玻璃纤维增强聚合物抗浮锚杆抗拔性能试验研究与机制分析

抗浮锚杆作为一种竖向锚固技术在我国许多地区广泛应用,锚杆作为抗浮结构的核心其性能受到极大关注。但因钢材易腐蚀,传统金属锚杆的耐久性受到质疑,特别是地铁等地下工程存在杂散电流,限制了金属抗浮锚杆的应用。玻璃纤维增强聚合物(GFRP)抗浮锚杆是一种由树脂基体和玻璃纤维复合而成的新材料,与金属锚杆相比,它具有耐腐蚀、抗拉强度高、自重轻等优良特性。通过植入式裸光纤传感测试技术对GFRP抗浮锚杆的界面应力分布、荷载传递规律及破坏机制进行了研究,论证了GFRP抗浮锚杆使用的适宜性。试验表明,GFRP抗浮锚杆破坏以杆体基体材料剪切破坏为主,?28 mm锚杆极限抗拔力为250 kN,能够满足工程需要;杆体轴力沿深度方向逐渐递减,并且超过一定长度后杆体不再受力。结果显示,中风化岩地区,当锚固段长度为3.95⁶.95 m时,轴力影响深度范围约为3.7 m,说明GFRP抗浮锚杆同样存在临界锚固深度问题。锚杆界面剪应力呈不均匀分布,剪应力峰值随荷载的增加逐渐向下转移,同时0值点也向杆体深部转移。研究成果可为GFRP抗浮锚杆应用于工程实际提供依据。     

岩石锚杆锚固段荷载分布试验研究

岩石锚杆锚固段荷载分布规律是岩土锚固技术的关键问题之一。在拉拔试验锚杆杆体测点应变数值采集的基础上,利用复合幂函数和高斯函数对实测数据进行曲线拟合,获得了临界破坏状态下的锚固段轴力及剪应力分布情况。试验结果表明：岩石锚杆锚固段剪应力的分布集中在锚固段的前部;高斯函数可以较好地描述临界破坏状态下锚杆杆体的轴力分布;界面破坏出现在界面峰值抗剪强度远大于界面所能提供的黏结强度情况下。研究结果为锚杆的设计与计算提供了理论依据。     

基于Mindlin解的压力型锚杆锚固段的受力分析

假设锚杆为与周围介质相同的材料,视锚杆作用的岩土体为弹性半空间位移体;基于Mindlin位移解,求出集中力作用下周围岩土体沿锚固体的轴向位移;根据压力型锚杆锚固段的受力状态,计算锚固体在轴向荷载作用下压缩变形,利用锚固体与周围岩土体变形协调假定,推导出锚固段轴向应力和剪应力分布的理论解。经过与已有现场试验实测数据对比分析,验证了理论解的可行性,并在此基础上讨论了相关岩土参数对锚固段轴向应力和剪应力的影响。锚杆现场试验和理论分析结果表明:压力型锚杆的锚固段所受轴向应力和剪应力与锚固力成正比;压力型锚杆的锚固段所受剪应力的分布形式受周围岩土体弹模、泊松比以及锚固体与周围岩土体界面的内摩擦角等因素的影响。其中周围岩土体的弹模影响最大。     

夹? 22 mm钢筋体复合锚杆原位锚固特性分析

加钢筋体复合锚杆在土遗址载体锚固得到了较为成功的应用,但研究该类型锚杆机制刚刚起步。选择交河故城开展了夹? 22 mm钢筋复合体锚杆现场锚固测试,包括锚固性能测试和锚杆各界面层应变监测。锚固性能试验表明,3 m长复合锚杆极限锚固力可达190 kN,而且杆体表现出较强塑性变形。锚杆各界面层应变监测结果表明,钢筋-复合材料界面层轴向应变远大于其他界面层,锚固失效在该层;由于杆体的非均直性,楠竹-复合材料界面表现出轴向应变的非规律性,局部出现受压状态;楠竹-浆体界面剪应变与荷载变化一致,在较高荷载下出现剪应变向锚固末端的传递特征;鉴于杆体的多圈层构造,受力过程中出现明显的横向传递和剪胀特征。其研究成果可为复合锚杆的优化与工艺完善奠定基础。     

