玻璃纤维锚杆在基坑支护中的应力分布规律

陈 超， 徐东升*， 徐学勇， 陈记文

(1.武汉理工大学土木工程与建筑学院, 武汉 430070； 2.大成科创基础建设股份有限公司, 武汉 430070)

玻璃纤维增强聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)锚杆主要由不饱和的树脂基质和玻璃纤维束组成,具有抗拉强度高、抗腐蚀性好、易加工、耐久性好等优良特性[1]。在利用GFRP锚杆对基坑边坡进行支护时,GFRP锚杆相对于钢筋锚杆更方便截断,因此不会出现超越施工红线的问题,也不会形成临近施工的障碍物,特别是在城市化飞速发展的进程中,地上空间红线问题已经十分严重,而地下空间的开发利用,则导致基坑工程与电缆隧道、地铁隧道和综合管廊等地下工程的冲突更为迫切,选择使用GFRP锚杆是解决这些问题的方法之一。同时,GFRP锚杆抗腐蚀能力强,不需要进行反腐处理,GFRP锚杆本身材料也具有抗电磁特性。因此,GFRP锚杆在基坑支护工程中具有显著优势[2]。

目前中国学者大部分研究集中在GFRP锚杆材料的力学性能上,如高磊[3]对GFRP锚杆抗拉特征和破坏机理的研究以及通过室内模型试验对GFRP锚杆锚固性能的研究；胡金星[4]通过GFRP筋在混凝土中的拉拔试验研究了GFRP直径、外表形状、组成成分等对黏结性能的影响。崔宇鹏等[5]通过GFRP锚杆与水泥砂浆的室内拉拔试验,对GFRP杆体在不同锚固长度下水泥砂浆的握裹力进行了研究。虽然也有学者通过现场拉拔试验研究GFRP锚杆的应力分布规律,如李伟伟[6]通过GFRP抗浮锚杆现场拉拔实验得到了轴力沿锚固深度的衰减规律,从而验证了GFRP锚杆代替钢筋锚杆用于地铁抗浮工程的可行性；匡政等[7]进一步结合现场试验数据和抗浮锚杆剪应力分布模型,提出了GFRP抗浮锚杆的临界锚固长度公式。但中国学者对GFRP锚杆取代钢筋锚杆用于基坑支护的研究还略显不足。因此，现将通过基坑现场拉拔试验、室内试验以及有限元分析相结合的手段来探究不同工况下GFRP锚杆的应力分布规律和主要的影响因素,并且针对主要影响因素开展讨论,分析GFRP锚杆作为基坑支护结构的可行性及关键制约因素,并提出相应的解决方案,为GFRP锚杆在基坑工程中应用提供理论基础和实践参考。

1 试验方案

1.1 现场工况

进行现场拉拔试验的地点位于武汉市蔡甸区东风电动车工地E1F1段,GFRP锚杆试验锚固层主要为素填土,土重度为18.5 kN/m3,黏聚力为10 kPa,内摩擦角为8°。基坑支护锚杆为φ25 GFRP杆,长度为13 m,倾角为15°,锚杆钻孔直径为150 mm,注浆体采用M20水泥砂浆。GFRP锚杆表面依次布置5组电阻应变片,具体布置情况如图1所示,现场安装情况如图2所示。

图1 GFRP锚杆应变片布置

图2 GFRP锚杆现场情况

图3 GFRP锚杆现场拉拔试验

1.2 试验过程和方法

试验采用图3所示的试验装置,其中加载装置使用手动油泵,30 t油压千斤顶；位移量测装置为安装在锚杆锚头的机械百分表；应变测试系统为KD7060多功能静态应变仪。拉拔试验过程按照《锚杆监测与监测技术规程》(JGJ/T 401—2017)[8]对GFRP锚杆进行加载,每次加载时间维持2 min,并且记录百分表读数。

2 试验结果与分析

2.1 GFRP锚杆轴力分布规律

用应变仪采集粘贴于GFRP锚杆上5个应变片的应变变化量,通过式(1)[9]可得到GFRP锚杆杆体不同部位的轴力N为

N=AΔεEs

(1)

