劉 學(xué) 軍

(廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007)

0 引言

CFRP是英文Carbon Fiber Reinforced Polymer的簡(jiǎn)寫，中文是碳纖維增強(qiáng)聚合物；GFRP是英文Glass Fiber Reinforced Polymer的簡(jiǎn)寫，中文是玻璃纖維增強(qiáng)聚合物，二者都是輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料,但在基坑或邊坡支護(hù)中，兩種材料做成的錨桿目前應(yīng)用不多，主要原因在于工程人員對(duì)傳統(tǒng)的支護(hù)材料的性能和設(shè)計(jì)、施工工藝熟悉，另外，對(duì)FRP類材料錨桿替代鋼材錨桿的研究不多，經(jīng)驗(yàn)較缺乏。有必要對(duì)該類材料在支護(hù)工程中的應(yīng)用多加試驗(yàn)和對(duì)比研究，特別是膨脹土地區(qū)邊坡，各種支護(hù)形式在各方面的效果差別較大，對(duì)比研究有利于找到經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全更加合理的支護(hù)形式[1-3]。

1 試驗(yàn)場(chǎng)地及方案

1.1 場(chǎng)地條件選擇

為了研究方便并使實(shí)驗(yàn)具有一定的代表性，選擇本市郊外某開挖不久的膨脹土邊坡，坡體長(zhǎng)度約30 m，高約5.5 m～6.0 m，坡度約76°。從中選擇一段長(zhǎng)度為3.9 m，平均高度為5.7 m的土坡，該段膨脹土坡的土層分布及其物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 場(chǎng)地土層分布及其物理力學(xué)性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案制定

為了獲得具有可比性的研究結(jié)果，在上述所選的3.9 m長(zhǎng)度范圍沿縱向布置兩個(gè)尺寸相同區(qū)域，一個(gè)區(qū)域?yàn)镃FRP錨桿群，另一區(qū)域?yàn)镚FRP錨桿群。兩區(qū)域中的錨桿按照矩形間距布置，錨桿水平間距為1.3 m，沿坡向間距1.6 m；錨桿直徑均為32 mm；砂漿中的水泥等級(jí)均為42.5 MPa。錨桿布置示意圖如圖1所示，錨桿長(zhǎng)均為6 m，其中錨固段長(zhǎng)度3.5 m，自由段長(zhǎng)度2.5 m。

為描述方便，對(duì)圖1的錨桿進(jìn)行研究時(shí)，以某編號(hào)表示某錨桿，例如，“C1”表示CFRP錨桿群中的1號(hào)錨桿，“G1”表示GFRP錨桿群中的1號(hào)錨桿，其余桿件的編號(hào)依此類推。在加載過程中，對(duì)錨固段中點(diǎn)應(yīng)力和自由段中點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行記錄，兩次均在彈性階段，一次在破壞階段；在加載結(jié)束導(dǎo)致錨桿破壞時(shí)，記錄錨桿最終變形。采用分布式光纖和應(yīng)力計(jì)測(cè)量錨桿的應(yīng)力變化，采用液壓千斤頂及壓力表、測(cè)力計(jì)、位移計(jì)進(jìn)行錨桿極限承載力試驗(yàn)，循環(huán)加載、卸載、加載，直至錨桿達(dá)到極限承載力而破壞。

2 CFRP錨桿與GFRP錨桿試驗(yàn)對(duì)比分析

2.1 錨桿彈性階段應(yīng)力對(duì)比研究

在拉伸試驗(yàn)過程中，當(dāng)處于彈性變形階段時(shí)，為了能夠進(jìn)行同條件對(duì)比，選擇各錨桿在彈性階段初期為5 mm時(shí)和彈性階段中期為10 mm時(shí)記錄整理得出相應(yīng)的應(yīng)力，見表2,表3。

表2 GFRP錨桿與CFRP錨桿應(yīng)力對(duì)比(變形5 mm) MPa

表3 GFRP錨桿與CFRP錨桿應(yīng)力對(duì)比(變形10 mm) MPa

如表2所示，在彈性階段的初期，錨固段中點(diǎn)應(yīng)力，四根GFRP錨桿的平均應(yīng)力比四根CFRP錨桿的平均應(yīng)力稍大，前者平均值為18 MPa，后者平均值為17 MPa，相差很??；對(duì)于自由段中點(diǎn)應(yīng)力而言有同樣結(jié)論。

