玻璃纖維錨桿在基坑支護(hù)中的應(yīng)力分布規(guī)律

陳 超， 徐東升*， 徐學(xué)勇， 陳記文

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院, 武漢 430070； 2.大成科創(chuàng)基礎(chǔ)建設(shè)股份有限公司, 武漢 430070)

玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)錨桿主要由不飽和的樹脂基質(zhì)和玻璃纖維束組成,具有抗拉強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、易加工、耐久性好等優(yōu)良特性[1]。在利用GFRP錨桿對基坑邊坡進(jìn)行支護(hù)時,GFRP錨桿相對于鋼筋錨桿更方便截斷,因此不會出現(xiàn)超越施工紅線的問題,也不會形成臨近施工的障礙物,特別是在城市化飛速發(fā)展的進(jìn)程中,地上空間紅線問題已經(jīng)十分嚴(yán)重,而地下空間的開發(fā)利用,則導(dǎo)致基坑工程與電纜隧道、地鐵隧道和綜合管廊等地下工程的沖突更為迫切,選擇使用GFRP錨桿是解決這些問題的方法之一。同時,GFRP錨桿抗腐蝕能力強(qiáng),不需要進(jìn)行反腐處理,GFRP錨桿本身材料也具有抗電磁特性。因此,GFRP錨桿在基坑支護(hù)工程中具有顯著優(yōu)勢[2]。

目前中國學(xué)者大部分研究集中在GFRP錨桿材料的力學(xué)性能上,如高磊[3]對GFRP錨桿抗拉特征和破壞機(jī)理的研究以及通過室內(nèi)模型試驗(yàn)對GFRP錨桿錨固性能的研究；胡金星[4]通過GFRP筋在混凝土中的拉拔試驗(yàn)研究了GFRP直徑、外表形狀、組成成分等對黏結(jié)性能的影響。崔宇鵬等[5]通過GFRP錨桿與水泥砂漿的室內(nèi)拉拔試驗(yàn),對GFRP桿體在不同錨固長度下水泥砂漿的握裹力進(jìn)行了研究。雖然也有學(xué)者通過現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)研究GFRP錨桿的應(yīng)力分布規(guī)律,如李偉偉[6]通過GFRP抗浮錨桿現(xiàn)場拉拔實(shí)驗(yàn)得到了軸力沿錨固深度的衰減規(guī)律,從而驗(yàn)證了GFRP錨桿代替鋼筋錨桿用于地鐵抗浮工程的可行性；匡政等[7]進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)和抗浮錨桿剪應(yīng)力分布模型,提出了GFRP抗浮錨桿的臨界錨固長度公式。但中國學(xué)者對GFRP錨桿取代鋼筋錨桿用于基坑支護(hù)的研究還略顯不足。因此，現(xiàn)將通過基坑現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)以及有限元分析相結(jié)合的手段來探究不同工況下GFRP錨桿的應(yīng)力分布規(guī)律和主要的影響因素,并且針對主要影響因素開展討論,分析GFRP錨桿作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的可行性及關(guān)鍵制約因素,并提出相應(yīng)的解決方案,為GFRP錨桿在基坑工程中應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 現(xiàn)場工況

進(jìn)行現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)的地點(diǎn)位于武漢市蔡甸區(qū)東風(fēng)電動車工地E1F1段,GFRP錨桿試驗(yàn)錨固層主要為素填土,土重度為18.5 kN/m3,黏聚力為10 kPa,內(nèi)摩擦角為8°?；又ёo(hù)錨桿為φ25 GFRP桿,長度為13 m,傾角為15°,錨桿鉆孔直徑為150 mm,注漿體采用M20水泥砂漿。GFRP錨桿表面依次布置5組電阻應(yīng)變片,具體布置情況如圖1所示,現(xiàn)場安裝情況如圖2所示。

圖1 GFRP錨桿應(yīng)變片布置

圖2 GFRP錨桿現(xiàn)場情況

圖3 GFRP錨桿現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)

1.2 試驗(yàn)過程和方法

試驗(yàn)采用圖3所示的試驗(yàn)裝置,其中加載裝置使用手動油泵,30 t油壓千斤頂；位移量測裝置為安裝在錨桿錨頭的機(jī)械百分表；應(yīng)變測試系統(tǒng)為KD7060多功能靜態(tài)應(yīng)變儀。拉拔試驗(yàn)過程按照《錨桿監(jiān)測與監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 401—2017)[8]對GFRP錨桿進(jìn)行加載,每次加載時間維持2 min,并且記錄百分表讀數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 GFRP錨桿軸力分布規(guī)律

