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原文传递基于高性能材料大型岩锚体系应用研究

论文题名：	基于高性能材料大型岩锚体系应用研究
关键词：	桥涵工程;岩锚结构体系;高性能材料;耐久性能
摘要：	岩锚结构通过调动和提高岩土体的自身承载能力和自稳能力对结构起到强化和加固作用，广泛应用于现代土木工程基础设施建设中。传统岩锚结构采用的钢材、普通水泥砂浆的耐腐蚀性能较差、材料强度较低，致使其耐久性及承载效率有时难以达到预期，因此，寻求一种更为有效、合理的岩锚结构具有重要意义。　　本文依托湖南省交通运输厅项目及矮寨大桥地锚吊杆岩锚工程，采用高级复合材料纤维增强塑料FRP(Fiber Reinforced Polymer/Plastic)筋和超高性能水泥基材料活性粉末混凝土RPC(Reactive Powder Concrete)及高致密超细颗粒均布材料 DSP(Densified Systems Containing homogeneously arranged ultrafineParticles)来分别构成岩锚结构的锚杆和锚固介质，开发了一种高效、耐久的岩锚结构体系并成功应用于矮寨特大桥地锚吊杆岩锚系统中，为工程的顺利修建特别是岩锚结构耐久性的保证提供了有效的技术解决方案。本文主要的研究内容及其相应的研究成果如下: 　　(1)研究了用于锚杆的CFRP筋、用于锚固介质的RPC、DSP的材料特性。经测试，国产带肋CFRP筋有效直径11.6mm，筋材核心部分截面积为106mm2，筋材的极限拉力为244kN，极限强度为2302MPa，弹性模量为146.2GPa;规格为1×7(φ)12.5mm的CFRP绞线筋外径12.5mm，极限拉力为194kN，极限强度为2558MPa，采用偏轴应变法测试得到绞线的弹性模量为157GPa。配合比试验证明，RPC材料的水胶比宜取不大于0.20，聚羧酸高效减水剂的掺量不应超过胶凝材料用量的2.0％;高性能岩锚灌浆材料DSP的水胶比应当控制在0.18～0.22，掺入1％的纳米级SiO2可提高其抗压强度值。养护条件试验中，超高性能水泥基材料经热水养护48h的强度可达120MPa。RPC经标准养护7d强度为热水养护48h的64.3％、地下自然养护7d强度为热水养护的54.5％; DSP经标准养护条件14d强度为热水养护48h的78.9％，地下自然养护14d平均抗压强度为热水养护的65.0％。　　(2)通过单根CFRP筋试件张拉试验，研究了CFRP筋与超高性能水泥基灌浆料的结合面粘结特性，获得了锚固体系各界面的粘结强度，提出了临界锚固长度的计算公式。采用强度为130MPa的RPC作为粘结介质锚固带肋CFRP筋，锚固区界面粘结强度为25MPa，临界锚固长度为23倍筋材直径;对CFRP绞线筋进行分散锚固、分散定位，锚固区界面粘结强度为20MPa，临界锚固长度为8.5倍筋材直径，采用分散锚固、末端合成一束定位，界面粘结强度为21MPa，临界锚固长度为8.2倍筋材直径，采用整束锚固，界面粘结强度为17MPa，临界锚固长度为23倍筋材直径，CFRP绞线筋分散粘结锚固方式能够显著提高锚固效率。通过工程现场拉拔试验、室内推出试验，测试了DSP、RPC与浆体与灰岩的界面粘结强度大于7.1～8.3MPa，与花岗岩的界面粘结强度达9.4～11.5MPa，远大于普通水泥注浆在相应结合面的粘结强度。　　(3)通过组装件模型、岩锚模型的张拉试验，研究了多束CFRP筋群锚结构的不均匀特性。试件TA12-9(2)存在不均匀性导致其在第一次加载过程中发生过早滑移破坏，说明不均匀性会影响群锚结构承载力，研究建立了不均匀系数的计算公式，通过W检验法验证了多根CFRP筋受力服从正态分布，从而建立了不均匀系数与结构承载力折减系数的关系。对比组装件、岩锚试件的不均匀性说明，群锚体系的CFRP筋越多，不均匀性越大，结构承载力越低;CFRP筋数量相同，筋束长径比（筋束长度与筋材直径之比）越长，结构承载力越低;此外，多束CFRP绞线筋群锚体系的不均匀性好于带肋CFRP筋群锚体系。因此，设计采用多束CFRP筋的群锚体系时，需考虑不均匀性引起的结构实际承载能力折减，增大设计安全系数的取值。　　(4)通过组装件张拉试验研究了群锚锚固端的粘结性能。群锚体系采用9根带肋CFRP筋作为预应力筋，130MPa的RPC作为粘结介质，筋材最小净距为一倍筋材直径(12mm)，采用未设置内壁倾角的锚筒，临界锚固长度为29倍筋材直径，而采用设置内壁倾角3°的锚筒，临界锚固长度为26倍筋材直径。对于粘结长度足够、锚固力充足的群锚锚固端如两组足尺模型TA12-20、TA12-9(1)，筋材的荷载-滑移曲线表现出锚固刚度随荷载增加而上升的情况，其原因在于多根筋材间的介质受到挤压、对相邻CFRP筋的压力变大，增加了筋材-灌浆料界面的粘结强度，导致筋材的滑移增量变小。　　(5)在工程现场设计制作了高性能岩锚结构足尺模型，通过张拉试验研究了其受力性能。在单调加载试验中，两组岩锚GA12-20、GA12-9在最大荷载下的的自由段弹性伸长分别为总位移的75.0％、80.5％，塑性位移为总位移的3.3％、2.5％;在循环加载试验中，弹性位移中75-80％为自由段杆体的弹性伸长，剩余25-20％为浆体、锚具以及岩体的弹性变形，塑性位移仅为总位量的5.3％、4.3％;在张拉全过程中，岩锚的位移值都在容许位移范围内变化，满足规范要求。在岩锚的粘结锚固区，两组岩锚地上段的粘结应力传递深度分别为500mm、400mm，地下段传递深度分别为2500mm、1500mm，小于或等于设计长度，说明各锚固长度设置存在富余。对两组岩锚锚固力进行了为期约460d的观测，两组岩锚锚固力损失率最终分别稳定在约3％、5％，杆体材料松弛、岩土体蠕变是影响岩锚锚固力长期变化的主要因素。
作者：	张旷怡
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	方志
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文