土層BFRP錨桿現場拉拔試驗研究

呂敬富

摘要：新型BFRP錨桿作為一種抗拉強度高、質量輕、耐腐蝕性強、抗震性與疲勞性俱佳的玄武巖纖維錨桿，現已走入土木工程的支護結構，有逐漸替換傳統鋼性錨桿的趨勢。但其第一、二界面的力學傳遞性能研究還不夠完善，針對這一問題，本文將從不同直徑、不同成孔方式、是否帶擴大頭三方面展開研究，得出以下結論：①直徑越大極限拉拔力越大。當錨桿較細時放置過程中容易出現偏心情況，且錨固體完整程度越差；②相同直徑下不帶擴大頭，極限拉拔力擠風1#>取3#>擠1#，但是三種者差距很小，說明在考慮第一界面破壞的情況下成孔方式對BFRP錨桿極限拉拔力對基本沒有影響；③對比擠密成孔和風鉆成孔，第一界面強度帶擴大頭的錨桿要高于不帶擴大頭11～16%左右，風鉆成孔下的第一界面強度無論錨桿是否帶擴大頭均大于擠密成孔；④擠密成孔條件下，由于錨固長度只有1m，且孔壁較光滑，第一界面的強度是第二界面強度的2.5～3倍，建議工程中適當加大錨固長度，采用高壓注漿來增大第二界面的強度；（5）根據錨固體上的裂縫分布和破壞情況，從上至下依次將其分為拔出裂縫、應力集中裂縫和低強度裂縫。

Abstract： As a kind of basalt fiber anchor with high tensile strength， light weight， strong corrosion resistance， good shock resistance and fatigue resistance， the new BFRP anchor has now entered the support structure of civil engineering and has the trend of gradually replacing the traditional steel anchors. However， the study of the mechanical transfer performance of the first and second interfaces is not perfect enough. In view of this problem， this paper studies from different diameters， different pore-forming methods and whether have enlarged head， and draws the following conclusions： ① The larger the diameter， the greater the ultimate pull force. When the anchor rod is thin， the eccentricity is likely to occur during the placement process， and the integrity of the anchor is worse； ②Without the enlarged head at the same diameter， the sequence of ultimate drawing force is the wind 1#> take 3#> squeezes 1#， but the difference among the three is small， indicating that the hole forming method has no effect on the ultimate drawing force of the BFRP bolt by in consideration of the first interface failure； ③Comparing the compacted holes and wind drilled hole， the anchor whose first interface strength with enlarged head is higher 11～16% than that without enlarged head， and the first interface strength under the wind drilled hole is no matter whether the anchor has enlarged heads are larger than the compacted holes； ④Under the condition of compacted holes， since the anchoring length is only 1m and the wall of the hole is smooth， the strength of the first interface is 2.5～3 times of the strength of the second interface. It is recommended to increase the anchoring length appropriately in the project and uses high pressure grouting to increase the strength of the second interface； ⑤according to the distribution and damage of the crack on the anchor， it is divided into the extraction crack， the stress concentration crack and the low strength crack from top to bottom.

關鍵詞：BFRP錨桿；拉拔試驗；極限拉拔力

Key words： BFRP anchor；drawing test；ultimate pulling force

中圖分類號：TU476 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）30-0142-07

0 引言

錨桿支護技術在土木工程中廣泛應用，其安全度與耐久度是支護工程中的核心問題。許多永久支護結構采用鋼錨桿，其耐久性在自然環境中遭受著極大考驗，雖然采用了各種方法來防腐蝕，結果卻都是差強人意。BFRP錨桿（Basalt Fiber Reinforced Polyme）是一種玄武巖纖維增強復合材料，具有抗拉強度高、耐腐蝕性強、質量輕、抗震性和抗疲勞性俱佳、來源廣泛等優點，在土木工程領域具有廣闊的應用前景[1-4]。

趙文等[5]研究了BFRP錨桿與水泥基材料的粘結性能；沈新等[6]進行了BFRP筋材與混凝土的粘結性能試驗；單煒等[7]提出了BFRP筋與混凝土的粘結-滑移本構關系；Cheng.Y.M等[8]先后在香港、韓國和澳大利亞等地對GFRP、CFRP 錨桿進行了大量試驗，試驗結果得出在不同地質條件下使用這種新方法加固邊坡的優點，并研究了這些材料在不同地質條件下的適用性和耐久性。ZHU H H等[9]對FRP筋進行了研究，其中包括抗拔性能，水泥砂漿的粘結強度以及在堿性環境中的長期強度和耐久性；另外一些學者[10-13]也進行了一些玄武巖纖維筋拉伸力學性能試驗研究；趙文、楊國梁等[14-15]進行了BFRP筋錨桿土質邊坡支護應用研究。

