河堤边坡CFRP锚杆基本试验*

黄柳云 邓朗妮 张 鹏

锚杆是岩土体边坡加固工程常用的一种方法,锚杆材料多选用精轧螺纹钢等钢材。在实践中工程人员逐步发现,虽然在锚杆工程中采用了在注浆液中掺入膨胀剂、锚杆支架等防腐技术措施,但由于边坡工程地质条件复杂,地下水丰富且地下水中常含有氯离子等对金属具有较强腐蚀性的物质,最终导致钢材遭受腐蚀而引起锚杆破坏失效。CFRP材料抗腐蚀性好、耐久性好、抗拉强度高、自重轻。目前在国内,CFRP多以布材、筋材的形式应用于房屋桥梁结构加固,尚未进入岩土工程领域。

1 试验目的

本次现场试验采用三根自行研发的三丝CFRP压力型预应力锚杆[1],于柳州市滨江西路延长线河堤边坡处进行。通过本次现场试验,以期做到如下几个目的:

1)检验CFRP锚杆组成部分的综合性能;2)检验CFRP锚杆的施工工艺;3)确定CFRP锚杆的抗拉拔的承载能力。

2 试验方案及过程

1)CFRP锚杆的制作。锚杆的内外锚头部分均采用内锥充填环氧树脂砂浆挤压三丝CFRP筋,单丝CFRP筋的直径为7 mm,抗拉极限强度为1900MPa,轴向弹性模量为147 GPa,泊松比为0.27。CFRP锚杆全长为4.20m,自由段长度为 3.50m,示意图见图1。

2)锚杆试验孔的布置及设计参数。本次试验选点于柳州市滨江西路岸坡锚杆加固实际工程,三个试验孔布置在锚杆工程部位,同时避开了工程孔位,试验孔设计参数见表1。

表1 试验孔设计参数

3)试验设备。试验设备包括:YC60型千斤顶、加工配套的张拉螺母与张拉杆、油压表、油泵、连接高压油管、位移百分表、直尺及游标卡尺、电葫芦等。张拉前按标定曲线计算出与张拉加荷荷载对应的油表读数。

4)试验孔的钻凿。钻机采用QZJ-100型潜孔钻机,风动干钻成孔,钻进过程中严禁冲水。钻孔速度严格控制,采用匀速钻进,以防钻孔弯曲和变形,造成下锚困难。由于承载板直径为125 mm,为防止承载板刮到孔壁带入碎土,导致下锚困难,达不到设计深度,要求钻进深度要比设计深度多0.5m。

5)设锚。用人力将锚杆抬起平顺推送至钻好的锚孔中,严禁抖动,扭转和串动。若遇坍孔锚杆未下至设计深度时,必须将其拔出,重新用钻机清孔,然后下锚,直到满足要求为止。

6)注浆。浆体采用425号普通硅酸盐水泥,浆体强度须大于40MPa,水灰比为0.40,外加0.4%的高强减水剂,用高速搅拌机制浆,集中供浆。在灌浆前应清孔,除净残渣和污水。将锚杆(包括注浆管)平顺缓慢推送至孔底,注浆管的插入深度以管头距孔底50mm～100mm为宜。浆体应搅拌均匀,随搅随用,浆液应在初凝前用完,并严防石块、杂物混入浆液。

7)反力装置。由于滨江西路岸坡锚杆加固工程采用的是钢锚杆外挂钢筋网喷壁,故本次试验灌完浆后,不做混凝土承载墩,结合实际工程的挂网喷壁达到强度后,制作钢垫板代替混凝土承载墩。钢垫板尺寸为600mm×300mm×20mm。

8)拉拔试验。本次试验采用分级循环加、卸荷载法张拉(见图2),循环加卸荷等级与位移观测间隔时间见表2。观测时用百分表量测钢垫板的位移,游标卡尺量测千斤顶的油缸伸长,两者之差为锚杆的位移。通过实验绘制锚杆在各级循环加、卸载条件下的荷载—位移曲线,观察锚杆的弹性位移和塑性位移的发展趋势,并对锚杆的锚固性能进行评价。

表2 锚索试验加荷等级与观测时间

3 试验结果及分析

3.1 试验锚杆张拉成果

试验锚杆张拉成果见表3。

表3 试验锚杆张拉成果

3.2 试验结果曲线

荷载—位移(P—s)曲线、荷载—弹性位移(P—se)及荷载—塑性位移(P—sp)曲线,以1号试孔锚索为例,见图 3,图4。

3.3 试验结果分析

1)1号锚杆张拉操作时,在加荷到135 kN时,出现噼啪的异常响声,由于压力表能够继续持荷,继续加载,在149 kN时出现突然崩裂的声音,锚杆由于其CFRP筋的折断出现破坏,2号、3号锚杆极限破坏荷载分别为171 kN,180kN,破坏形式均为CFRP筋断裂,分析破坏原因均由于三丝筋材下料长度有细微偏差,从而导致长短不一,意味着受力不均,导致部分筋先破坏,引起锚杆失效破坏。2)从 P—s曲线、P—se及P—sp曲线可以看出,1号、2号、3号试验锚杆的弹性位移和塑性位移正常,曲线圆滑平顺。3)试孔1号、2号、3号土层均为中密粉土,孔径130mm,锚固段长度3.5m,现地层提供的总抗拔力在149 kN以上,则根据公式 T=π◦D◦L◦qs,实际地层摩阻力 qs≥T试验/(π◦D◦L)=149/(3.14×0.13×3.5)=104 kPa,由此可知,试验得出的中密粉土摩阻力 qs值为104 kPa,介于CECS 22∶90土层锚杆设计与施工规范[2]中列出的中密粉土推荐值100kPa～150kPa。

4 结论与建议

1)CFRP筋锚杆的极限承载力受多方面因素影响,对多丝CFRP筋来说,各筋均布受力是决定该锚杆能否发挥应有强度的关键。本文试验三组锚杆的极限抗拔荷载平均值为拉杆极限抗拉强度的76%,最大值为82%。2)CFRP筋锚杆作为一种新型的锚杆,其在施工过程中的组织、工艺、质量管理是否到位,是否符合设计要求是工程成败的关键。由于CFRP筋抗拉强度较高,抗剪强度较低,因而在施工过程中要注意CFRP筋张拉时,锚垫板一定要平整,且要调整到与CFRP筋的轴线方向垂直,锚具安装与垫板及千斤顶密贴对中,千斤顶轴线与CFRP筋轴线合一,才能确保CFRP筋张拉顺利,避免发生折断。

[1]张 鹏,张胜利,黄柳云,等.压力型CFRP筋锚杆粘结性能试验研究[J].建筑技术开发,2010(4):8-10.

[2]CECS 22∶90,土层锚杆设计与施工规范[S].