付宏淵， 陳長睿， 陳昌富， 劉曉明， 林宇亮， 劉鎮(zhèn)， 盧自立 吳定略， 胡紅波， 張紅日， 駱俊暉， 張靜波0

(1.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114； 2.長沙理工大學 土木工程學院； 3.湖南大學 土木工程學院； 4.中南大學 土木工程學院；5.中山大學 土木工程學院； 6.保利長大工程有限公司；7.長沙市公路橋梁建設有限責任公司； 8.廣西交科集團有限公司；9.廣西北投交通養(yǎng)護科技集團有限公司；10.中交第二公路勘察設計研究院有限公司)

錨固邊坡內部孔隙水中存在大量的Cl-、OH-、Al3+、H+等游離態(tài)離子。這些游離態(tài)離子可通過錨桿周圍水泥漿體中的毛細孔隙滲入到錨桿表層，使錨桿產生腐蝕，削弱其錨固效果，甚至會導致錨桿失效，最終誘發(fā)錨固邊坡失穩(wěn)。因此，開展不同腐蝕條件下錨桿的腐蝕行為研究對錨固邊坡穩(wěn)定性分析和壽命預測具有重要意義。

針對錨桿的腐蝕行為，國內外學者開展了大量研究。余波等對混凝土試件中的鋼筋進行了加速腐蝕試驗，研究了均勻和非均勻腐蝕下鋼筋的應力應變關系，指出力學性能隨腐蝕程度的增加而逐漸降低；Wenjun Zhu等采用圓錐和銑刀對鋼筋進行打孔破壞模擬腐蝕產生的點蝕和均勻腐蝕，指出腐蝕形貌和腐蝕程度對鋼筋的力學性能有著顯著的影響；Y.G.Du等研究了腐蝕導致鋼筋延展性降低的機理和程度，指出鋼筋的延展性隨著腐蝕程度的加深而降低。研究表明鋼筋的腐蝕極易導致其力學性能降低，但這些研究多討論單一影響因素下鋼筋的腐蝕行為，尚未涉及多因素作用下錨桿的腐蝕行為。

實踐表明：錨桿在服役過程中所處環(huán)境復雜，影響因素眾多。為探究多因素作用下錨桿的腐蝕行為，李富民等采用錨桿試件模擬圍巖約束條件下錨桿的腐蝕，發(fā)現化學腐蝕為錨桿的主要腐蝕方式；Bo Wang等利用自行研制的錨桿應力腐蝕試驗裝置，研究了不同工作應力、腐蝕環(huán)境和腐蝕時間下錨桿的性能，發(fā)現腐蝕時間對錨桿的腐蝕作用最為顯著；王金超結合室內試驗和現場調查，研究了錨桿的腐蝕影響因素，結果表明弱腐蝕環(huán)境下，氧含量為主要的腐蝕影響因素。但這些研究主要通過室內模擬試驗來研究錨筋的力學性能損傷、腐蝕行為、腐蝕影響因素等多個方面，關于不同腐蝕時間和Cl-濃度下錨筋的力學性能損失規(guī)律及錨固邊坡穩(wěn)定性研究尚處于起步階段。

該文通過開展離子腐蝕試驗和拉伸試驗，定量研究不同Cl-濃度和腐蝕時間作用下錨筋的腐蝕速率與力學性能演化規(guī)律，并通過Geo-Studio進行不同腐蝕程度下錨固邊坡穩(wěn)定性分析，得到腐蝕時間和離子濃度對錨固邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 試驗步驟

1.1 材料選取

試驗采用φ10 mm的HRB400鋼筋模擬錨桿試件，共設計5組。根據試驗標準，確定鋼筋的原始標距為50 mm，采用切割機將鋼筋切割成長度為10 cm的試件。鋼筋酸洗液采用HFT-828除銹劑，pH值為2～3。梁新亞等指出碳鋼的腐蝕隨Cl-濃度的增加而呈增加的趨勢，在Cl-濃度為3.2%時達到最大腐蝕速率，所以該文采用分析純NaCl和去離子水配置的腐蝕溶液Cl-濃度為1.0%、2.0%、3.0%，依此來探究錨桿在Cl-環(huán)境中由腐蝕導致的強度退化規(guī)律。清洗溶液采用乙醇和去離子水。