土遗址加固中GFRP锚杆锚固性能现场试验研究

为揭示GFRP锚杆在土遗址加固中的性能,进而克服现有竹、木、复合锚杆锚固的局限性,拓展该新型材料在古遗址加固中的应用,选择直径22mm和25mm的GFRP锚杆开展了现场锚固测试试验。通过单级和循环两种加载模式,获取了两种杆体的破坏模式与极限锚固力; 在杆体砂浆界面布设应变片,获取了受荷过程中界面监测点剪应变的变化特征与分布规律。结果表明:两种锚固系统均失效于砂浆土体界面,22mm GFRP杆体极限锚固力50kN,而25mm GFRP杆体超过120kN; 从加载端到末端监测界面剪应变呈衰减分布,在较大荷载下由于加载方向与杆体轴向微弱偏离导致局部出现受压现象,试验过程中监测界面未出现脱黏现象。研究表明GFRP锚杆可以部分替代复合锚杆,在土遗址载体加固中具有良好的应用前景。     

考虑埋入长度效应的应变传感光纤-土体界面特性试验研究

随着光纤传感技术越来越多地应用于地质灾害和岩土变形监测,理解应变传感光纤与周围岩土体之间的变形耦合机理成为监测结果分析中的重要一环。但是相关的研究较少,尤其是有关埋入长度对传感光纤-土体界面特性及应变传递过程的影响尚未得到充分的认识。本文通过拉拔试验,研究了不同埋入长度条件下纤-土界面的力学性质,并采用一个数学模型对拉拔曲线进行了预测。结果表明:该模型能较好地拟合拉拔力-拉拔位移曲线;有效拉拔位移和最大拉拔力均随着埋入长度的增加而线性增加;而传感光纤-土体界面抗剪强度则随着埋入长度的增加而降低。在此基础上,采用布里渊光时域分析技术（BOTDA）获取了传感光纤与土体界面逐渐脱离过程中光纤的应变分布情况,并计算了纤-土界面剪应力分布特征及其演化过程,结果进一步证实界面破坏有高度的渐进性。这些结果为掌握应变传感光纤与周围土体之间的协调变形机制提供了参考,为促进光纤传感技术应用于岩土变形监测打下了基础。     

泥岩地层抗浮锚杆试验研究

为探讨泥岩地层全黏结抗浮锚杆荷载传递机理和承载性能,基于陕西安康地区泥岩地层抗浮锚杆现场进行了基本试验和锚杆杆体的轴力测试,试验结果表明:锚杆杆体的轴力分布是不均匀的,从锚杆顶面向深部逐渐减小,且超过一定的长度后不再受力;同时表明锚杆受力时,沿锚固端全长的黏结应力分布也是不均匀的,其有效发挥黏结应力的分布长度有一定限度;确定了该地区泥岩地层中直径为150 mm抗浮锚杆的有效锚固长度、极限黏结强度标准值及8 m长锚固段对黏结强度的影响系数等,为类似泥岩地层抗浮锚杆的设计提供依据。     

软岩地层多段扩体锚杆施工工艺及拉拔试验

改变锚固体直径、改善锚固体与岩土间界面特性是提高锚杆抗拔承载力的重要途径。软岩地层多段扩体锚杆采用机械扩孔工艺施工,进行多级循环加载卸载试验,根据锚杆的荷载-位移曲线及现场变形破坏特征,确定锚杆破坏模式为钢筋先屈服,最后钢筋被拔出,同时锚固体被拉裂。试验结果表明多段扩体抗浮锚杆施工工艺可行,锚杆抗拔承载力高,实际工程中能满足抵抗较高水浮力的需求。     

锚杆临界锚固长度简化计算方法

假定锚固体与周围岩土体之间剪应力呈倒三角形分布,计算出锚固体顶端弹性位移;基于锚杆抗拔承载机制及变形特性分析,锚固体周围岩土体变形分析采用与抗拔桩类似的剪切位移模型,得到锚固体周围紧贴锚固体表面岩土体的位移;然后根据锚固体与周围岩土体之间的位移协调原理,推导出了锚杆临界锚固长度的简化计算公式。工程算例对比分析结果表明,其计算结果与实测值吻合较好,且计算公式简单易记,取值明确,适用于工程设计中估算锚杆临界锚固长度。     

基于改性糯米灰浆的3种锚杆锚固性能对比研究

锚固浆液的类型及其与杆体、土体的兼容协调性问题是土遗址锚固领域的研究焦点。由糯米浆为胶凝主材和由黏土、粉煤灰为填充料组成的改性糯米灰浆与木锚杆、玻璃纤维增强塑料锚杆、钢筋锚杆组成了3种锚固系统。通过对3种锚固系统的原位锚固、拉拔试验和界面应力-应变监测,分析比较了3种锚固系统的破坏模式、极限荷载、荷载-位移特征,剖析了杆体-浆体界面应力分布传递规律和界面测点应变对荷载时步的响应程度。在初步分析其锚固机制的基础上,最终得出了此类基于改性糯米灰浆的3种锚固系统的锚固性能的优劣完全取决于杆体-浆体的受力机制、变形和强度特征所决定的力学兼容性的结论。该研究成果为以糯米浆为主材的改性浆液在土遗址锚固领域中的应用提供了依据和参考。     