用應(yīng)變儀采集粘貼于GFRP錨桿上5個應(yīng)變片的應(yīng)變變化量,通過式(1)[9]可得到GFRP錨桿桿體不同部位的軸力N為

N=AΔεEs

(1)

式(1)中：A為GFRP錨桿截面積；Δε為采集到的微應(yīng)變；Es為GFRP錨桿彈性模量。GFRP錨桿在荷載作用下桿體的應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表1 GFRP錨桿荷載作用下桿體的應(yīng)變

從圖4可看出,拉拔試驗(yàn)軸力沿桿體的分布規(guī)律基本一致,大部分軸力分布于0～4 m,在離錨頭4 m處時,桿體軸力已經(jīng)衰減至不足加載端的10%。GFRP錨桿桿體軸力在錨頭附近衰減速率最快,隨著錨桿錨固深度增加軸力衰減速率減低。其原因是在拉拔過程中,錨桿所受到的黏結(jié)力是從錨頭向尾部傳遞的,因此,離錨頭越近錨桿桿體所受的軸力就越大,形變越大,注漿體與GFRP錨桿的摩擦力和機(jī)械咬合力也越大,其軸力的衰減速率便呈現(xiàn)出先快后慢的規(guī)律,最后錨桿桿體軸力趨近于0。這與賈新[10]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)提出的GFRP錨桿存在一個臨界黏結(jié)長度且軸力隨著埋置深度的增加迅速降低,降低趨勢呈現(xiàn)指數(shù)曲線形式規(guī)律一致。

圖4 GFRP錨桿不同荷載作用下軸力沿桿體的變化曲線

2.2 GFRP錨桿剪應(yīng)力分布規(guī)律

GFRP錨桿錨固體系荷載傳遞路徑為錨桿桿體→錨固體→基坑土體?？梢钥闯?其破壞形式可歸納為以下3種情況：錨桿桿體和注漿體界面因黏結(jié)強(qiáng)度不足導(dǎo)致的剪切破壞；注漿體與土體界面上因抗剪強(qiáng)度不足導(dǎo)致的破壞；GFRP錨桿因自身強(qiáng)度不足導(dǎo)致的破壞[11]。GFRP錨桿與注漿體之間的剪應(yīng)力實(shí)質(zhì)是黏結(jié)應(yīng)力,包括摩擦力、機(jī)械咬合力和化學(xué)膠結(jié)力。在加載初期桿體所受軸力較小,錨桿與注漿體之間的黏結(jié)力主要為化學(xué)膠結(jié)力。隨著荷載增加桿體變形加大,桿體與注漿體之間產(chǎn)生相對滑移,此時黏結(jié)力主要為摩擦力和錨桿本身肋紋與注漿體之間的機(jī)械咬合力[12]。根據(jù)力的平衡條件,可通過測量桿體相鄰兩點(diǎn)的軸力之差算出這兩點(diǎn)之間桿體的平均剪應(yīng)力τi,計算公式為

(2)

式(2)中：Ni為錨桿桿體在i點(diǎn)的軸力；Ni+1為錨桿桿體在i+1點(diǎn)的軸力；d為錨桿桿體直徑,取25 mm；Δl為相鄰兩測點(diǎn)的距離。

從圖5可看出,GFRP錨桿剪應(yīng)力分布具有峰值點(diǎn),大致位于離端口0.5 m處,最大剪應(yīng)力峰值為0.37 MPa,平均剪應(yīng)力峰值為0.26 MPa,且剪應(yīng)力發(fā)揮的主要區(qū)間為0～3.5 m,3.5 m以下錨桿桿體在各級荷載加載過程中剪應(yīng)力趨近于0。此外,文獻(xiàn)[13]中介紹了土體開挖過程中GFRP錨桿剪應(yīng)力的變化規(guī)律,其土體開挖后造成的GFRP錨桿剪應(yīng)力變化是從3 m處開始的,剪應(yīng)力作用區(qū)段大約為6 m,達(dá)到峰值所需要的距離為2 m。通過對比發(fā)現(xiàn)相對于錨桿直接拉拔,土體開挖造成的錨桿剪應(yīng)力分布影響范圍更廣,但剪應(yīng)力變化相對平緩。

