GFRP土釘多尺度力學(xué)性能及錨固支護(hù)工程應(yīng)用研究.pdf

1、作為國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的綠色環(huán)保錨固材料，玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（GFRP）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，能夠合理替代鋼筋解決復(fù)雜工程地質(zhì)問(wèn)題，正逐漸用于公路邊坡、基坑開(kāi)挖、礦山、隧道支護(hù)中，成為復(fù)合材料及錨固工程領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。
　　GFRP材料是一種多相材料，其力學(xué)性能和失效機(jī)制與組分相的性能、配比以及宏觀尺寸等因素密切相關(guān)。并且GFRP材料性能參數(shù)通常通過(guò)宏觀力學(xué)試驗(yàn)獲取，無(wú)法得知與增強(qiáng)相尺寸同一量級(jí)的細(xì)觀尺度上的應(yīng)力、應(yīng)

2、變場(chǎng)。采用多尺度研究手段分析GFRP筋在受力過(guò)程中的微觀破壞機(jī)理，以及與宏觀結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的關(guān)聯(lián)，將有助于研究其損傷的形成及裂紋擴(kuò)展機(jī)理。而與力學(xué)性能同等重要的需求便是耐久性能。鋼筋用于錨固工程中常因復(fù)雜的巖土環(huán)境而腐蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力降低甚至失效，并造成周邊環(huán)境污染。目前GFRP筋在巖土工程中多為嘗試性應(yīng)用，對(duì)其耐久性的研究成果還不足以提供足夠的信心替代鋼材。因此，為了探究 GFRP土釘用于錨固工程中對(duì)環(huán)境變化的抵抗能力以及長(zhǎng)期使用

3、的性能表現(xiàn)，需要對(duì)其在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下（堿、鹽）的耐久性能進(jìn)行研究。GFRP為非均質(zhì)、各向異性材料，不能完全套用鋼筋的現(xiàn)有理論來(lái)直接分析GFRP筋的粘結(jié)錨固性能。并且筋體在巖土工程中所受上覆壓力影響其與錨固體的粘結(jié)，尤其是對(duì)于模量較低的GFRP筋影響更大。因此，研究砂漿約束條件對(duì)GFRP筋錨固性能的影響將更加具有實(shí)用意義。
　　本文從工程適用性角度出發(fā)，考慮GFRP材料替代鋼筋用作土釘，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值仿真和示范工程測(cè)試

4、相結(jié)合的研究手段，開(kāi)展GFRP筋多尺度力學(xué)性能研究、復(fù)雜工程地質(zhì)環(huán)境下GFRP土釘耐久性及其壽命預(yù)測(cè)研究以及砂漿約束條件對(duì)GFRP筋錨固性能影響研究，為GFRP筋在錨固支護(hù)工程中應(yīng)用解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)本文研究主要獲得以下幾方面結(jié)論：
　?。?）GFRP桿體多尺度力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果得到：從表觀裂紋的形成、內(nèi)部組分的粘結(jié)情況以及拉伸試驗(yàn)中應(yīng)變變化均能反映材料的損傷發(fā)展，并且它們之間也存在一定的關(guān)聯(lián)；聚乙烯基桿體中基體的應(yīng)力傳遞效果要優(yōu)于

5、不飽和聚酯基桿體，有更好的斷裂韌性；在同一應(yīng)力水平下，不飽和聚酯基桿體漸進(jìn)損傷程度要高于聚乙烯基桿體；循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)定量的反應(yīng)了桿體的損傷累積情況，不飽和聚酯基桿體在較大荷載作用下產(chǎn)生的殘余應(yīng)變更大，且GFRP桿體在循環(huán)加載作用下抗拉強(qiáng)度均降低10％左右。
　?。?）腐蝕環(huán)境下 GFRP桿體的力學(xué)性能均有不同程度的降低，其中堿性環(huán)境對(duì)GFRP桿體的影響比鹽溶液環(huán)境要大；不飽和聚酯基桿體對(duì)腐蝕環(huán)境的抵抗能力要明顯低于聚乙烯基桿體。采用

6、Arrhenius模型對(duì)腐蝕環(huán)境下GFRP材料的壽命預(yù)測(cè)得出，經(jīng)過(guò)1000天弱堿環(huán)境（pH=10）浸泡，聚乙烯基桿的強(qiáng)度依然有將近50%的強(qiáng)度，強(qiáng)度衰減速率整體呈遞減趨勢(shì)。
　?。?）考慮砂漿約束條件的室內(nèi)試驗(yàn)研究得到：?jiǎn)未渭虞d時(shí)，強(qiáng)玉樹(shù)條件下極限拉拔力相對(duì)于無(wú)約束條件提高了77%，錨固深度從0.6m增長(zhǎng)到1.0m；強(qiáng)約束條件下，環(huán)向施加的約束有效提高了砂漿的剪切強(qiáng)度，并且部分砂漿發(fā)生剪切破壞后能夠繼續(xù)承受荷載作用，且GFRP桿體

7、用作土釘有較充足的強(qiáng)度儲(chǔ)備。
　?。?）通過(guò)GFRP土釘?shù)默F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究得到：GFRP土釘加固邊坡取得了較好支護(hù)效果，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)提高了26.8%；依照基坑支護(hù)規(guī)范計(jì)算得到桿體的拉拔力遠(yuǎn)低于材料自身所能承受的極限荷載，且 GFRP土釘相比與鋼筋強(qiáng)度儲(chǔ)備更高；4根GFRP土釘?shù)睦卧囼?yàn)說(shuō)明，按照鋼筋土釘計(jì)算得到的軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值評(píng)估GFRP土釘是偏保守的；土釘能夠有效分擔(dān)土體荷載，并且間距越密分擔(dān)效果越均勻，土釘性能參數(shù)以及拉拔過(guò)程是