风化岩地基全螺纹玻璃纤维增强聚合物抗浮锚杆承载特征现场试验

玻璃纤维增强聚合物（GFRP）抗浮锚杆是一种由树脂和玻璃纤维复合而成的新型材料,与传统的钢筋锚杆相比,它具有比强度高、耐腐蚀性强和抗电磁干扰能力强的优点。基于6根GFRP抗浮锚杆和4根钢筋抗浮锚杆现场足尺拉拔破坏性试验,研究了中风化花岗岩中GFRP抗浮锚杆的承载特征和界面黏结特性。试验结果表明,抗浮锚杆的破坏形式有2种：锚杆和砂浆界面剪切破坏,砂浆和围岩界面剪切破坏。直径为28 mm 的GFRP抗浮锚杆和钢筋抗浮锚杆的极限抗拔承载力均为225 kN,直径为32 mm GFRP抗浮锚杆极限抗拔承载力为250 kN,能够满足工程实际需要;GFRP抗浮锚杆与砂浆（第一界面）的平均黏结强度为1.50～1.54 MPa;GFRP抗浮锚杆砂浆与围岩（第二界面）的平均黏结强度为0.32～0.37 MPa,略低于钢筋抗浮锚杆第二界面的平均黏结强度;直径为32 mm的GFRP抗浮锚杆第二界面平均黏结强度高于直径为28 mm的GFRP抗浮锚杆。在此基础上,进一步分析论证了GFRP抗浮锚杆的破坏机制,为GFRP抗浮锚杆的工程应用提供了理论依据。     

预应力群锚根状效应原位试验研究

根据悬索桥隧道式锚碇系统预应力岩锚原位试验及模拟计算结果,分析了锚索的锚固长度、自由长度、锚固注浆压力以及锚注体与围岩界面结合程度对岩锚极限抗拔力的影响。比较了群锚与单锚作用下的岩锚本身及宿主介质的荷载、位移分布特征。群锚约束岩体向临空面变形,具有增韧止裂的根状效应,受埋深(自由长度)、间距、初始预应力、加载历史等影响。锚索的锚固长度控制着岩锚的极限承载力,而自由段长度控制着其在隧道式复合锚碇系统中参与荷载分担的贡献值和时机,自由段长度对有效传递和分散围岩应力有关键作用。指出群锚整体破坏形态存在传递多米诺效应。     

光纤Bragg光栅传感技术在隧道模型试验中应用

在模型试验中,锚杆一般尺寸较小,应变监测较为困难,可将光纤Bragg传感技术（FBG）应用于隧道模型试验中解决该问题。基于西安地铁二号线4个典型断面实际工况进行隧道模型试验,将自行设计封装的光纤Bragg光栅传感器粘贴在锚杆模型表面,监测其在不同应力状态下的应变。根据隧道开挖前、隧道开挖后、衬砌支护后、抗裂极限状态和极限破坏状态5个应力状态的实测数据,得到锚杆轴力在隧道受力过程中的变化规律。试验结果表明,锚杆受力大小在隧道开挖前后有一定变化。衬砌支护后,随围岩压力增加,锚杆轴力基本呈增加趋势,拱顶附近锚杆承受压力,支护后压力变化不大;拱肩到墙角的锚杆承受拉力,衬砌支护后受力开始增加;锚杆在含水率大的黄土隧道中受力较大,更能发挥其作用。文中方法在模型试验中的应变监测方面提出新的可靠途径。     