圖5 GFRP錨桿不同荷載作用下剪應(yīng)力沿桿體的變化曲線

3 結(jié)果分析及討論

3.1 有限元模型的建立

通過GFRP錨桿與基坑土體之間的黏結(jié)滑移性能和現(xiàn)場勘察報告來確定的材料參數(shù)。在對基坑土體進(jìn)行模擬時,選擇使用摩爾-庫侖模型,因?yàn)樵撃Ｐ褪菍?shí)際巖土性狀的一階近似,模型參數(shù)可從勘察報告中直接提取,符合實(shí)際的工況,包括5個常見參數(shù)：彈性模量E、泊松比v、黏聚力c、摩擦角φ和剪脹角Ψ。

因在Plaxis軟件中,板可以用來模擬地層中有一定的抗彎剛度和軸向剛度細(xì)長結(jié)構(gòu)對象,因此可使用板單元來模擬GFRP錨桿。另一方面,軟件中板單元又是由梁單元構(gòu)成的,可計算出錨桿在剪切和彎矩共同作用下所產(chǎn)生的撓度,在軸向力變化時,單元長度也會變化,符合錨桿實(shí)際拉拔情況,錨桿模型參數(shù)設(shè)置如表2所示。根據(jù)本基坑工程的特點(diǎn),模型尺寸取為50 m×8 m,采用固定約束,上下兩側(cè)邊界限制豎向位移,左右兩側(cè)邊界限制橫向位移,用于模擬混凝土面層對基坑土體變形的限制作用,具體如圖6所示。按照實(shí)際加載情況,分為4步進(jìn)行加載,依次為12、36、60、72 kN,在錨桿拉拔側(cè)邊界留有0.5 m的缺口,考慮千斤頂拉拔過程中施加給基坑土體的反力,每次對錨桿施加點(diǎn)荷載時,同時需對0.5 m的缺口處施加線荷載,線荷載與點(diǎn)荷載大小相同。錨桿軸力分布規(guī)律如圖7所示。

表2 模型參數(shù)設(shè)置

圖6 Plaxis有限元模型

圖7 不同荷載作用下軸力模擬值和實(shí)測值對比

3.2 影響因素分析

由圖7可知,拉拔試驗(yàn)的實(shí)測值與數(shù)值模擬值基本吻合,說明所建立的模型與現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)基本相符,能夠反映出錨桿真實(shí)的受力狀態(tài),因此可利用此模型探究不同工況下的錨桿桿體應(yīng)力分布規(guī)律。

3.2.1 不同荷載作用下的錨桿桿體軸力分布規(guī)律

由圖8可知,在GFRP錨桿拉拔過程中,隨著拉拔荷載增加,錨桿桿體軸力傳遞的范圍也增加。因所選取的φ25GFRP錨桿的極限承載為300 kN,便可假設(shè)GFRP錨桿最大的拉拔荷載Nmax為300 kN,根據(jù)模擬可知11 m處軸力已不足最大荷載的1%,此時可認(rèn)為300 kN荷載作用下的最大傳遞距離lmax為11 m,因此,可根據(jù)N/Nmax與l/lmax的關(guān)系探究不同拉拔荷載作用下,對GFRP錨桿軸力傳遞范圍的影響。由圖9可知,隨著拉拔荷載不斷增加,軸力傳遞范圍逐漸擴(kuò)大,且當(dāng)拉拔荷載達(dá)到最大荷載的50%時,軸力傳遞范圍已接近10 m。當(dāng)拉拔荷載小于最大荷載的50%時,荷載的增加與軸力傳遞范圍大致成正比關(guān)系,比例系數(shù)約為1.64。