式(1)中：A为GFRP锚杆截面积；Δε为采集到的微应变；Es为GFRP锚杆弹性模量。GFRP锚杆在荷载作用下杆体的应变如表1所示。

表1 GFRP锚杆荷载作用下杆体的应变

从图4可看出,拉拔试验轴力沿杆体的分布规律基本一致,大部分轴力分布于0～4 m,在离锚头4 m处时,杆体轴力已经衰减至不足加载端的10%。GFRP锚杆杆体轴力在锚头附近衰减速率最快,随着锚杆锚固深度增加轴力衰减速率减低。其原因是在拉拔过程中,锚杆所受到的黏结力是从锚头向尾部传递的,因此,离锚头越近锚杆杆体所受的轴力就越大,形变越大,注浆体与GFRP锚杆的摩擦力和机械咬合力也越大,其轴力的衰减速率便呈现出先快后慢的规律,最后锚杆杆体轴力趋近于0。这与贾新[10]通过室内模型试验提出的GFRP锚杆存在一个临界黏结长度且轴力随着埋置深度的增加迅速降低,降低趋势呈现指数曲线形式规律一致。

图4 GFRP锚杆不同荷载作用下轴力沿杆体的变化曲线

2.2 GFRP锚杆剪应力分布规律

GFRP锚杆锚固体系荷载传递路径为锚杆杆体→锚固体→基坑土体。可以看出,其破坏形式可归纳为以下3种情况：锚杆杆体和注浆体界面因黏结强度不足导致的剪切破坏；注浆体与土体界面上因抗剪强度不足导致的破坏；GFRP锚杆因自身强度不足导致的破坏[11]。GFRP锚杆与注浆体之间的剪应力实质是黏结应力,包括摩擦力、机械咬合力和化学胶结力。在加载初期杆体所受轴力较小,锚杆与注浆体之间的黏结力主要为化学胶结力。随着荷载增加杆体变形加大,杆体与注浆体之间产生相对滑移,此时黏结力主要为摩擦力和锚杆本身肋纹与注浆体之间的机械咬合力[12]。根据力的平衡条件,可通过测量杆体相邻两点的轴力之差算出这两点之间杆体的平均剪应力τi,计算公式为

(2)

式(2)中：Ni为锚杆杆体在i点的轴力；Ni+1为锚杆杆体在i+1点的轴力；d为锚杆杆体直径,取25 mm；Δl为相邻两测点的距离。

从图5可看出,GFRP锚杆剪应力分布具有峰值点,大致位于离端口0.5 m处,最大剪应力峰值为0.37 MPa,平均剪应力峰值为0.26 MPa,且剪应力发挥的主要区间为0～3.5 m,3.5 m以下锚杆杆体在各级荷载加载过程中剪应力趋近于0。此外,文献[13]中介绍了土体开挖过程中GFRP锚杆剪应力的变化规律,其土体开挖后造成的GFRP锚杆剪应力变化是从3 m处开始的,剪应力作用区段大约为6 m,达到峰值所需要的距离为2 m。通过对比发现相对于锚杆直接拉拔,土体开挖造成的锚杆剪应力分布影响范围更广,但剪应力变化相对平缓。

图5 GFRP锚杆不同荷载作用下剪应力沿杆体的变化曲线

3 结果分析及讨论

3.1 有限元模型的建立

通过GFRP锚杆与基坑土体之间的黏结滑移性能和现场勘察报告来确定的材料参数。在对基坑土体进行模拟时,选择使用摩尔-库仑模型,因为该模型是对实际岩土性状的一阶近似,模型参数可从勘察报告中直接提取,符合实际的工况,包括5个常见参数：弹性模量E、泊松比v、黏聚力c、摩擦角φ和剪胀角Ψ。

因在Plaxis软件中,板可以用来模拟地层中有一定的抗弯刚度和轴向刚度细长结构对象,因此可使用板单元来模拟GFRP锚杆。另一方面,软件中板单元又是由梁单元构成的,可计算出锚杆在剪切和弯矩共同作用下所产生的挠度,在轴向力变化时,单元长度也会变化,符合锚杆实际拉拔情况,锚杆模型参数设置如表2所示。根据本基坑工程的特点,模型尺寸取为50 m×8 m,采用固定约束,上下两侧边界限制竖向位移,左右两侧边界限制横向位移,用于模拟混凝土面层对基坑土体变形的限制作用,具体如图6所示。按照实际加载情况,分为4步进行加载,依次为12、36、60、72 kN,在锚杆拉拔侧边界留有0.5 m的缺口,考虑千斤顶拉拔过程中施加给基坑土体的反力,每次对锚杆施加点荷载时,同时需对0.5 m的缺口处施加线荷载,线荷载与点荷载大小相同。锚杆轴力分布规律如图7所示。