1.2 腐蝕試驗

沿海地區(qū)土體中的主要腐蝕性離子為Cl-，該文采用Cl-溶液模擬錨固邊坡的腐蝕環(huán)境。首先采用除銹劑對鋼筋樣品進行酸洗，乙醇、去離子水沖洗后烘干稱重，得到腐蝕前重量m0，采用尼龍自鎖扣帶將鋼筋標記并吊入Cl-濃度分別為1.0%、2.0%、3.0%腐蝕溶液中，腐蝕時間為1～5個月，每隔一個月將鋼筋取出，采用乙醇、去離子水沖洗除去表面銹蝕產物，烘干后稱重，得到腐蝕后的質量mf，根據式(1)計算鋼筋單位質量腐蝕率：

(1)

式中：η為單位質量腐蝕率；mf為腐蝕后鋼筋質量(g)；m0為腐蝕前鋼筋質量(g)。

1.3 拉伸試驗

為精確描述鋼筋腐蝕后的應力損失規(guī)律，采用微機控制電子萬能試驗機WDW-100C對腐蝕后的鋼筋進行拉伸試驗，拉伸試樣的原始標距L0=50 mm,橫截面積A0=78.5 mm2，將試驗得到的荷載-位移曲線按式(2)、(3)轉換為名義應力-應變曲線：

(2)

(3)

式中：σ為鋼筋的名義應力(MPa)；F為拉伸試樣受到的荷載(kN);A0為拉伸試樣的橫截面面積(mm2)；ΔL為試驗測得的位移(mm)；L0為拉伸試樣的原始標距(mm)。

1.4 錨固邊坡穩(wěn)定性分析

錨桿在邊坡支護前期由于土壤中游離態(tài)的離子通過水泥漿體的毛細孔隙接觸到錨筋使錨筋產生腐蝕，腐蝕產物不斷在錨筋周圍積累，在銹脹力和巖土體蠕變等因素的作用下，桿體周圍的水泥砂漿會產生膨脹甚至開裂，使錨筋完全暴露在腐蝕環(huán)境中。因水泥漿體開裂前錨筋的腐蝕速率較小，該文主要研究錨桿周圍水泥砂漿開裂后錨固邊坡的穩(wěn)定性。錨桿依靠錨固段在穩(wěn)定地層中提供的摩擦力作為邊坡的抗滑力，該文在此基礎上假定錨固段的摩擦力遠大于鋼筋的強度，優(yōu)先考慮錨桿的張拉破壞，采用Geo-Studio軟件中的Slope/W模塊對錨固邊坡進行穩(wěn)定性分析，計算模型長30 m，高20 m，坡腳為55°，計算條塊數量為30塊，邊坡土體為鹽漬土，土體材料定義為彈塑性體，滿足摩爾庫侖強度準則。穩(wěn)定性分析方法為Bishop法，采用直徑為10 mm的HRB400鋼筋對該邊坡進行支護。建立如圖1所示邊坡模型。

圖1 邊坡模型

2 試驗結果分析

2.1 不同腐蝕條件對錨桿單位質量腐蝕率的影響

2.1.1 腐蝕時間與單位質量腐蝕率的關系

圖2為不同Cl-濃度下單位腐蝕率隨腐蝕時間的變化關系，擬合曲線的相關系數分別為0.992、0.992、0.996，說明不同Cl-濃度下錨桿的腐蝕速率呈線性變化，可以采用一次函數進行表示。