圖8 不同荷載作用下軸力的分布曲線

圖9 不同荷載作用下軸力影響區(qū)域變化曲線

圖10 不同上覆壓力作用下的錨桿軸力變化規(guī)律

3.2.2 不同上覆壓力作用下GFRP錨桿拉拔過程中的軸力傳遞規(guī)律

在模型中選取拉拔荷載為120 kN,上覆荷載依次取100、200、300、400 kN,其他參數(shù)保持不變。由圖10可知,1～3 m范圍內(nèi),隨著上覆荷載不斷增加,軸力衰減速率也不斷增加。在3～6 m范圍內(nèi),GFRP桿體軸力不斷減少,最后趨于負(fù)值,意味著錨桿中部隨著上覆壓力不斷增加,開始由受拉轉(zhuǎn)為受壓。在7～11 m范圍內(nèi)錨桿尾部部分區(qū)域軸力隨著上覆壓力增加而增加。因?yàn)樵谏细矇毫ψ饔孟聲a(chǎn)生土體沉降使錨桿變形受彎,呈現(xiàn)出錨桿頭部和尾部受拉,中部受壓的現(xiàn)象,且上覆壓力越大,錨桿變形也越大,這個現(xiàn)象就越明顯。但隨著上覆壓力增加,GFRP錨桿的軸力傳遞范圍并沒有明顯變化,與無上覆壓力時錨桿的傳遞范圍基本相同,從這里可看出,上覆壓力對GFRP錨桿的軸力傳遞范圍沒影響,僅僅是對不同區(qū)域受力特征有影響。這一結(jié)論與Su等[14]、Zhou等[15]分別通過邊坡土釘現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)和模型箱拉拔試驗(yàn)得出的在不同上覆荷載下錨桿軸力分布規(guī)律基本一致。

3.2.3 土體黏聚力和內(nèi)摩擦角對錨桿軸力分布的影響

為探究不同土體黏聚力和內(nèi)摩擦角對GFRP錨桿軸力分布的影響,可在土體參數(shù)中設(shè)置不同的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ,其他土體參數(shù)保持不變,且仍采用120 kN拉拔荷載。根據(jù)圖11、圖12可知,在相同錨固深度時,黏聚力和內(nèi)摩擦角越大則軸力越小,這個現(xiàn)象與工程實(shí)際一致,因?yàn)橥馏w黏聚力和內(nèi)摩擦角越大,土體與錨桿黏結(jié)力就越大,拉拔過程中軸力衰減得也越快,所以在同一深度土體黏聚力和內(nèi)摩擦角越大軸力就越小。另一方面,從圖11、圖12中也可看出,桿體軸力在土體黏聚力增加到20 kPa以上,內(nèi)摩擦角達(dá)到24°以上時,對錨桿軸力分布影響逐漸降低,遠(yuǎn)不及拉拔荷載對錨桿傳遞范圍的影響。其原因是,土體抗剪強(qiáng)度與土體黏聚力和內(nèi)摩擦角有關(guān),隨著土體黏聚力和內(nèi)摩擦角增加,土體抗剪強(qiáng)度增加,與錨桿之間的摩擦力也會增加,但是當(dāng)錨桿和土體發(fā)生相對滑動時,錨桿與土體之間的黏結(jié)力以機(jī)械咬合力為主,因此,當(dāng)土體黏聚力和內(nèi)摩擦角增加到一定值時,對錨桿軸力分布影響就會降低。

圖11 不同土體黏聚力下軸力的分布曲線

3.2.4 不同因素對錨桿軸力傳遞范圍的影響

為探明各影響因素對GFRP錨桿軸力分布的作用大小,通過對不同參數(shù)進(jìn)行比例代換[16],具體情況如表3所示,再根據(jù)換算之后的比例得到不同因素對軸力傳遞范圍的影響曲線,如圖13所示。據(jù)圖13所知,拉拔荷載曲線的作用范圍和曲線斜率最大,而內(nèi)摩擦角和黏聚力影響相對較小。因此,在對GFRP錨桿進(jìn)行設(shè)計時,若要保證GFRP錨桿作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性,主要的是確定錨桿所承受的荷載,再根據(jù)內(nèi)摩擦角和黏聚力的變化對錨桿尺寸進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。

表3 不同影響因素的取值

圖13 不同因素對錨桿軸力傳遞范圍的影響

3.3 討論

通過現(xiàn)場拉拔試驗(yàn)和數(shù)值分析研究了拉拔過程中GFRP錨桿的應(yīng)力分布規(guī)律,為探究GFRP錨桿作為支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于基坑工程的可行性,需保證錨桿在錨固過程中能夠承受預(yù)定的荷載。根據(jù)前述研究可知,不同上覆壓力雖會影響GFRP錨桿在不同區(qū)域的受力特征,但對其應(yīng)力分布范圍基本沒有影響,此外,土體參數(shù)的變化對錨桿應(yīng)力分布的影響程度也不明顯,因此,在基坑支護(hù)中,影響GFRP錨桿主要使用性能的因素為GFRP錨桿的極限拉拔力。