上面的一些學者都是基于第一界面的研究并未考慮到第二界面強度的影響，且對錨固體的破壞形式研究較少。基于此本文將針對一定數量的拉拔試驗對BFRP錨桿展開第一界面和第二界面的研究，包括對不同的錨桿直徑、不同的成孔方式、是否帶擴大頭進行分組試驗。

1 拉拔試驗設計及分組

1.1 BFRP錨桿拉拔試驗設計

本次試驗現場位于甘肅省蘭州市中國中鐵滑坡工程實驗室及西部環境巖土與場地修復技術省級實驗室。該場地地貌單元屬山前沖洪積扇與階地后緣交匯復合地貌，場地地形起伏較小，有三級耕地平臺，每級平臺高2.0m左右。區內地層較為簡單，為第四系松散沉積物，土層主要成分為砂質黃土，含有有少量雜填土，具體土層參數見表1。試驗中BFRP錨桿相關物理/機械性能具體參數見表2。

根據不同直徑、不同的成孔方式、是否帶擴大頭進行試驗分組，用來分析第一界面和第二界面強度的研究。水泥砂漿均采用M20，保養期大概在40天左右，BFRP錨桿均為豎直放置，成孔方式分為三種：取土器成孔、擠密成孔、風鉆成孔。目的是研究不同成孔方式對第一、二界面強度的影響，其中取土器和擠密成孔孔徑都是130mm，風鉆成孔由于控制孔徑困難，遇到軟弱的地層孔徑大，堅硬地層孔徑較小，本次試驗只控制相同孔深，即1m的錨固長度，具體參數見表3，并對其進行了編號。圖1為三種方式成孔的過程。

試驗中提到的擴大頭，就是沿著BFRP錨桿每隔30cm放置一個礦泉水瓶，使用環氧樹脂將錨桿跟礦泉水瓶粘結在一起。由于設置的錨固長度為1m，錨桿全長布置三個擴大頭。目的之一是由于錨固段只有1m，很容易被拔出，得出的數據點較少，能增加數據點的采集。其二是用來研究帶擴大頭和不帶擴大頭第一界面強度的差距。本次試驗中帶擴大頭試驗裝置僅僅是錨桿上布置了三個擴大頭，其余部分與不帶擴大頭的試驗完全一樣，具體試驗裝置如圖2所示。其中錨桿頂部外套鋼管，目的保護錨桿不被夾斷，因為BFRP錨桿雖然抗拉強度很高，但是其抗剪和抗壓能力較差，鎖具如果直接作用在錨桿上，其結果就是把錨桿夾斷，致使試驗失敗。圖3是擴大頭示意圖。

1.2 BFRP錨桿拉拔試驗分組

根據錨桿不同直徑、不同成孔方式、是否帶擴大頭對整個拉拔試驗進行分組，對第一、第二界面的受力破壞模式、裂縫分布情況及成因進行分析研究，具體分組情況見表4。

2 拉拔試驗現象及結果分析

拉拔試驗過程采用的是分級加載的方式，每級荷載為0.5MPa，當百分表穩定或者相對穩定時，再施加下一級荷載，直至油壓表壓力值不再增加或者百分表持續不停的急速旋轉為止，上一級荷載作為BFRP錨桿的極限拉拔力。試驗裝置通過千斤頂油壓表和錨索測力計同時測定BFRP錨桿的極限拉拔力，以便相互校核。整個試驗的過程如圖4所示。

2.1 不同直徑下的拉拔試驗

本組試驗是分析三種不同直徑下錨桿的極限拉拔力，均是取土器成孔，均不帶擴大頭。

當加載時，所有組試驗都能明顯聽到斷斷續續的“砰”的響聲，這是由于錨桿與錨固體相對滑移的結果，同時也是錨固體破裂的時發出的聲音，加載到最后時，無論任何一組試驗都無一例外聽到特別明顯的“咚”的一聲，此時錨桿被拔出，千斤頂壓力表指針歸零，百分表急速轉動直到失靈，整個試驗過程結束。

取1#（12mm）試驗時很容易拔出來，這是由于其直徑小肋深淺，最后通過開挖可知，注漿完成后，錨桿放置出現明顯的偏心情況，使得其沒有完全發揮錨固能力，如圖5所示。鑿開錨固體清晰可見錨桿相對滑移時留在砂漿體上的擦痕，圖6所示。

取2#（16mm）試驗，極限拉拔力比取1#的大一些，但是仍然出現了明顯的偏心問題，如圖7所示。同樣錨固體上留下較明顯的擦痕，如圖8所示。

取3#（25mm）試驗，極限拉拔力要較前兩者有顯著的提升，通過開挖可以發現25mm的BFRP錨桿的未出現偏心問題，且整個錨固體保存良好，試驗效果較為成功，如圖9所示。鑿開錨固體可清楚看到明顯的擦痕，見圖10。

