚丙烯纖維體積摻量的增加，剪應(yīng)力峰值呈現(xiàn)減小趨勢，聚丙烯纖維體積摻量在0.9 kg/m3時，剪應(yīng)力峰值降低至τmin=0.720 MPa，此時的錨固段的平均剪應(yīng)力τa=0.248 MPa，峰值剪應(yīng)力與平均剪應(yīng)力的比值為2.90，表明聚丙烯纖維的加入使得注漿體與巖體界面剪應(yīng)力分布更均勻，從圖上直觀反映為剪應(yīng)力包絡(luò)面積更大．

2)注漿體與巖體間的剪應(yīng)力分布曲線上，聚丙烯纖維的摻入使得注漿體與巖體界面峰值剪應(yīng)力降低，在峰值剪應(yīng)力之前(靠近自由端一側(cè))，聚丙烯纖維幾乎不影響剪應(yīng)力分布，表現(xiàn)為剪應(yīng)力分布曲線趨于重合，越過峰值點之后剪應(yīng)力變化明顯，表現(xiàn)在峰值點之后的平均剪應(yīng)力在聚丙烯體積摻量為0.9 kg/m3時達(dá)到τmax=0.255 MPa，相較于摻量為0.00 kg/m3的空白組平均剪應(yīng)力τ=0.216 MPa提升了18.1%，體積摻量超過0.9 kg/m3時，峰值點之后的平均剪應(yīng)力穩(wěn)定在τ=0.25 MPa，提升效果不再明顯，在剪應(yīng)力曲線上表現(xiàn)為3條曲線幾乎重合．從曲線走勢來看，隨著聚丙烯纖維體積摻量的增加，剪應(yīng)力曲線更平坦．

2.4 機(jī)理分析

2.4.1 錨固機(jī)理

注漿體與錨桿之間剪應(yīng)力分布在錨固工程中具有重要的設(shè)計意義，根據(jù)實驗圖像，假定軸應(yīng)力分布曲線符合以下指數(shù)函數(shù)分布：

σ=σ1eλ1x+σ2eλ2x

(4)

其中：σ為內(nèi)錨固段錨桿上任意一點軸向應(yīng)力(Pa)；λ1，λ2為軸向應(yīng)力分布系數(shù)；σ1，σ2為與應(yīng)力水平有關(guān)的變量，根據(jù)圖5數(shù)據(jù)擬合見表7．

表7 纖維摻量與應(yīng)力系數(shù)對應(yīng)表

桿體微元體受力平衡條件為

(5)

其中：錨桿半徑為r1，化簡得

(6)

在最佳摻量0.9 kg/m3時，代入數(shù)據(jù)得

σ=7 306e-33.49x+1 513e-6.47x

(7)

2.4.2 纖維增韌機(jī)理

1)力學(xué)效應(yīng)

根據(jù)樹脂注漿錨桿的理論，對大部分錨桿，粘結(jié)界面剪應(yīng)力分布公式可簡化為

(8)

(9)

其中：σ0為初始軸向應(yīng)力；α為綜合剛度系數(shù)；Ea為錨桿彈性模量；Eg為注漿材料的彈性模量；r2為錨孔半徑，呈剛性．由以上公式得知，聚丙烯纖維的加入使得系數(shù)α發(fā)生改變，實驗結(jié)果測得兩種灌漿材料彈性模量比較見表8．

表8 纖維摻量與注漿體力學(xué)性質(zhì)對應(yīng)表

纖維加入注漿材料可以減少漿液的離析、沉淀，從而改善砂漿凝固體系結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能[8-9]．將實際注漿體彈性模量隨聚丙烯纖維體積摻量改變而變化的曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到如下結(jié)果：

Eg(β)=17.09e-0.831 4β+7.597e0.369 7β

R2=0.994 8

(10)

Eg(β)=3.968β2-10.23β+24.61

R2=0.993 9

(11)

