基于高性能材料大型巖錨體系應用研究.pdf

1、巖錨結構通過調動和提高巖土體的自身承載能力和自穩(wěn)能力對結構起到強化和加固作用，廣泛應用于現(xiàn)代土木工程基礎設施建設中。傳統(tǒng)巖錨結構采用的鋼材、普通水泥砂漿的耐腐蝕性能較差、材料強度較低，致使其耐久性及承載效率有時難以達到預期，因此，尋求一種更為有效、合理的巖錨結構具有重要意義。
　　本文依托湖南省交通運輸廳項目及矮寨大橋地錨吊桿巖錨工程，采用高級復合材料纖維增強塑料FRP(Fiber Reinforced Polymer/Plast

2、ic)筋和超高性能水泥基材料活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)及高致密超細顆粒均布材料 DSP(Densified Systems Containing homogeneously arranged ultrafineParticles)來分別構成巖錨結構的錨桿和錨固介質，開發(fā)了一種高效、耐久的巖錨結構體系并成功應用于矮寨特大橋地錨吊桿巖錨系統(tǒng)中，為工程的順利修建特別是巖錨結構耐久性的保證提供了有效

3、的技術解決方案。本文主要的研究內容及其相應的研究成果如下:
　　(1)研究了用于錨桿的CFRP筋、用于錨固介質的RPC、DSP的材料特性。經測試，國產帶肋CFRP筋有效直徑11.6mm，筋材核心部分截面積為106mm2，筋材的極限拉力為244kN，極限強度為2302MPa，彈性模量為146.2GPa;規(guī)格為1×7(φ)12.5mm的CFRP絞線筋外徑12.5mm，極限拉力為194kN，極限強度為2558MPa，采用偏軸應變法測試得

4、到絞線的彈性模量為157GPa。配合比試驗證明，RPC材料的水膠比宜取不大于0.20，聚羧酸高效減水劑的摻量不應超過膠凝材料用量的2.0％;高性能巖錨灌漿材料DSP的水膠比應當控制在0.18～0.22，摻入1％的納米級SiO2可提高其抗壓強度值。養(yǎng)護條件試驗中，超高性能水泥基材料經熱水養(yǎng)護48h的強度可達120MPa。RPC經標準養(yǎng)護7d強度為熱水養(yǎng)護48h的64.3％、地下自然養(yǎng)護7d強度為熱水養(yǎng)護的54.5％; DSP經標準養(yǎng)護條件

5、14d強度為熱水養(yǎng)護48h的78.9％，地下自然養(yǎng)護14d平均抗壓強度為熱水養(yǎng)護的65.0％。
　　(2)通過單根CFRP筋試件張拉試驗，研究了CFRP筋與超高性能水泥基灌漿料的結合面粘結特性，獲得了錨固體系各界面的粘結強度，提出了臨界錨固長度的計算公式。采用強度為130MPa的RPC作為粘結介質錨固帶肋CFRP筋，錨固區(qū)界面粘結強度為25MPa，臨界錨固長度為23倍筋材直徑;對CFRP絞線筋進行分散錨固、分散定位，錨固區(qū)界面粘結

6、強度為20MPa，臨界錨固長度為8.5倍筋材直徑，采用分散錨固、末端合成一束定位，界面粘結強度為21MPa，臨界錨固長度為8.2倍筋材直徑，采用整束錨固，界面粘結強度為17MPa，臨界錨固長度為23倍筋材直徑，CFRP絞線筋分散粘結錨固方式能夠顯著提高錨固效率。通過工程現(xiàn)場拉拔試驗、室內推出試驗，測試了DSP、RPC與漿體與灰?guī)r的界面粘結強度大于7.1～8.3MPa，與花崗巖的界面粘結強度達9.4～11.5MPa，遠大于普通水泥注漿在相

7、應結合面的粘結強度。
　　(3)通過組裝件模型、巖錨模型的張拉試驗，研究了多束CFRP筋群錨結構的不均勻特性。試件TA12-9(2)存在不均勻性導致其在第一次加載過程中發(fā)生過早滑移破壞，說明不均勻性會影響群錨結構承載力，研究建立了不均勻系數(shù)的計算公式，通過W檢驗法驗證了多根CFRP筋受力服從正態(tài)分布，從而建立了不均勻系數(shù)與結構承載力折減系數(shù)的關系。對比組裝件、巖錨試件的不均勻性說明，群錨體系的CFRP筋越多，不均勻性越大，結構承載

8、力越低;CFRP筋數(shù)量相同，筋束長徑比（筋束長度與筋材直徑之比）越長，結構承載力越低;此外，多束CFRP絞線筋群錨體系的不均勻性好于帶肋CFRP筋群錨體系。因此，設計采用多束CFRP筋的群錨體系時，需考慮不均勻性引起的結構實際承載能力折減，增大設計安全系數(shù)的取值。
　　(4)通過組裝件張拉試驗研究了群錨錨固端的粘結性能。群錨體系采用9根帶肋CFRP筋作為預應力筋，130MPa的RPC作為粘結介質，筋材最小凈距為一倍筋材直徑(12m

9、m)，采用未設置內壁傾角的錨筒，臨界錨固長度為29倍筋材直徑，而采用設置內壁傾角3°的錨筒，臨界錨固長度為26倍筋材直徑。對于粘結長度足夠、錨固力充足的群錨錨固端如兩組足尺模型TA12-20、TA12-9(1)，筋材的荷載-滑移曲線表現(xiàn)出錨固剛度隨荷載增加而上升的情況，其原因在于多根筋材間的介質受到擠壓、對相鄰CFRP筋的壓力變大，增加了筋材-灌漿料界面的粘結強度，導致筋材的滑移增量變小。
　　(5)在工程現(xiàn)場設計制作了高性能巖錨

10、結構足尺模型，通過張拉試驗研究了其受力性能。在單調加載試驗中，兩組巖錨GA12-20、GA12-9在最大荷載下的的自由段彈性伸長分別為總位移的75.0％、80.5％，塑性位移為總位移的3.3％、2.5％;在循環(huán)加載試驗中，彈性位移中75-80％為自由段桿體的彈性伸長，剩余25-20％為漿體、錨具以及巖體的彈性變形，塑性位移僅為總位量的5.3％、4.3％;在張拉全過程中，巖錨的位移值都在容許位移范圍內變化，滿足規(guī)范要求。在巖錨的粘結錨固區(qū)