圖2 錨桿單位質量腐蝕率與腐蝕時間的關系

由圖2可知：隨著腐蝕時間的增長單位腐蝕率逐漸升高。腐蝕時間為5個月，Cl-濃度為3.0%時，單位質量腐蝕率增幅為3.96%；腐蝕時間為1個月，Cl-濃度為3.0%時，單位質量腐蝕率增幅為0.57%，可見腐蝕時間對錨桿單位質量腐蝕率的影響較為明顯。造成上述現象的原因是Cl-在腐蝕過程中會不斷破壞錨筋表面的鈍化膜，促使腐蝕過程持續(xù)進行，導致腐蝕速率隨腐蝕時間的增加而逐漸增加。同時隨著Cl-濃度的增加，單位質量腐蝕率的增幅也逐漸增大，因此Cl-濃度也是錨桿腐蝕過程的重要影響因素之一。

2.1.2 氯離子濃度與單位質量腐蝕率的關系

Cl-濃度是錨桿腐蝕過程的重要影響因素之一，圖3為不同腐蝕時間下Cl-濃度與單位質量腐蝕率之間的關系。

圖3 不同腐蝕時間下Cl-濃度與單位質量腐蝕率的關系

由圖3可知：腐蝕5個月，Cl-濃度為3.0%時，單位質量腐蝕率為3.96%，而Cl-濃度為1.0%時，單位質量腐蝕率為1.48%。隨著Cl-濃度的增加會加劇Cl-對鈍化膜的侵蝕過程，加速腐蝕反應的發(fā)生，因此隨著氯離子濃度的增加，腐蝕速率也逐漸增加。由數據對比可知Cl-濃度對單位質量腐蝕率的影響小于腐蝕時間的影響。

2.2 不同腐蝕條件對錨桿力學性能的影響

2.2.1 腐蝕時間與力學性能的關系

圖4為不同Cl-濃度時鋼筋腐蝕的名義應力-應變曲線。

由圖4可知：隨著腐蝕時間的延長，錨筋的名義應力-應變曲線依舊保持4個階段。彈性階段：彈性模量保持不變，鋼筋的彈性模量只與其材料類型有關，其受腐蝕的影響較小。屈服階段：屈服強度逐漸降低，屈服平臺逐漸縮短，如圖5所示，腐蝕時間為1～5個月：Cl-濃度為3.0%時，屈服強度降幅為24.0%；Cl-濃度為2.0%時，屈服強度降幅為15.7%；Cl-濃度為1.0%時，屈服強度降幅為11.3%，可見屈服強度受腐蝕時間的影響較大。應變硬化階段：應變硬化階段對應的應變逐漸減少，極限強度逐漸降低，如圖6所示，腐蝕時間為1～5個月：Cl-濃度為3.0%時，極限強度下降了22.4%；Cl-濃度為2.0%，極限強度下降了14.8%；Cl-濃度為1.0%，極限強度下降了8.7%，腐蝕時間對極限強度的影響較為明顯。頸縮階段：斷裂應變逐漸減小，鋼筋延性逐漸降低。產生上述現象的原因是由于腐蝕時間的延長，單位質量腐蝕率逐漸增加，錨筋產生孔蝕導致錨筋的有效截面積減小，且在有效截面上由于孔蝕的發(fā)生易產生銳邊角導致應力集中，使錨筋由塑性變形轉變?yōu)榇嘈云茐模瑥姸冉档汀?/p>

圖4 不同Cl-濃度環(huán)境中鋼筋腐蝕的名義應力-應變曲線

圖5 不同Cl-濃度下錨桿屈服強度與腐蝕時間的關系

圖6 不同Cl-濃度下鋼筋極限強度與腐蝕時間的關系

2.2.2 Cl-濃度與錨桿力學性能的關系

由前文分析可知：Cl-濃度作為錨桿腐蝕行為的重要影響因素，其對錨筋力學性能的具體影響如圖7、8所示。

圖7 不同腐蝕時間下錨桿屈服強度與Cl-濃度的關系

由圖7可知：同一腐蝕時間下錨筋的屈服強度隨著Cl-濃度的增加而逐漸減??；腐蝕時間為5個月，隨Cl-濃度的增加，錨筋的屈服強度降幅為19.1%，腐蝕時間為1個月，隨Cl-濃度的增加，錨筋屈服強度的降幅為5.7%。由圖8可知：相同腐蝕時間下錨桿極限強度隨Cl-濃度的升高而降低；腐蝕5個月，隨著Cl-濃度的增加，錨筋極限強度降幅為16.3%，腐蝕1個月，隨著Cl-濃度的增加，錨筋極限強度降幅為1.5%?？梢奀l-濃度對錨筋力學性能的影響要小于腐蝕時間的影響。造成上述現象的原因是，Cl-濃度增加，錨筋的腐蝕程度增加，錨筋的有效截面減小，且易產生應力集中導致錨桿力學性能下降。