表2 模型参数设置

图6 Plaxis有限元模型

图7 不同荷载作用下轴力模拟值和实测值对比

3.2 影响因素分析

由图7可知,拉拔试验的实测值与数值模拟值基本吻合,说明所建立的模型与现场拉拔试验基本相符,能够反映出锚杆真实的受力状态,因此可利用此模型探究不同工况下的锚杆杆体应力分布规律。

3.2.1 不同荷载作用下的锚杆杆体轴力分布规律

由图8可知,在GFRP锚杆拉拔过程中,随着拉拔荷载增加,锚杆杆体轴力传递的范围也增加。因所选取的φ25GFRP锚杆的极限承载为300 kN,便可假设GFRP锚杆最大的拉拔荷载Nmax为300 kN,根据模拟可知11 m处轴力已不足最大荷载的1%,此时可认为300 kN荷载作用下的最大传递距离lmax为11 m,因此,可根据N/Nmax与l/lmax的关系探究不同拉拔荷载作用下,对GFRP锚杆轴力传递范围的影响。由图9可知,随着拉拔荷载不断增加,轴力传递范围逐渐扩大,且当拉拔荷载达到最大荷载的50%时,轴力传递范围已接近10 m。当拉拔荷载小于最大荷载的50%时,荷载的增加与轴力传递范围大致成正比关系,比例系数约为1.64。

图8 不同荷载作用下轴力的分布曲线

图9 不同荷载作用下轴力影响区域变化曲线

图10 不同上覆压力作用下的锚杆轴力变化规律

3.2.2 不同上覆压力作用下GFRP锚杆拉拔过程中的轴力传递规律

在模型中选取拉拔荷载为120 kN,上覆荷载依次取100、200、300、400 kN,其他参数保持不变。由图10可知,1～3 m范围内,随着上覆荷载不断增加,轴力衰减速率也不断增加。在3～6 m范围内,GFRP杆体轴力不断减少,最后趋于负值,意味着锚杆中部随着上覆压力不断增加,开始由受拉转为受压。在7～11 m范围内锚杆尾部部分区域轴力随着上覆压力增加而增加。因为在上覆压力作用下会产生土体沉降使锚杆变形受弯,呈现出锚杆头部和尾部受拉,中部受压的现象,且上覆压力越大,锚杆变形也越大,这个现象就越明显。但随着上覆压力增加,GFRP锚杆的轴力传递范围并没有明显变化,与无上覆压力时锚杆的传递范围基本相同,从这里可看出,上覆压力对GFRP锚杆的轴力传递范围没影响,仅仅是对不同区域受力特征有影响。这一结论与Su等[14]、Zhou等[15]分别通过边坡土钉现场拉拔试验和模型箱拉拔试验得出的在不同上覆荷载下锚杆轴力分布规律基本一致。

3.2.3 土体黏聚力和内摩擦角对锚杆轴力分布的影响

为探究不同土体黏聚力和内摩擦角对GFRP锚杆轴力分布的影响,可在土体参数中设置不同的黏聚力c和内摩擦角φ,其他土体参数保持不变,且仍采用120 kN拉拔荷载。根据图11、图12可知,在相同锚固深度时,黏聚力和内摩擦角越大则轴力越小,这个现象与工程实际一致,因为土体黏聚力和内摩擦角越大,土体与锚杆黏结力就越大,拉拔过程中轴力衰减得也越快,所以在同一深度土体黏聚力和内摩擦角越大轴力就越小。另一方面,从图11、图12中也可看出,杆体轴力在土体黏聚力增加到20 kPa以上,内摩擦角达到24°以上时,对锚杆轴力分布影响逐渐降低,远不及拉拔荷载对锚杆传递范围的影响。其原因是,土体抗剪强度与土体黏聚力和内摩擦角有关,随着土体黏聚力和内摩擦角增加,土体抗剪强度增加,与锚杆之间的摩擦力也会增加,但是当锚杆和土体发生相对滑动时,锚杆与土体之间的黏结力以机械咬合力为主,因此,当土体黏聚力和内摩擦角增加到一定值时,对锚杆轴力分布影响就会降低。

图11 不同土体黏聚力下轴力的分布曲线

3.2.4 不同因素对锚杆轴力传递范围的影响

为探明各影响因素对GFRP锚杆轴力分布的作用大小,通过对不同参数进行比例代换[16],具体情况如表3所示,再根据换算之后的比例得到不同因素对轴力传递范围的影响曲线,如图13所示。据图13所知,拉拔荷载曲线的作用范围和曲线斜率最大,而内摩擦角和黏聚力影响相对较小。因此,在对GFRP锚杆进行设计时,若要保证GFRP锚杆作为支护结构的安全性,主要的是确定锚杆所承受的荷载,再根据内摩擦角和黏聚力的变化对锚杆尺寸进行适当改进。

