一種塑料錨索的開發(fā)與試驗研究

方遙越，鄧岳保，陳良杰，蔣陽陽

FANG Yaoyue，DENG Yuebao，CHEN Liangjie，JIANG Yangyang

(寧波大學建筑工程與環(huán)境學院，浙江 寧波315211)

我國自引進錨索支護技術以來，在邊坡控制等方面應用廣泛?，F(xiàn)邊坡支護技術主要采用預應力錨索框架。該錨固結構由鋼筋混凝土框架與預應力錨索組合而成，主要用于土質邊坡的滑坡治理、邊坡加固和綠化。預應力錨索框架技術在土質邊坡加固中顯示出一定的優(yōu)勢［1］，但其在實際應用中仍然存在一些不足:預應力錨索鋼絞線的應力松弛致使強度變低［2］;鋼絞線銹蝕對其荷載傳遞特性產生顯著影響［3］;坡面上大面積的噴射混凝土破壞了原有的自然景觀，相應的綠化也很難進行或長期有效地維持。其更適合坡度較大的高陡土質邊坡［4］。

今結合坡度較緩的土質邊坡的特點，研究開發(fā)了一種基于資源節(jié)約型材料的塑料錨索。相比傳統(tǒng)預應力錨索，塑料錨索采用聚丙烯材料(PP 塑料打包帶)，其價格低廉、施工方便，在經濟上有較大優(yōu)勢;采用倒刺結構，大幅提高塑料錨索與土體之間的摩擦力與咬合力;倒刺處于不同位置時其作用效果不同，可優(yōu)化布置倒刺位置，以提高承載力。

綜上所述，在土質緩坡中用塑料錨索對預應力錨索進行補充，若周邊地質條件允許，則能創(chuàng)造較大的經濟和環(huán)境效益。

1 塑料錨索設計

塑料錨索的主要部件有錨頭、PP 塑料打包帶、倒刺等，示意圖和實物圖見圖1、圖2。其作用機理為:在土質緩坡(坡度＜40°)情況下，一般相隔1.5 m 確定錨索的打入位置;將塑料帶與擴大端錨頭通過上下扣板連接牢固后，用頂推鋼筋頂住錨頭的圓弧形卡槽，借助頂推鋼筋將整個錨具打入土體;將錨索打入土體內理想深度后，將錨索塑料帶適當回拔一定距離，使錨索塑料帶上的倒刺張開，增大其抗拔力，抑制邊坡的變形和松動。基于資源節(jié)約型材料的錨索相對于傳統(tǒng)錨索，其主要區(qū)別和特點是采用資源節(jié)約型PP 材料和設置倒刺結構。

圖1 錨索示意圖

圖2 錨索實物圖

1.1 PP 材料

資源節(jié)約型材料的選擇標準是強度較高、韌性好、低松弛，既有一定的剛度和柔度，可盤成卷便于運輸及快速安裝?？紤]以上諸多因素，選取了聚丙烯(PP)材料作為錨索主體，部分規(guī)格聚丙烯(PP)材料物理力學性能見表1［5］。PP 材料能夠滿足穩(wěn)固坡度較緩的土質邊坡的力學性能要求，同時耐久性強，能完全滿足資源節(jié)約型理念。

表1 部分規(guī)格塑料打包帶物理力學性能表

1.2 錨頭

組合式錨頭能緊固PP 塑料帶，具有結構簡單、方便拆卸的特點。包括用于套設在PP 塑料帶連接區(qū)的四棱錐結構，增大錨索在土體中的抗拔力;錨頭中心留有一個圓弧卡槽以便外部施加壓力，便于頂推錨索。組合式錨頭與PP 塑料帶錨索實行機械咬合，拼裝便捷、易于攜帶。見圖3。

圖3 錨索擴大頭結構詳圖

1.3 倒刺

倒刺采用小段聚丙烯(PP)塑料帶制作，由耐腐蝕性能強、可塑性良好的夾緊鋁片分別等距離地固定于兩端錨索上。倒刺連接處采用三段式連接，使其預留有一定空隙，便于錨索回拔時土的部分回填。由于土體的自重應力使其張開一定角度，增大與土體之間的摩擦力，從而增大錨索整體的錨固能力。其倒刺結構放大圖見圖4，其普通錨索與塑料錨索的錨固形式見圖5、圖6。塑料錨索由于其倒刺作用，使其與周圍土體的粘結力高于普通錨索;同時由于土體的填充在倒刺附近形成類似樹根形的土體，使具有倒刺的錨索體形成比普通錨索更大的抗拔力。

圖4 倒刺結構放大圖

圖5 改進前的錨固形式

圖6 改進后的錨固形式

2 塑料錨索試驗研究

在結合現(xiàn)場調研的基礎上，僅針對錨索長度、倒刺設置等主要影響因素，通過室內錨索拉伸實驗，錨索抗拔實驗來研究它們對基于資源節(jié)約型材料的塑料錨索錨固力的影響大小和規(guī)律。

2.1 錨索拉伸實驗

通過拉伸試驗探討塑料錨索的強度等因素對抗拉能力損失的影響，為同種類型邊坡錨固工程的設計提供合理的參數(shù);根據(jù)試驗過程中錨索的變形情況分析錨索的剛度，為某些坡面抑制結構設計中的變形計算和控制提供剛度參數(shù)。

2.1.1 實驗方案

錨索拉伸實驗方案見表2。

表2 錨索拉伸實驗方案

實驗錨索采用PP13507J 低松弛型PP 材料，PP材料寬度為10 mm，倒刺采用同種PP 材料，倒刺長度為20 mm，經試驗得其與錨索搭接拉力為1482 kN。錨索編束前，要確保每根PP 打包帶順直，不扭不叉，倒刺排列均勻，嚴格按照設計尺寸下料。

