GFRP土釘多尺度力學性能及錨固支護工程應用研究.pdf

1、作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的綠色環(huán)保錨固材料，玻璃纖維增強樹脂基復合材料（GFRP）具有輕質、高強、耐腐蝕等優(yōu)點，能夠合理替代鋼筋解決復雜工程地質問題，正逐漸用于公路邊坡、基坑開挖、礦山、隧道支護中，成為復合材料及錨固工程領域研究熱點。
　　GFRP材料是一種多相材料，其力學性能和失效機制與組分相的性能、配比以及宏觀尺寸等因素密切相關。并且GFRP材料性能參數(shù)通常通過宏觀力學試驗獲取，無法得知與增強相尺寸同一量級的細觀尺度上的應力、應

2、變場。采用多尺度研究手段分析GFRP筋在受力過程中的微觀破壞機理，以及與宏觀結構力學響應的關聯(lián)，將有助于研究其損傷的形成及裂紋擴展機理。而與力學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雜的巖土環(huán)境而腐蝕，導致結構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用，對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環(huán)境變化的抵抗能力以及長期使用

3、的性能表現(xiàn)，需要對其在復雜地質環(huán)境下（堿、鹽）的耐久性能進行研究。GFRP為非均質、各向異性材料，不能完全套用鋼筋的現(xiàn)有理論來直接分析GFRP筋的粘結錨固性能。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，尤其是對于模量較低的GFRP筋影響更大。因此，研究砂漿約束條件對GFRP筋錨固性能的影響將更加具有實用意義。
　　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，通過室內試驗、理論分析、數(shù)值仿真和示范工程測試

4、相結合的研究手段，開展GFRP筋多尺度力學性能研究、復雜工程地質環(huán)境下GFRP土釘耐久性及其壽命預測研究以及砂漿約束條件對GFRP筋錨固性能影響研究，為GFRP筋在錨固支護工程中應用解決關鍵技術問題。通過本文研究主要獲得以下幾方面結論：
　?。?）GFRP桿體多尺度力學試驗結果得到：從表觀裂紋的形成、內部組分的粘結情況以及拉伸試驗中應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聯(lián)；聚乙烯基桿體中基體的應力傳遞效果要優(yōu)于

5、不飽和聚酯基桿體，有更好的斷裂韌性；在同一應力水平下，不飽和聚酯基桿體漸進損傷程度要高于聚乙烯基桿體；循環(huán)加載實驗定量的反應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生的殘余應變更大，且GFRP桿體在循環(huán)加載作用下抗拉強度均降低10％左右。
　?。?）腐蝕環(huán)境下 GFRP桿體的力學性能均有不同程度的降低，其中堿性環(huán)境對GFRP桿體的影響比鹽溶液環(huán)境要大；不飽和聚酯基桿體對腐蝕環(huán)境的抵抗能力要明顯低于聚乙烯基桿體。采用

6、Arrhenius模型對腐蝕環(huán)境下GFRP材料的壽命預測得出，經過1000天弱堿環(huán)境（pH=10）浸泡，聚乙烯基桿的強度依然有將近50%的強度，強度衰減速率整體呈遞減趨勢。
　?。?）考慮砂漿約束條件的室內試驗研究得到：單次加載時，強玉樹條件下極限拉拔力相對于無約束條件提高了77%，錨固深度從0.6m增長到1.0m；強約束條件下，環(huán)向施加的約束有效提高了砂漿的剪切強度，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度儲備。
　　（4）通過GFRP土釘?shù)默F(xiàn)場應用研究得到：GFRP土釘加固邊坡取得了較好支護效果，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)提高了26.8%；依照基坑支護規(guī)范計算得到桿體的拉拔力遠低于材料自身所能承受的極限荷載，且 GFRP土釘相比與鋼筋強度儲備更高；4根GFRP土釘?shù)睦卧囼炚f明，按照鋼筋土釘計算得到的軸向拉力標準值評估GFRP土釘是偏保守的；土釘能夠有效分擔土體荷載，并且間距越密分擔效果越均勻，土釘性能參數(shù)以及拉拔過程是