通過對取1#（12mm）、取2#（16mm）、取3#（25mm）三種不同直徑的BFRP錨桿的拉拔試驗，試驗對比結果見表5。由于取1#錨桿較細且錨固長度只有1m，試驗過程中缺少數據無法做出準確的BFRP錨桿位移-拉力曲線，但是最終破壞時前一級的拉拔力是49kN，圖11中只做出了取2#和取3#的曲線，從圖中可知兩者的變化趨勢基本一致，都有一個臺階變化，在兩者相交之前拉力值取3#大于取2#，前三個點對應的拉力值基本相等，兩者的曲線非常相近，而且第二個點和第三個點的斜率相等，說明在剛開始拉的時候二者的作用機理完全一樣，但是由于錨桿直徑的不同，在相交點之后二者出現差距，拉力不斷增大下取2#迅速破壞，取3#的位移曲線還有一小段變緩的過程，最后開始出現陡坡，直至破壞。

從表5中可知，25mm直徑的錨桿第一界面強度比12mm的增大將近148%，比16mm的增大108%。16mm的錨桿比12mm的大16%，即直徑越大極限拉拔力越大。三種直徑的錨桿在試驗過程中的共同點其一是由于取土器成孔的方式，孔壁（即第二界面）較為光滑，如圖12所示。其二是錨固體上都具有明顯的擦痕。對比圖13可知當錨桿較細時放置過程中容易出現偏心情況，且錨固體完整程度越差。

2.2 相同直徑下不帶擴大頭的拉拔試驗

本組試驗都是在直徑為25mm的情況下進行的，均不帶擴大頭，試驗過程中的現象與2.1中描述的基本一致。

風1#（25mm）試驗結束后，通過開挖錨固體發現其底部錨桿移動了大概有22cm左右的距離，如圖14所示。整個錨桿未出現偏心情況，擦痕清晰可見，如圖15所示，試驗整體效果較好。擠1#與風1#現象基本一致，這里不再贅述。

由于成孔方式的不同，風鉆成孔與取土器成孔和擠密成孔有明顯的不同，見圖16、圖17、圖18。取土器和擠密成孔錨固體雖外形相近，基本是等徑的圓柱體，但兩者的土體強度卻不一樣，擠密孔圍壓較大，孔壁的摩擦強度大，即第二界強度擠密成孔要大于取土器成孔。風鉆成孔錨固體是變徑的柱體，形狀不規則，錨固體根部形成比其他部位直徑更大的柱體，可知風鉆成孔更加有助于增強第二界面的強度。

如圖19所示，對比取3#（25mm）、風1#（25mm）和擠1#（25mm）拉拔試驗結果可知：三者的變化趨勢大致相同，其中擠1#在拉拔力下率先破壞，風1#和取3#基本在是同步破壞，最終被拔出來的時候三者的極限拉力值基本是一樣的。風1#的極限拉拔力比擠1#強度增加1.7%，取3#比擠1#增加1.4%，風1#比擠1#增加0.2%，說明在考慮第一界面破壞的情況下成孔方式對BFRP錨桿極限拉拔力對基本沒有影響，三者的區別應該是在第二界面上。

2.3 相同直徑下帶擴大頭的拉拔試驗

本組試驗都是在直徑為25mm的情況下進行的，均帶擴大頭，主要是研究帶擴大頭對第一界面強度提高的影響。

風2#（25mm）和擠2#（25mm）試驗現象與風1#基本一致，不同的是其極限拉拔力都要比風1#大一些，這是由于錨桿上帶有擴大頭的原因，錨桿底部未出現明顯的滑動，未出現偏心現象，整個錨固體保存較為完整。圖20所示為風1#和風2#錨固體對比示意圖，從圖中可知帶擴大頭的錨固體要比不帶擴大頭更加完整。