表3 不同影响因素的取值

图13 不同因素对锚杆轴力传递范围的影响

3.3 讨论

通过现场拉拔试验和数值分析研究了拉拔过程中GFRP锚杆的应力分布规律,为探究GFRP锚杆作为支护结构应用于基坑工程的可行性,需保证锚杆在锚固过程中能够承受预定的荷载。根据前述研究可知,不同上覆压力虽会影响GFRP锚杆在不同区域的受力特征,但对其应力分布范围基本没有影响,此外,土体参数的变化对锚杆应力分布的影响程度也不明显,因此,在基坑支护中,影响GFRP锚杆主要使用性能的因素为GFRP锚杆的极限拉拔力。

通过现场测试分析及大量调研表明,影响GFRP锚杆现场使用性能的极限拉拔力为其锚杆锚具,选择合适的锚具能使锚杆充分发挥其抗拉强度高的特点[17]。目前现场使用的GFRP锚具如图14(a)所示。

室内锚具测试如图14所示。首先测试了目前使用的非金属锚具,测试结果表明其最大问题是夹持力不够,由其破坏形态可看出[图15(a)]在荷载缓慢接近106 kN时,锚具从中心孔洞开始发展,最后形成了一条贯穿的裂缝。破坏时的荷载并未满足工程要求,整个测试试验以锚具破坏告终[图15(a)]。

图14 不同锚具的锚固力测试

金属锚具面临的问题是夹持力太高,导致锚杆并未完全发挥出其抗拉特性时便破坏了。虽然使用金属锚具,锚固力提高到了145 kN,但是根据破坏形态可看出,在接近破坏荷载时,GFRP锚杆就开始因锚具挤压产生了沿锚杆长度方向的裂纹[图15(b)]。基于金属锚具,本文首先分析了锚具失效的原因为：当锚具或者GFRP锚杆在张拉过程中开始产生裂缝时,随着张拉力增加,裂缝不断扩张,锚具与锚杆之间的夹持力将逐渐减少,最后,锚杆便从锚具中滑脱出去。针对锚具失效原理,设计了新型一种新型的锚具,通过测试表明其锚固力超过了250 kN,且在张拉过程中,锚具和GFRP锚杆基本没有损伤[图15(c)],与常见的锚具相比,新型锚具更适合在GFRP锚杆中使用,具有良好的工程应用价值。

图15 GFRP锚杆破坏形态

4 结论

通过现场拉拔试验,室内试验和数值分析相结合的手段,研究了GFRP锚杆的应力分布规律,分析了影响锚杆轴力传递范围的各种因素,再针对主要影响因素进行了讨论,得到以下结论。

(1)GFRP锚杆在拉拔过程中,轴力沿锚杆杆体呈指数型衰减,最后趋近于0,存在一个临界锚固深度,大部分轴力作用范围为0～4 m。通过模拟探究了GFRP锚杆在不同荷载作用下的杆体轴力的分布规律,发现轴力分布范围扩大的速率远小于拉拔荷载增加的速率,当荷载增加到极限荷载的50%时,应力分布范围便趋近于最大传递距离。在实际工程中,可根据这个规律预估不同拉拔荷载作用下GFRP锚杆的轴力分布范围,也可作为锚杆设计的参考。

(2)GFRP锚杆剪应力分布具有峰值点,大致位于离端口0.5 m处,最大剪应力峰值为2.27 MPa,剪应力发挥的主要区间为0.5～3.5 m。

(3)当增加上覆压力时,GFRP锚杆会呈现出两端受拉,中间受压的现象,但上覆压力变化对锚杆轴力传递范围没有明显影响。

(4)在相同锚固深度,随黏聚力和内摩擦角不断增大,锚杆轴力不断减小,且当黏聚力和内摩擦角增加到一定值时,对锚杆轴力影响开始下降。

(5)通过对影响GFRP锚杆轴力传递范围的各种因素进行对比分析发现,拉拔荷载对轴力传递的影响最大。因此,针对这一主要因素进行了讨论,认为锚具是锚杆能否发挥出其强抗拉特性关键因素,通过对比常见锚具和本文设计的新型锚具,探讨了锚具失效的机理并且展现了新型锚具良好的工程应用价值。