塑料錨索在腐蝕環(huán)境中的力學(xué)性能試驗研究

張　慶， 劉　欣， 何錫存， 徐　輝， 陳良杰， 沈淑雯

(1. 寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江寧波 315211；2. 寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江寧波 315211； 3. 浙江省電力設(shè)計院，浙江杭州 310012)

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塑料錨索在腐蝕環(huán)境中的力學(xué)性能試驗研究

張慶1， 劉欣1， 何錫存1， 徐輝2， 陳良杰1， 沈淑雯3

(1. 寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江寧波 315211；2. 寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江寧波 315211； 3. 浙江省電力設(shè)計院，浙江杭州 310012)

【摘要】為研究塑料錨索在腐蝕環(huán)境中的力學(xué)性能并進(jìn)行安全性評價，共完成了1組未經(jīng)腐蝕的塑料錨索和4組經(jīng)腐蝕的塑料錨索的試驗研究。通過試驗研究，著重考察塑料錨索的斷裂荷載、彈性模量、伸長率等力學(xué)性能及其隨時間的變化規(guī)律。試驗研究結(jié)果和GB 50330—2002《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》技術(shù)要求對比，得到結(jié)論：受腐蝕后塑料錨索的斷裂荷載有一定程度降低，但后期下降速率變緩；在試驗周期中，彈性模量降低10.44 %左右；塑料錨索在長期腐蝕環(huán)境下可有效加固邊坡。

【關(guān)鍵詞】塑料錨索；腐蝕環(huán)境；力學(xué)性能

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和西部大開發(fā)進(jìn)度加快，人們對自然環(huán)境的改進(jìn)、利用要求越來越強烈[1-2]。山區(qū)高速公路建設(shè)、鐵路修建及大型水利樞紐修筑等，均涉及到邊坡工程的研究和整治問題。近年來我國邊坡災(zāi)害頻發(fā)，對人民的財產(chǎn)和生命安全造成了極大的威脅。因此，邊坡穩(wěn)固的重要性越來越受到重視[3-4]。

錨固技術(shù)是巖土工程中一種常見的邊坡加固技術(shù)[5]。所謂錨固技術(shù)，是指用錨索和金屬網(wǎng)對邊坡進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，從而達(dá)到穩(wěn)定邊坡的作用。而隨著錨固技術(shù)的發(fā)展及其在巖土工程中的廣泛應(yīng)用，防腐問題隨之出現(xiàn)。已有工程實例證明[6]，對于鋼筋錨索銹蝕破壞的研究應(yīng)該引起重視，鋼筋發(fā)生銹蝕破壞會使錨固體的極限承載力下降，對邊坡等錨固工程的安全性造成不利影響。同時每年大量的鋼筋消耗使得邊坡加固工程的經(jīng)濟(jì)成本居高不下。因此研究塑料錨索在腐蝕環(huán)境中的力學(xué)性能并進(jìn)行安全性評價，在工程中有很大的實際意義和社會效益。

1試驗準(zhǔn)備

1.1材料選取

以實際應(yīng)用的一種適用于土質(zhì)緩坡的新型塑料錨索[1]進(jìn)行耐腐蝕性試驗。

針對鋼筋錨索易腐蝕的特點，本實驗選取的材料必須是耐腐蝕的，同時應(yīng)具備一定的抗拉拔能力。同時試驗采用控制變量和選擇對照的原則進(jìn)行。最終選取的材料為回收利用的同批次塑料打包帶。另設(shè)一組空白變量作為對照。

1.2腐蝕土樣制備

選擇與工程現(xiàn)場實際環(huán)境接近的腐蝕試驗環(huán)境。取原始土樣分析得到：軟土含水量為27.2 %，pH值為0.233。土樣中腐蝕性物質(zhì)含量主要為氯離子、硫酸根離子等，腐蝕等級為中等。