基于简化力学模型的隧道锚极限承载力估值公式

悬索桥隧道式锚碇的设计理念为锚碇夹持岩体协同承载,因而承载能力远超同体积的重力式锚碇。但因目前对围岩协同作用认识尚不充分,在当前隧道式锚碇设计中仍保守地忽略锚碇和岩体间的挤压效应。为弄清锚碇?岩体协同承载的机制,揭示隧道锚承载能力提高的本质,通过分析隧道式锚碇建设至成桥全过程受力,建立隧道锚的简化力学模型,并引用Mindlin应力解分析了荷载沿锚碇轴向的传递规律以及荷载产生的作用于锚碇?岩体间的挤压应力分布,最终给出了隧道式锚碇极限承载力的简化估算方法,并通过伍家岗大桥隧道锚工程实例分析了结果的合理性。所得结论主要有：锚碇?岩体界面力主要由锚碇自重和锚碇?岩体相互挤压产生;锚碇?岩体界面附加应力自后锚面向前锚面呈先增后减的变化趋势,在距后锚面约1/3L处达到应力峰值;以容许抗剪强度为破坏判据解得的伍家岗长江大桥隧道式锚碇的极限承载力为3 504 MN,约为16倍的设计荷载,与室内试验值基本吻合。     

土层锚固体应力传递机制

基于锚固体轴对称受力特征开发了一种土层锚固界面试验装置,结合二维数字散斑相关方法,获得随着荷载加大锚固体周边土体的位移场及应变场变化规律。试验结果表明,锚固体的位移带动周边土体变形主要出现在靠近锚固体的一小薄层范围内,其变形具有范围稳定、连续、线性和剪胀等特征。采用与Coulomb屈服条件相关联的流动法则建立锚固体界面层的本构关系,并推导出了锚固体在拉拔荷载条件下的轴力和剪应力分布的表达式。分析结果表明,锚固体上的剪应力分布的均匀程度与土层密实度密切相关,土层的密实度越低,其抗力系数、内摩擦角越小,则锚固体上的剪应力分布越均匀,而抗力系数和内摩擦角较大的土层,其剪应力分布特征与岩石锚固体的理论及实测成果相似。     

孔道弯曲条件下拉力型锚索锚固段受力特征模型试验研究

预应力锚索技术作为一种有效的加固技术广泛地应用于各类工程中。由于地质因素和技术因素的影响,锚索在实际工程施工中极其容易发生钻孔偏斜或孔道弯曲等问题,尤其是在大吨位-超长孔深锚索钻孔中该问题尤为突出。为得到孔道弯曲情况下锚索的受力特征,开展了孔道弯曲条件下的室内足尺模型试验,用一定强度的混凝土来模拟岩体,并且预埋具有一定弧度的锚索构件,通过分级张拉预应力锚索来测量在受力过程中孔道弯曲情况下锚索锚固段剪应力、轴力等分布情况,并与孔道直线状态下受力特征进行了对比。试验结果表明,孔道直线状态时锚索锚固段内外两侧剪应力的分布规律与孔道弯曲情况下并不完全相同,在同级荷载张拉时,锚固段弯曲内侧剪应力比外侧剪应力值大;轴力沿锚索长度方向由大变小,直至为0;锚索围岩压力在注浆体内外两侧变化规律基本相同,但孔道内侧受压,外侧受拉。     

大型地下洞室全长黏结式岩石锚杆锚固机制研究及锚固效应分析

以大型地下洞室为背景,采用隐式锚杆柱单元模拟黏结式岩石锚杆,推导了杆体对围岩模型的附加刚度贡献模型。根据中性点理论,假定锚固体界面的剪切滑移模型,导出了锚杆与围岩相互作用下的荷载传递基本微分方程。基于三维弹塑性有限元增量法计算的围岩离散位移,采用插值拟合获得造成锚杆变形的围岩连续位移,通过求解微分方程得到锚固体界面剪应力和轴向力分布函数。将获得的锚固体剪应力采用等效附加应力模型作用于岩体,反映了锚杆的支护效应。实例分析表明,锚杆新算法能较好地模拟锚杆支护效果。获得的锚固体受力分布特征符合中性点理论,锚固体界面剪应力分为正、负两段,锚固体轴向力分布为单峰曲线。此外,新方法的计算值与实测值较为接近。     

用于砂岩加固的锚杆的承载性能试验研究

针对中风化砂岩地质条件,开展了单锚基础和承台式群锚基础的现场足尺试验研究,得到了荷载-位移曲线,分析了基础的破坏模式和承载性能。通过锚筋应变测试,研究了锚杆基础的内力分布规律和有效锚固深度。研究结果表明,岩石锚杆基础应用于中风化砂岩地基分布地区,满足输电线路上部结构对基础承载力的要求,具有良好的经济和社会效益;当锚杆锚固深度小于有效锚固深度时,增加锚固深度和承台嵌岩深度能够有效地提高基础的抗拔承载性能;水平荷载不是基础发生破坏的控制因素,但水平荷载对群锚基础上拔稳定存在不利影响。