其中：β表示聚丙烯纖維體積摻量；R為相關(guān)系數(shù).上述表達(dá)式表征注漿體彈性模量隨聚丙烯纖維摻量變化的函數(shù)，將表達(dá)式代入式(9)得到在摻入聚丙烯纖維之后粘結(jié)面剪應(yīng)力分布的修正公式：

(12)

(13)

在摻入聚丙烯纖維之后，錨桿表面同一位置處的剪切應(yīng)力與聚丙烯纖維摻量呈負(fù)相關(guān)．

2)阻裂效應(yīng)

灌漿材料在硬化產(chǎn)生強(qiáng)度的過程中，會在其內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，這些裂縫不可避免地隨機(jī)分散在注漿材料中．聚丙烯纖維能夠容易地分散在砂漿中，無重力作用，有極強(qiáng)的粘結(jié)力，可以迅速而輕易地與注漿材料混合，纖維均勻地分散在砂漿內(nèi)部，在砂漿內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系，從而產(chǎn)生一種有效的二級加強(qiáng)效果．在灌漿材料中，聚丙烯纖維的亂向分布形式有助于削弱注漿體塑性收縮應(yīng)力，有效地增強(qiáng)了砂漿的韌性，抑制了微細(xì)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展[10-12]，纖維的阻裂效應(yīng)如圖8所示．

圖8 纖維阻裂效應(yīng)示意圖

纖維可大幅改善砂漿結(jié)構(gòu)，減少砂漿因失水、水化熱、溫差和干燥引起的微裂縫．由于纖維以單位體積內(nèi)較大的數(shù)量均勻分布于混凝土內(nèi)部，故微裂縫在發(fā)展的過程中必然遭遇到纖維的阻擋，消耗了能量，難以進(jìn)一步發(fā)展，從而阻斷裂縫達(dá)到抗裂的作用．

3 討 論

1)現(xiàn)有的錨固理論有很多，本文2.4.2節(jié)重點討論了基于樹脂注漿理論的錨固機(jī)理，在注漿材料力學(xué)性能發(fā)生改變之后，運(yùn)用該理論分析所得到的結(jié)果與本試驗結(jié)論一致．篇幅有限，其他錨固本文不再一一論述．

3)由于試驗條件限制，本實驗先澆筑注漿體再進(jìn)行圍巖澆筑，未能反映真實鉆孔灌注樁施工流程，改進(jìn)之處在于嚴(yán)格按照鉆孔灌注樁施工流程，真實還原實際工程，使得到的結(jié)論更接近實際，也可進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)值模擬試驗和原位試驗，用以驗證試驗的準(zhǔn)確性．

4 結(jié) 論

本文對聚丙烯纖維砂漿的預(yù)應(yīng)力錨桿錨固性能進(jìn)行物理模型試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，并將試驗結(jié)果與理論分析結(jié)論進(jìn)行對比，得到如下結(jié)論：

1)錨桿峰值軸力在聚丙烯纖維體積摻量為0.9 kg/m3以后幾乎不再變化，前1/3錨固段長度軸力衰減比例降低了14.95%；注漿體與錨桿界面的峰值剪應(yīng)力與平均剪應(yīng)力的比值在摻量為0.9 kg/m3時降到最低值5.4；在摻量達(dá)到0.9 kg/m3時，預(yù)應(yīng)力有效錨固長度提升11%；繼續(xù)增大聚丙烯纖維摻量，錨桿錨固長度不再增加．

2)注漿體與巖體界面剪應(yīng)力在靠近張拉端約1/9錨固段長度位置處高度集中．隨著聚丙烯纖維體積摻量增加，剪應(yīng)力峰值呈現(xiàn)減小趨勢，聚丙烯纖維體積摻量在0.9 kg/m3時，剪應(yīng)力峰值降低至τmin=0.720 MPa，從曲線走勢來看，隨著聚丙烯纖維體積摻量的增加，剪應(yīng)力曲線更平坦．

3)灌漿材料彈性模量隨著聚丙烯纖維摻量的增加而減小，在摻量為0.9 kg/m3時，彈性模量減小至18.3 MPa，繼續(xù)增加其摻量，灌漿體彈性模量變化不明顯．