為測量錨索受力狀態(tài)，分析錨索的彈塑性變形情況，部分錨索沿長度方向間隔100 mm 貼應變片。拉伸試驗在微機控制電子萬能試驗機上進行。試驗系統(tǒng)見圖7。

2.1.2 實驗結果分析

當加載到極限荷載時，PP 塑料帶被拉斷，所以此時值應大于由破壞荷載算出的值;每個試件拉伸過程中，荷載-位移曲線可直觀反映錨索抗拉性能。

錨索的理論伸長值可根據(jù)胡克定律并由公式計算。

式中:Δl—PP 材料的理論伸長量(mm);

ΔP—對每一級單元錨索施加的荷載增量(N);

圖7 錨索拉伸實驗系統(tǒng)示意圖

L—單元錨索張拉長度(mm);

A—PP 材料截面積(mm2);

E—PP 材料彈性模量(N/mm2)。

經過實驗，錨索極限抗拉力見表3，典型錨索拉拔實驗荷載-位移曲線圖見圖8。

表3 PP 塑料帶拉伸試驗測試結果

從錨索拉伸試驗荷載-位移曲線圖與理論值分析可以看出:

(1)隨著荷載增加，錨索PP 材料段逐漸伸長至斷裂，PP 材料延伸率良好，在邊坡支護中不易發(fā)生脆性斷裂。

(2)隨著PP 塑料帶長度的增加，其極限抗拉強度有所降低，但總體的極限抗拉強度仍然良好，即基于資源節(jié)約型錨索長度控制適宜，則完全滿足組合式塑料錨索體系的抗拉要求。

此試驗反映了不同因素對錨索抗拉力的不同影響規(guī)律，因此在錨索機理研究和參數(shù)設計中，應根據(jù)應用條件重點考慮主要的影響因素。

圖8 錨索1-3 極限抗拉承載力-位移曲線

2.2 錨索抗拔實驗

模型試驗主要研究錨固邊坡因錨索而引起的邊坡破壞情況，故要求模型材料的重度與原型材料完全相同［6］。其中，原型工程材料取自寧波高速公路某邊坡，此邊坡屬于均質土邊坡，巖土體類型為淤泥質粉質黏土與淤泥質黏土，上覆松散堆積體［7］。原型工程材料布置于一試驗槽內，試驗槽尺寸為510 mm ×480 mm ×360 mm，試驗槽內土體處于長期穩(wěn)定狀態(tài)，為新鮮淤泥質黏土，錨索布置于該試驗槽中。

2.2.1 實驗方案

試驗錨索數(shù)量為4 根，長度均為500 mm，寬度為10 mm，倒刺長度為20 mm，兩側PP 塑料帶上對稱等間距分布，間距為100 mm，按倒刺布置情況對錨索進行分組，錨索編號分別為MS1、MS2、MS3、MS4，各試驗體的性質見表4。錨索的承載力試驗圖見圖9。

表4 錨索倒刺布置形式

圖9 錨索倒刺形式——承載力試驗圖

2.2.2 試驗結果分析

倒刺承載力效果試驗采用分級循環(huán)加荷，當出現(xiàn)下列情況之一時，可判定錨索被拉出:后一級荷載產生的錨頭位移增量達到或超過前一級荷載產生的位移增量的2 倍;錨頭位移連續(xù)增長;錨索被完全拉出。減去無倒刺時的拉力值即為倒刺增加的承載力。錨索極限抗拔實驗結果見表5。

表5 倒刺承載力效果

通過對實測的應變數(shù)據(jù)進行換算，可得到錨索的軸力分布。從測試情況來看，在最大荷載下錨固體處于彈性狀態(tài)，因此可以利用胡克定律計算各個測點處截面上的軸力。

式中:Nx—錨索內某測點處的軸力(N);

εx—錨索內某測點處的應變值(με);

E—錨索的彈性模量(MPa);

A—錨索的承壓面積(mm2)。

由表5 中可以看出，倒刺的設置具有以下特點:

(1)錨索在實際的承載狀態(tài)下，在長度方向隨著倒刺數(shù)量增長，錨索的極限抗拔力呈非線性增加;

(2)倒刺埋深與錨索抗拔力呈正相關?？拷氐住⑻幱阱^索端端的倒刺受到土壤自重力較大，對錨索抗拔力的貢獻也越大。

3 結 語

近幾年邊坡錨索支護技術得到了迅猛發(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)新型結構將對社會資源合理利用及邊坡綠化等起到關鍵作用。通過實驗效果分析，基于資源節(jié)約型的塑料錨索抗拉承載力保持在可控范圍內，該塑料錨索在土質邊坡當中起到很好的支護效果，錨索作用后提高了邊坡的穩(wěn)定性;采用可回收利用的PP 材料、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，能夠保證施工安全和達到加固工程的預期目的，應得到大力推廣應用。

［1]楊明.路塹類土質邊坡錨固技術研究［D］. 成都:西南交通大學，2002.

［2]盧黎.壓力型巖錨內錨固段錨固性能及工程應用研究［D］. 重慶:重慶大學，2010.

［3]何思明，王全才，羅渝.鋼絞線銹蝕對預應力錨索荷載傳遞特性的影響［J］.四川大學學報:工程科學版，2010(1):1 -4.

［4]肖世國，周德培.巖石高邊坡一種預應力錨索框架型地梁的內力計算［J］.巖土工程學報，2002(4):479 -482.

［5]周鑫.機用PP 塑料打包帶生產工藝及設備之簡單探討［J］.塑料，1991(4):44 -48.

［6]中冶集團建筑研究總院.CECS 22∶2005 巖土錨桿(索)技術規(guī)程［S］.北京:中國計劃出版社，2005.

［7]《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊［M］.4 版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.