通過現(xiàn)場測試分析及大量調(diào)研表明,影響GFRP錨桿現(xiàn)場使用性能的極限拉拔力為其錨桿錨具,選擇合適的錨具能使錨桿充分發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)[17]。目前現(xiàn)場使用的GFRP錨具如圖14(a)所示。

室內(nèi)錨具測試如圖14所示。首先測試了目前使用的非金屬錨具,測試結(jié)果表明其最大問題是夾持力不夠,由其破壞形態(tài)可看出[圖15(a)]在荷載緩慢接近106 kN時,錨具從中心孔洞開始發(fā)展,最后形成了一條貫穿的裂縫。破壞時的荷載并未滿足工程要求,整個測試試驗(yàn)以錨具破壞告終[圖15(a)]。

圖14 不同錨具的錨固力測試

金屬錨具面臨的問題是夾持力太高,導(dǎo)致錨桿并未完全發(fā)揮出其抗拉特性時便破壞了。雖然使用金屬錨具,錨固力提高到了145 kN,但是根據(jù)破壞形態(tài)可看出,在接近破壞荷載時,GFRP錨桿就開始因錨具擠壓產(chǎn)生了沿錨桿長度方向的裂紋[圖15(b)]?；诮饘馘^具,本文首先分析了錨具失效的原因?yàn)椋寒?dāng)錨具或者GFRP錨桿在張拉過程中開始產(chǎn)生裂縫時,隨著張拉力增加,裂縫不斷擴(kuò)張,錨具與錨桿之間的夾持力將逐漸減少,最后,錨桿便從錨具中滑脫出去。針對錨具失效原理,設(shè)計了新型一種新型的錨具,通過測試表明其錨固力超過了250 kN,且在張拉過程中,錨具和GFRP錨桿基本沒有損傷[圖15(c)],與常見的錨具相比,新型錨具更適合在GFRP錨桿中使用,具有良好的工程應(yīng)用價值。

圖15 GFRP錨桿破壞形態(tài)

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場拉拔試驗(yàn),室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的手段,研究了GFRP錨桿的應(yīng)力分布規(guī)律,分析了影響錨桿軸力傳遞范圍的各種因素,再針對主要影響因素進(jìn)行了討論,得到以下結(jié)論。

(1)GFRP錨桿在拉拔過程中,軸力沿錨桿桿體呈指數(shù)型衰減,最后趨近于0,存在一個臨界錨固深度,大部分軸力作用范圍為0～4 m。通過模擬探究了GFRP錨桿在不同荷載作用下的桿體軸力的分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)軸力分布范圍擴(kuò)大的速率遠(yuǎn)小于拉拔荷載增加的速率,當(dāng)荷載增加到極限荷載的50%時,應(yīng)力分布范圍便趨近于最大傳遞距離。在實(shí)際工程中,可根據(jù)這個規(guī)律預(yù)估不同拉拔荷載作用下GFRP錨桿的軸力分布范圍,也可作為錨桿設(shè)計的參考。

(2)GFRP錨桿剪應(yīng)力分布具有峰值點(diǎn),大致位于離端口0.5 m處,最大剪應(yīng)力峰值為2.27 MPa,剪應(yīng)力發(fā)揮的主要區(qū)間為0.5～3.5 m。

(3)當(dāng)增加上覆壓力時,GFRP錨桿會呈現(xiàn)出兩端受拉,中間受壓的現(xiàn)象,但上覆壓力變化對錨桿軸力傳遞范圍沒有明顯影響。

(4)在相同錨固深度,隨黏聚力和內(nèi)摩擦角不斷增大,錨桿軸力不斷減小,且當(dāng)黏聚力和內(nèi)摩擦角增加到一定值時,對錨桿軸力影響開始下降。

(5)通過對影響GFRP錨桿軸力傳遞范圍的各種因素進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn),拉拔荷載對軸力傳遞的影響最大。因此,針對這一主要因素進(jìn)行了討論,認(rèn)為錨具是錨桿能否發(fā)揮出其強(qiáng)抗拉特性關(guān)鍵因素,通過對比常見錨具和本文設(shè)計的新型錨具,探討了錨具失效的機(jī)理并且展現(xiàn)了新型錨具良好的工程應(yīng)用價值。