全黏結(jié)BFRP 錨桿應(yīng)力應(yīng)變分布特性現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)加載試驗(yàn)研究

楊佰恒，吳道勇

（貴州太和乾元生態(tài)地質(zhì)科技有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550025；貴州大學(xué)，貴州 貴陽(yáng) 550025）

1 引言

大量研究和工程實(shí)踐表明，錨固系統(tǒng)的失效多發(fā)生在界面部分，隨著時(shí)間的增加界面發(fā)生軟化，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。因此開(kāi)展錨固體應(yīng)力應(yīng)變分析有助于認(rèn)識(shí)其承載性能和工作機(jī)理，為巖土錨固工程設(shè)計(jì)提供合理的理論參考[1,2]。BFRP 錨桿作為近年來(lái)出現(xiàn)的一種環(huán)境友好型錨桿，其循環(huán)荷載拉拔試驗(yàn)下的應(yīng)力應(yīng)變分布特性的研究較少。

錨固體系的應(yīng)力傳遞規(guī)律是巖土工程領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容。關(guān)于BFRP 錨桿應(yīng)力應(yīng)變分布特性的研究主要基于逐級(jí)加載拉拔試驗(yàn)，缺乏循環(huán)荷載拉拔作用的下BFRP 錨桿應(yīng)力分布特性的研究。因此，本文采用循環(huán)加載現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)研究全黏結(jié)BFRP 錨桿應(yīng)力應(yīng)變分布特性具有重要的參考價(jià)值。

2 工程地質(zhì)概況

場(chǎng)區(qū)屬祁連褶皺系的中祁連隆起帶，上部為第四系黃土覆蓋，下伏上第三系泥巖，地層穩(wěn)定，斷裂構(gòu)造不發(fā)育。無(wú)不良地質(zhì)，地表和地下水不發(fā)育。其中，第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土厚12～20m，土質(zhì)均勻，結(jié)構(gòu)疏松，屬IV 級(jí)自重濕陷性黃土。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)錨桿材料

本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究所采用的全螺紋BFRP 錨桿，長(zhǎng)度L=4.3m，直徑=32mm，其常規(guī)力學(xué)性能參數(shù)如下表1 所示。

表1 BFRP 錨桿常規(guī)力學(xué)性能參數(shù)

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在錨桿表面沿軸向布設(shè)11 個(gè)應(yīng)變片對(duì)錨桿-砂漿界面變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，間距0.35m，編號(hào)為、、…（如圖1 所示），應(yīng)變片型號(hào)均為BX120-20AA。圖1 中預(yù)留外露段用于安裝拉拔測(cè)試設(shè)備，黏結(jié)段進(jìn)行全長(zhǎng)灌漿。錨桿錨固長(zhǎng)度為3.5m，外露長(zhǎng)度0.8m，鉆孔直徑為110mm，鉆孔傾角為15°。

圖1 應(yīng)變傳感器布設(shè)

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

（1）試驗(yàn)準(zhǔn)備

①夾具制備及應(yīng)變片安裝

設(shè)計(jì)錨桿破壞荷載的1.5 倍進(jìn)行拉拔測(cè)試，確定采用長(zhǎng)度為0.8m、壁厚5mm、外徑為50mm 的鋼套筒充填環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行保護(hù)。錨桿表面粘貼應(yīng)變片位置打磨平整，然后用502 膠水粘貼應(yīng)變片，并在表面涂抹乳膠做防水處理；應(yīng)變片通過(guò)8m 長(zhǎng)的導(dǎo)線相連擴(kuò)長(zhǎng)，便于與DH3816N 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)連接，應(yīng)變片與導(dǎo)線相接處用焊錫固定連接，用熱熔管做防水處理防止?jié)B水影響降低數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

②鉆孔

采用風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)在斜坡上鉆孔，孔徑110mm，鉆孔與水平方向的夾角為15°。為確保錨桿錨固段與灌漿體全面接觸，鉆孔深度需超出錨桿全黏結(jié)長(zhǎng)度0.5m。

③安裝錨桿及注漿養(yǎng)護(hù)

將粘貼應(yīng)變片安裝好對(duì)中支架的錨桿送入鉆孔內(nèi)，采用孔底返漿方式注漿，注漿使用42.5R 的水泥，水灰比為0.45～0.5。注漿完成后養(yǎng)護(hù)超28 天方可開(kāi)始拉拔測(cè)試。

④拉拔荷載設(shè)計(jì)

其中Pmax為極限破壞荷載（kN），為界面平均黏結(jié)強(qiáng)度（kPa）；D 為鉆孔直徑，為0.11m；L 為界面黏結(jié)長(zhǎng)度，為3.5m。反算出錨固段極限破壞荷載為48.45kN。因此，設(shè)計(jì)循環(huán)加載如表2 所示。

表2 拉拔試驗(yàn)錨桿各級(jí)循環(huán)加載量

（2）試驗(yàn)流程

①加載裝置安裝

拉拔試驗(yàn)裝置包括：油壓穿心千斤頂（噸位為65t，行程為18cm）、鋼墊板、錨具（50 和32）、反力木墩；錨桿端頭位移采用精度為0.01mm、量程為50mm 的百分表測(cè)量；拉拔荷載采用10080振弦式錨索測(cè)力計(jì)及其配套數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集；整平鉆孔周圍坡面后，依次安裝反力墩、鋼墊板1、穿心千斤頂、錨索測(cè)力計(jì)、鋼墊板2、錨具、夾具和百分表。其中，百分表通過(guò)磁性底座固定于腳手架上。