從圖21可知，在擠2#到達91kN的時候，位移曲線近似線性變化，從91kN到相交點，出現變緩的趨勢，之后錨桿出現了一段將近20mm的位移，拉拔力卻增加的不大，只有10kN左右，表明此時的錨桿出現了被拔出的征兆，但是錨桿的強度并沒有立刻降低，隨著拉拔力的增大，錨桿最終被拔出。風2# 拉力值97kN之前曲線近似線性變化，這時拉拔力從第一個擴大頭逐漸向錨固體深部傳遞，曲線從97kN到111kN開始出現變陡，這與擠2#的變緩正好相反，說明三個擴大頭同時提供抗力，使得曲線變陡，隨后曲線變緩，直至破壞。在相交點之前拉力擠2#總體大于風2#，變化趨勢大致一致，相交點之后風2#大于擠2#，變化趨勢不盡相同，擠2#有一段變化極緩的曲線，能夠給試驗提供一種信號，那就是錨桿即將被拔出，而風2#沒有明顯的變緩趨勢，破壞時沒有明顯的征兆。單是從最終極限拉拔試驗結果來看，兩者差距大小基本可以忽略，但是擠2#在破壞前有一個明顯的提示，風2#則無任何征兆下突然破壞，顯然擠2#更加符合工程中的設計。風2#和擠2#拉拔試驗與2.2中的試驗區別在于錨桿上布置了擴大頭，極限拉拔力風2#要比擠2#要大7kN左右，即增加了5%，二者的差距不大，但是都要比不帶擴大的大，風2#比風1#增大了15.6%，擠2#比擠1#增大了11.7%，說明風鉆成孔下的第一界面強度無論錨桿是否帶擴大頭均大于擠密成孔，具體見表6。

2.4 一、二界面對比試驗

上述試驗都是針對第一界面的，基于此本組試驗主要是測量第二界面的強度，以此對比一下第一、二界面的強度大小。成孔方式為擠密成孔，由于錨固長度只有1m，圖22可知第二界面強度只有47kN，曲線變化最開始比較陡，這是因為摩擦力往深處傳遞，然后曲線變緩，由于是擠密成孔，鉆孔周圍土體在成孔過程中變的比之前更加密實，圍壓也就變的更大，錨固體和孔壁的摩擦力增大，所以才會曲線才會有一段變緩的過程，最后隨著拉力的不斷增大，第二界面的摩擦力逐漸被克服，直至整個錨固體被拔出。試驗結束后，從圖23可以看出錨固體整體被拔出，沒有出現明顯的破壞。由表7可知擠密成孔下不帶擴大頭第一界面強度為120kN，是第二界面強度的2.55倍，帶擴大頭第一界面強度是134kN，是第二界面強度是2.85倍，相比第一界面強度低很多。

2.5 錨固體上的裂縫分析

本小節主要是針對試驗過程中錨固體上出現的裂縫展開論述，根據裂縫破壞形式，將其分為三類：拔出裂縫、應力集中裂縫、低強度裂縫。

如圖24所示，拔出裂縫位于錨固體的頂部，頂部錨固體基本全部破壞，因為此處拉拔力大而且布置了擴大頭容易出現應力集中的結果。

低強度裂縫，從圖25可知從砂漿體底部到裂縫處長度為40cm，這段距離范圍內沒有錨桿，屬于沉渣段，抗拉強度低，由于錨固長度為1m，低于西北黃土地區錨桿的極限錨桿長度，在試驗過程中受拉斷裂，形成一個“V”形裂縫。

應力集中裂縫，出現錨固體的中部，如圖26所示，此處出現一個明顯的“X”形裂縫， “X”形的裂縫其實也可以理解為正“V”形和倒“V”形的組合。圖27中可見錨固體中部擴大頭向下形成一個倒“V”形裂縫，然后裂縫逐漸開始向下擴大，直至裂縫閉合，裂縫的長度達到54cm，在裂縫閉合處其實是底部擴大頭所在的位置，由于應力集中，裂縫匯集于此，圖28中最后裂縫整體向下貫通至錨桿底部，長度約為22cm左右。試驗中可以將擴大頭的顛倒過來，這樣可以減緩由于變徑引起的應力集中。

試驗結束后發現擴大頭附近的錨桿與砂漿接觸不好，出現了“懸空”現象，使得部分錨桿不能發揮作用，如圖29所示，為減少這種情況擴大頭曲徑變化平滑一些。

3 結論

本文通過對不同直徑、不同成孔方式、是否帶擴大頭的BFRP錨桿進行拉拔試驗，來探討分析錨桿的第一界面和第二界面強度，得出以下結論：

①直徑越大極限拉拔力越大。當錨桿較細時放置過程中容易出現偏心情況，且錨固體完整程度越差。

②相同直徑下不帶擴大頭，極限拉拔力擠風1#>取3#>擠1#，但是三種者差距很小，說明在考慮第一界面破壞的情況下成孔方式對BFRP錨桿極限拉拔力對基本沒有影響。

③對比擠密成孔和風鉆成孔，第一界面強度帶擴大頭的錨桿要高于不帶擴大頭11～16%左右，風鉆成孔下的第一界面強度無論錨桿是否帶擴大頭均大于擠密成孔。

④擠密成孔條件下，由于錨固長度只有1m，且孔壁較光滑，第一界面的強度是第二界面強度的2.5～3倍，建議工程中適當加大錨固長度，采用高壓注漿來增大第二界面的強度。

⑤根據錨固體上的裂縫分布和破壞情況，從上至下依次將其分為拔出裂縫、應力集中裂縫和低強度裂縫。

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