2試驗過程

2.1原始試樣力學(xué)性能試驗

取未經(jīng)腐蝕的塑料錨索在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗，每次分別進(jìn)行三組試驗(圖1)。塑料打包帶性狀：截面面積為15.5mm×0.7mm，有效長度取80mm。試驗環(huán)境：室內(nèi)試驗溫度25.2℃，塑料帶拉伸速率設(shè)置為8mm/min。前后不同時段若有較大溫度誤差應(yīng)進(jìn)行人為控制。

圖1　塑料打包帶拉伸試驗

對塑料錨索的拉伸試驗數(shù)據(jù)整理得到以下結(jié)論：

(1) 斷裂位置基本分布在塑料帶的兩端附近。拉伸過程大致可分為三個階段。第一階段為穩(wěn)定階段，其特征為變形速度較慢，拉力增加較快；第二階段為變形階段，其特征為變形隨拉力變化基本上呈平緩的直線增加；第三階段為破壞階段，臨近破壞時變形增加較快，拉力增加緩慢，直至塑料帶拉斷。

(2) 試驗結(jié)果表明，塑料帶的斷裂應(yīng)力大于52kPa，對照規(guī)范可知，其在土質(zhì)緩坡中具有較大的可靠性。

(3) 塑料帶的最大延伸率約為10 %，但沒有較明顯的彈性階段和屈服階段。拉伸速率越大，斷裂應(yīng)力越大，而延伸率越小。

2.2腐蝕試樣力學(xué)性能試驗

錨索腐蝕試驗采用與原始試樣同規(guī)格的塑料打包帶進(jìn)行力學(xué)性能試驗。作為塑料錨索的主體結(jié)構(gòu)，設(shè)計的錨索腐蝕試驗類型與試樣組數(shù)分別為(均為3根/組)：

第一種方案適宜渠道為總干渠一閘至四閘之間渠段與位于河套灌區(qū)上、中游烏蘭布和灌溉區(qū)域與解放閘灌溉區(qū)域干渠，上述渠道均為國管渠道、多有防滲措施、渠道水利用系數(shù)比較高，水量損失小，渠道斷面尺寸較大，能夠在停水期內(nèi)儲存滴灌用水，在渠道兩岸農(nóng)田可發(fā)展直接引黃滴灌。通過對河套灌區(qū)各級渠道調(diào)研及遙感分析，第二種方案基本是在烏蘭布和灌溉區(qū)域內(nèi)沈烏干渠與東風(fēng)渠兩側(cè)，有部分閑置荒地，可滿足建設(shè)調(diào)蓄水池條件。

(1)塑料錨索原狀樣1組；

(2)經(jīng)腐蝕30d后的塑料錨索1組；

(3)經(jīng)腐蝕60d后的塑料錨索1組；

(4)經(jīng)腐蝕90d后的塑料錨索1組；

(5)經(jīng)腐蝕120d后的塑料錨索1組。

對塑料錨索腐蝕試樣的取樣原則為：除原狀樣外，其余4種類型的腐蝕試樣，按間隔1個月各取一組進(jìn)行力學(xué)性能試驗，并對其進(jìn)行腐蝕情況檢查，同時對原狀樣進(jìn)行同步檢測以控制變量。對塑料錨索腐蝕試樣進(jìn)行了斷裂荷載、伸長率及彈性模量3個力學(xué)性能指標(biāo)的試驗，試驗如圖2所示。

圖2　錨索塑料打包帶抗拉強度試驗設(shè)計

得到試驗數(shù)據(jù)整理并計算得到表1。

表1　錨索斷裂荷載時間變化

(a)斷裂荷載

(b)伸長率

(c) 彈性模量圖3　腐蝕試樣力學(xué)性能指標(biāo)隨時間的變化曲線

對圖3進(jìn)行分析可知：

(1) 塑料錨索的力學(xué)性能指標(biāo)在前30～60d下降較快，60d之后力學(xué)性能指標(biāo)下降速率明顯減慢。前120d塑料錨索的斷裂荷載和伸長率平均降低速率分別為6×10-3kN/d和5.33×10-3%/d。