圖8 不同腐蝕時間下錨桿極限強度與Cl-濃度的關系

3 邊坡穩(wěn)定性分析

根據該文假定，錨桿的錨固力由錨筋的抗拉強度表示。錨桿在邊坡支護中，通過錨固力為邊坡土體提供抗滑力。錨筋由于腐蝕導致其力學性能降低，錨桿提供的錨固力下降，由于土體本身提供的抗滑力和下滑力保持不變，而此時錨固力提供的抗滑力下降所以導致邊坡穩(wěn)定性系數下降。通過軟件模擬確定的邊坡最危險滑動面如圖9所示，穩(wěn)定性系數為0.978。錨桿支護后的邊坡穩(wěn)定性系數為1.119。

圖9 最危險滑動面位置

該文已通過試驗得出鋼筋在不同Cl-環(huán)境下腐蝕不同時間的極限強度，根據試驗結果依次模擬出不同Cl-環(huán)境下腐蝕不同時間的邊坡穩(wěn)定性系數。

3.1 腐蝕時間對邊坡穩(wěn)定性系數的影響

不同Cl-環(huán)境下錨固邊坡穩(wěn)定性系數與錨筋腐蝕時間的關系如圖10所示，兩者的關系符合線性變化，可以采用一次函數進行表示。錨固邊坡穩(wěn)定性系數隨腐蝕時間的增長呈線性降低，腐蝕1～5個月：Cl-濃度為3.0%，由錨桿提高的穩(wěn)定性系數下降了19.1%，Cl-濃度為1.0%，由錨桿提高的穩(wěn)定系數降幅為6.4%。

圖10 不同Cl-濃度下錨固邊坡穩(wěn)定性系數與腐蝕時間的關系

3.2 Cl-濃度對邊坡穩(wěn)定性系數的影響

不同腐蝕時間下錨固邊坡穩(wěn)定性系數隨Cl-濃度的變化關系如圖11所示，相同腐蝕時間下錨固邊坡穩(wěn)定性系數隨Cl-濃度的升高呈線性降低，但腐蝕初期錨固邊坡穩(wěn)定性系數變化不大，且存在一定的離散性，但隨著腐蝕時間的增長，離散性逐漸降低。腐蝕時間為1個月：隨Cl-濃度的增大，錨桿提高的穩(wěn)定性系數降幅為11.3%，腐蝕時間為5個月，隨Cl-濃度的增大，錨桿提高的穩(wěn)定性系數降幅為0.7%。

圖11 不同腐蝕時間下錨固邊坡穩(wěn)定性系數與Cl-濃度的關系

4 結論

將鋼筋作為研究對象，研究其在不同腐蝕環(huán)境和不同腐蝕時間下的腐蝕規(guī)律，并將其應用到錨固邊坡穩(wěn)定性分析過程中，得出以下結論：

(1) 不同腐蝕時間及Cl-濃度與錨筋單位質量腐蝕率呈正相關。腐蝕時間對錨筋腐蝕速率的影響大于Cl-濃度。

(2) 不同腐蝕時間及Cl-濃度與錨筋的力學性能呈反相關。錨筋的屈服強度、極限強度均隨腐蝕時間和Cl-濃度的增加而逐漸降低。腐蝕時間對力學性能的影響大于Cl-濃度。腐蝕時間為錨桿腐蝕主要的影響因素。

(3) 通過Geo-Studio軟件模擬了不同腐蝕程度錨桿的力學性能變化對錨固邊坡穩(wěn)定性的影響，得出不同腐蝕時間及Cl-濃度與錨固邊坡穩(wěn)定性系數呈反相關。