如表3所示，在彈性階段的中期，錨固段中點(diǎn)應(yīng)力，四根GFRP錨桿的平均應(yīng)力與四根CFRP錨桿平均應(yīng)力，前者平均值為54.75 MPa，后者平均值為39.25 MPa，前者是后者的1.39倍；對(duì)于自由段中點(diǎn)應(yīng)力而言，前者平均值為128.25 MPa，后者平均值為95.5 MPa，前者平均值為后者平均值的1.34倍，GFRP錨桿應(yīng)力與CFRP錨桿應(yīng)力有較大差別。

2.2 錨桿極限位移對(duì)比研究

在拉伸試驗(yàn)過程中，當(dāng)處于破壞變形階段并且達(dá)到極限變形時(shí)，測(cè)得各錨桿的極限位移，見表4。

表4 GFRP錨桿與CFRP錨桿極限位移對(duì)比 mm

當(dāng)各錨桿受拉經(jīng)歷彈性階段、彈塑性階段和破壞階段，最后達(dá)到極限變形時(shí)，測(cè)得各錨桿的極限位移，從表4可以看出，各個(gè)GFRP錨桿極限位移平均值為84 mm，各個(gè)CFRP錨桿極限位移平均值為33 mm，前者與后者之比為2.55倍，差別顯著。

2.3 錨桿破壞階段極限應(yīng)力對(duì)比研究

在拉伸試驗(yàn)過程中，當(dāng)處于破壞階段時(shí)，將各錨桿在極限變形時(shí)對(duì)應(yīng)的受拉應(yīng)力記錄整理得出表5所示結(jié)果。

表5 GFRP錨桿與CFRP錨桿極限應(yīng)力對(duì)比 MPa

如表5所示，在破壞階段，與極限變形對(duì)應(yīng)的錨固段中點(diǎn)應(yīng)力，四根GFRP錨桿的平均應(yīng)力為139 MPa，四根CFRP錨桿平均應(yīng)力為95 MPa，前者是后者的1.46倍；對(duì)于自由段中點(diǎn)應(yīng)力而言，前者平均值為266.25 MPa，后者平均值為186.75 MPa，前者平均值為后者平均值的1.43倍。破壞階段極限應(yīng)力與承載力設(shè)計(jì)值有緊密關(guān)系，通過兩類錨桿破壞階段極限應(yīng)力的比較，可以預(yù)知兩類錨桿承載力設(shè)計(jì)值的大小差別，即GFRP錨桿的承載力設(shè)計(jì)值與CFRP錨桿有較大差別。

3 結(jié)語

結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果及分析可知，在彈性階段的初期，GFRP錨桿與CFRP錨桿的應(yīng)力差別很小，在彈性階段的中期，GFRP錨桿與CFRP錨桿的應(yīng)力差別較大，如果按照保守概念來設(shè)計(jì)，只考慮在正常使用極限狀態(tài)，從力學(xué)效果而言GFRP錨桿優(yōu)于CFRP錨桿；GFRP錨桿在破壞階段的極限位移比CFRP錨桿顯著增大，如果按照極限承載力概念來設(shè)計(jì)，考慮承載力極限狀態(tài)，從大變形預(yù)警效果而言GFRP錨桿優(yōu)于CFRP錨桿；GFRP錨桿與CFRP錨桿的破壞階段極限應(yīng)力差別較大，如果按照極限承載力概念來設(shè)計(jì)，考慮承載力極限狀態(tài)，從力學(xué)效果而言GFRP錨桿優(yōu)于CFRP錨桿。另外，錨固段中點(diǎn)應(yīng)力與自由段中點(diǎn)應(yīng)力不同是因?yàn)殄^固段與土體之間有砂漿粘結(jié)從而形成錨桿、砂漿、土體三者整體受力效應(yīng)，錨桿錨固段中點(diǎn)分擔(dān)應(yīng)力較小。