(2) 由彈性模量的分析可知，斷裂荷載的降低速率比伸長率的降低速率小。

(3) 在一定較長時間內(nèi)，塑料錨索的斷裂荷載依舊維持在2.8kN以上，故具有較好的穩(wěn)定性。

2.3回歸分析

塑料錨索的安全性評價是其一項重要的評價指標(biāo)。通過對腐蝕塑料錨索斷裂荷載與時間的變化關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得出非線性關(guān)系式：

y=3.594e-0.00168x

(1)

式中：y為錨索腐蝕試樣的斷裂荷載(kN)；x為錨索腐蝕試樣的腐蝕時間(d)。

根據(jù)式(1)計算出的塑料錨索斷裂荷載與實測斷裂荷載的R2=0.9634，說明實測曲線與非線性關(guān)系式曲線有較好的相關(guān)性。

通過對4組塑料錨索試樣的腐蝕試驗以及回歸分析，得出初步結(jié)論如下：

(1) 在整個試驗周期內(nèi)，塑料錨索的斷裂荷載降低百分率為14.8 %，力學(xué)性能滿足特定的邊坡工程要求。

(2) 運用在較緩的土質(zhì)邊坡中，塑料錨索的斷裂荷載降低速率和百分率較小，耐腐蝕性能較好，適用性強。

(3) 在進(jìn)行多種不同腐蝕環(huán)境錨索斷裂荷載與腐蝕時間關(guān)系試驗的基礎(chǔ)上，可以通過錨索斷裂荷載與時間關(guān)系的回歸擬合曲線，推斷某一腐蝕條件下錨索的斷裂荷載，從而進(jìn)行錨索的安全評價和壽命預(yù)測。

3結(jié)束語

近幾年邊坡錨索支護(hù)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，資源的節(jié)約化使用是未來的發(fā)展趨勢。利用新型材料、開發(fā)新型結(jié)構(gòu)將對社會資源合理利用、邊坡綠化等起到關(guān)鍵作用。通過實驗分析，研究的基于資源節(jié)約型的塑料錨索，在土質(zhì)邊坡強腐蝕環(huán)境中力學(xué)性能下降在控制范圍內(nèi)，有較高的穩(wěn)定性和安全性；同時采用回收利用的塑料打包帶，具有造價低、不易腐蝕、穩(wěn)定性高等優(yōu)點；塑料錨索施工過程中對邊坡及周邊環(huán)境影響小，能夠保證施工安全、達(dá)到加固工程的預(yù)期目的，應(yīng)得到大力推廣應(yīng)用。

(本文試驗研究課題來源于作者主持的寧波大學(xué)校級重點SRIP項目)

參考文獻(xiàn)

[1]方遙越, 鄧岳保, 陳良杰, 等 . 一種塑料錨索的開發(fā)與試驗研究[J]. 浙江建筑, 2015(6):54-58.

[2]鄭靜, 曾輝輝, 朱本珍. 腐蝕對錨索力學(xué)性能影響的試驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2010,29(12): 2469-2474.

[3]姚大鈞. 預(yù)應(yīng)力錨桿的長期安全與腐蝕問題[J]. 巖土工程界, 2004, 7(12): 23-26.

[4]曾輝輝, 朱本珍, 高志華. 強腐蝕環(huán)境下錨索強度指標(biāo)及表觀特性試驗研究[J]. 水利與建筑工程學(xué)報, 2011(9): 48-53.

[5]張志亮. 預(yù)應(yīng)力錨索耐腐蝕性及失效研究[D] . 北京: 中國地質(zhì)大學(xué), 2008.

[6]DaiFC,LeeCF.Frequency-volumerelationandpredictionofrainfall-inducedlandslides[J].EngineeringGeology, 2001, 59: 253-266.

[基金項目]寧波大學(xué)校級重點SRIP項目《一種塑料錨索的開發(fā)與測試》

[作者簡介]張慶(1994～)，女，本科，研究領(lǐng)域為巖土邊坡工程及其防護(hù)處理。

【中圖分類號】TU94+2

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-12-29