河堤邊坡CFRP錨桿基本試驗*

黃柳云 鄧朗妮 張 鵬

錨桿是巖土體邊坡加固工程常用的一種方法,錨桿材料多選用精軋螺紋鋼等鋼材。在實踐中工程人員逐步發現,雖然在錨桿工程中采用了在注漿液中摻入膨脹劑、錨桿支架等防腐技術措施,但由于邊坡工程地質條件復雜,地下水豐富且地下水中常含有氯離子等對金屬具有較強腐蝕性的物質,最終導致鋼材遭受腐蝕而引起錨桿破壞失效。CFRP材料抗腐蝕性好、耐久性好、抗拉強度高、自重輕。目前在國內,CFRP多以布材、筋材的形式應用于房屋橋梁結構加固,尚未進入巖土工程領域。

1 試驗目的

本次現場試驗采用三根自行研發的三絲CFRP壓力型預應力錨桿[1],于柳州市濱江西路延長線河堤邊坡處進行。通過本次現場試驗,以期做到如下幾個目的:

1)檢驗CFRP錨桿組成部分的綜合性能;2)檢驗CFRP錨桿的施工工藝;3)確定CFRP錨桿的抗拉拔的承載能力。

2 試驗方案及過程

1)CFRP錨桿的制作。錨桿的內外錨頭部分均采用內錐充填環氧樹脂砂漿擠壓三絲CFRP筋,單絲CFRP筋的直徑為7 mm,抗拉極限強度為1900MPa,軸向彈性模量為147 GPa,泊松比為0.27。CFRP錨桿全長為4.20m,自由段長度為 3.50m,示意圖見圖1。

2)錨桿試驗孔的布置及設計參數。本次試驗選點于柳州市濱江西路岸坡錨桿加固實際工程,三個試驗孔布置在錨桿工程部位,同時避開了工程孔位,試驗孔設計參數見表1。

表1 試驗孔設計參數

3)試驗設備。試驗設備包括:YC60型千斤頂、加工配套的張拉螺母與張拉桿、油壓表、油泵、連接高壓油管、位移百分表、直尺及游標卡尺、電葫蘆等。張拉前按標定曲線計算出與張拉加荷荷載對應的油表讀數。

4)試驗孔的鉆鑿。鉆機采用QZJ-100型潛孔鉆機,風動干鉆成孔,鉆進過程中嚴禁沖水。鉆孔速度嚴格控制,采用勻速鉆進,以防鉆孔彎曲和變形,造成下錨困難。由于承載板直徑為125 mm,為防止承載板刮到孔壁帶入碎土,導致下錨困難,達不到設計深度,要求鉆進深度要比設計深度多0.5m。

5)設錨。用人力將錨桿抬起平順推送至鉆好的錨孔中,嚴禁抖動,扭轉和串動。若遇坍孔錨桿未下至設計深度時,必須將其拔出,重新用鉆機清孔,然后下錨,直到滿足要求為止。

6)注漿。漿體采用425號普通硅酸鹽水泥,漿體強度須大于40MPa,水灰比為0.40,外加0.4%的高強減水劑,用高速攪拌機制漿,集中供漿。在灌漿前應清孔,除凈殘渣和污水。將錨桿(包括注漿管)平順緩慢推送至孔底,注漿管的插入深度以管頭距孔底50mm～100mm為宜。漿體應攪拌均勻,隨攪隨用,漿液應在初凝前用完,并嚴防石塊、雜物混入漿液。

7)反力裝置。由于濱江西路岸坡錨桿加固工程采用的是鋼錨桿外掛鋼筋網噴壁,故本次試驗灌完漿后,不做混凝土承載墩,結合實際工程的掛網噴壁達到強度后,制作鋼墊板代替混凝土承載墩。鋼墊板尺寸為600mm×300mm×20mm。

8)拉拔試驗。本次試驗采用分級循環加、卸荷載法張拉(見圖2),循環加卸荷等級與位移觀測間隔時間見表2。觀測時用百分表量測鋼墊板的位移,游標卡尺量測千斤頂的油缸伸長,兩者之差為錨桿的位移。通過實驗繪制錨桿在各級循環加、卸載條件下的荷載—位移曲線,觀察錨桿的彈性位移和塑性位移的發展趨勢,并對錨桿的錨固性能進行評價。

表2 錨索試驗加荷等級與觀測時間

3 試驗結果及分析

3.1 試驗錨桿張拉成果

試驗錨桿張拉成果見表3。

表3 試驗錨桿張拉成果

3.2 試驗結果曲線

荷載—位移(P—s)曲線、荷載—彈性位移(P—se)及荷載—塑性位移(P—sp)曲線,以1號試孔錨索為例,見圖 3,圖4。

3.3 試驗結果分析

1)1號錨桿張拉操作時,在加荷到135 kN時,出現噼啪的異常響聲,由于壓力表能夠繼續持荷,繼續加載,在149 kN時出現突然崩裂的聲音,錨桿由于其CFRP筋的折斷出現破壞,2號、3號錨桿極限破壞荷載分別為171 kN,180kN,破壞形式均為CFRP筋斷裂,分析破壞原因均由于三絲筋材下料長度有細微偏差,從而導致長短不一,意味著受力不均,導致部分筋先破壞,引起錨桿失效破壞。2)從 P—s曲線、P—se及P—sp曲線可以看出,1號、2號、3號試驗錨桿的彈性位移和塑性位移正常,曲線圓滑平順。3)試孔1號、2號、3號土層均為中密粉土,孔徑130mm,錨固段長度3.5m,現地層提供的總抗拔力在149 kN以上,則根據公式 T=π?D?L?qs,實際地層摩阻力 qs≥T試驗/(π?D?L)=149/(3.14×0.13×3.5)=104 kPa,由此可知,試驗得出的中密粉土摩阻力 qs值為104 kPa,介于CECS 22∶90土層錨桿設計與施工規范[2]中列出的中密粉土推薦值100kPa～150kPa。

4 結論與建議

1)CFRP筋錨桿的極限承載力受多方面因素影響,對多絲CFRP筋來說,各筋均布受力是決定該錨桿能否發揮應有強度的關鍵。本文試驗三組錨桿的極限抗拔荷載平均值為拉桿極限抗拉強度的76%,最大值為82%。2)CFRP筋錨桿作為一種新型的錨桿,其在施工過程中的組織、工藝、質量管理是否到位,是否符合設計要求是工程成敗的關鍵。由于CFRP筋抗拉強度較高,抗剪強度較低,因而在施工過程中要注意CFRP筋張拉時,錨墊板一定要平整,且要調整到與CFRP筋的軸線方向垂直,錨具安裝與墊板及千斤頂密貼對中,千斤頂軸線與CFRP筋軸線合一,才能確保CFRP筋張拉順利,避免發生折斷。

[1]張 鵬,張勝利,黃柳云,等.壓力型CFRP筋錨桿粘結性能試驗研究[J].建筑技術開發,2010(4):8-10.

[2]CECS 22∶90,土層錨桿設計與施工規范[S].