②加載方式

拉拔試驗(yàn)過(guò)程遵循《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)檢測(cè)規(guī)程》[4]，并參照《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》[5]，因此試驗(yàn)采用循環(huán)加載方式，通過(guò)油壓表控制荷載大小及速率，穩(wěn)壓時(shí)間根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整直至加載系統(tǒng)穩(wěn)定。

③試驗(yàn)終止判定

當(dāng)試驗(yàn)出現(xiàn)以下情況時(shí)判定錨固體系發(fā)生破壞，即可終止試驗(yàn)。否則在設(shè)計(jì)最大破壞荷載基礎(chǔ)上乘1.2 和1.5 倍繼續(xù)循環(huán)加載測(cè)試：

a.錨桿端頭位移不收斂，錨固體從巖土層中拔出，或錨桿從錨固體中拔出；

b.后一級(jí)荷載產(chǎn)生的錨桿端頭位移增量超過(guò)上一級(jí)荷載位移增量的2 倍。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 循環(huán)荷載-位移關(guān)系分析

循環(huán)荷載作用下BFRP 錨桿位移如圖2 所示。錨桿滑移位移隨循環(huán)荷載的增大而增加，且下一循環(huán)的位移增量值逐漸增大，尤其在破壞前兩個(gè)循環(huán)內(nèi)位移增量尤為明顯。錨桿最大滑移位移點(diǎn)與最大循環(huán)荷載點(diǎn)并不同步，有一定的滯后。表明錨桿應(yīng)力逐步向深部傳遞，加載停止后由于錨固體系的蠕變作用使位移逐漸增加；而在卸載至較低循環(huán)荷載后，出現(xiàn)位移回彈現(xiàn)象。

圖2 BFRP 錨桿循環(huán)荷載—位移曲線

4.2 BFRP 錨桿軸力分布特征

根據(jù)錨桿應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)公式（1）計(jì)算BFRP 錨桿的軸力[6]，進(jìn)而繪制錨桿的應(yīng)變峰值曲線（如圖3 所示）。

圖3 循環(huán)荷載作用下BFRP 錨桿軸力分布

循環(huán)荷載拉拔作用下BFRP 錨桿軸力沿錨固深度的變化特征與軸向應(yīng)變變化特征相似（圖3），均主要集中在近孔口處的測(cè)點(diǎn)，尤其近孔口附近段的錨桿軸力響應(yīng)特征顯著，在遠(yuǎn)離孔口的測(cè)點(diǎn)處BFRP 錨桿軸力響應(yīng)微弱，幾乎為0 值，尤其在孔底附近的測(cè)點(diǎn)尤為明顯，表明錨桿軸力響應(yīng)強(qiáng)度與其變形呈正相關(guān)；且在排除少數(shù)損壞和溢出的測(cè)點(diǎn)的前提條件下，從測(cè)點(diǎn)By1 至測(cè)點(diǎn)By11，錨桿軸力變化總體呈現(xiàn)為：隨循環(huán)荷載的增加而增大，隨錨固深度的增加而減小。

4.3 BFRP 錨桿界面剪應(yīng)力分布特征

取BFRP 錨桿鄰近兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的單元體為研究對(duì)象，其剪應(yīng)力均勻分布，定義Pi為拉拔荷載加載方向。

根據(jù)拉拔荷載作用下BFRP 錨桿受力特征，建立相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的BFRP 錨桿界面力學(xué)平衡表達(dá)式[7,8]：

圖4 顯示界面剪應(yīng)力沿錨固深度分布呈指數(shù)函數(shù)逐漸減小[9]；根據(jù)錨桿界面剪應(yīng)力的衰減速率的之間的差異特征，可將BFRP 錨桿界面剪應(yīng)力變化劃分為快速衰減階段和緩慢衰退階段。此外，BFRP 錨桿界面剪應(yīng)力大小受外加循環(huán)拉拔荷載作用明顯，表現(xiàn)為隨循環(huán)荷載的增加而逐漸增加。

圖4 BFRP 錨桿界面剪應(yīng)力分布曲線

5 結(jié)論

基于BFRP 錨桿現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)加載拉拔試驗(yàn)，探討了BFRP 錨桿應(yīng)力應(yīng)變分布特性，主要結(jié)論如下：

（1）BFRP 錨桿滑移位移隨循環(huán)荷載的增加逐步增大，下一循環(huán)荷載下滑移位移增量值更為明顯；BFRP 錨桿最大滑移位移點(diǎn)與最大循環(huán)荷載點(diǎn)并不同步，有一定的滯后現(xiàn)象，在卸載至較低循環(huán)荷載后，錨桿滑移位移回彈。

（2）BFRP 錨桿的軸向應(yīng)變和軸力隨錨固深度的增加逐漸減小；隨循環(huán)荷載的增加而增大。

（3）BFRP 錨桿界面剪切應(yīng)力沿錨固深度總體呈指數(shù)函數(shù)減小的形式分布（如圖4 所示）；根據(jù)錨桿界面剪應(yīng)力的衰減速率差異特性，錨桿界面剪可分為快速衰減階段和緩慢衰退階段。