朱磊　張明義　白曉宇　王永洪　趙天楊

摘要：

通過現(xiàn)場拉拔破壞性試驗，測得不同直徑的GFRP抗浮錨桿在基礎底板內(nèi)的極限承載力和滑移量，并與實際工程中不同形式的鋼筋抗浮錨桿作比較，分析其承載性能和粘結(jié)特性。研究表明，在相同的混凝土強度與養(yǎng)護條件下，相同直徑的GFRP抗浮錨桿的極限承載力、平均粘結(jié)強度與鋼筋抗浮錨桿相比較高，且GFRP抗浮錨桿的變形能夠滿足實際工程需求，充分驗證了GFRP材料用作抗浮錨桿的先進性與合理性。基于試驗結(jié)果與理論分析，給出了GFRP抗浮錨桿與基礎底板的最佳錨固面積，并提出了計算公式。

關鍵詞：

GFRP抗浮錨桿；承載力；錨固性能；最佳錨固面積；平均粘結(jié)強度

中圖分類號：TU470

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2017）02010708

Abstract：

Through spot pullout destructive test， ultimate bearing capacity and slippage in the foundation slab of GFRP antifloating anchors with different diameter were monitored. Compared with some kinds of steel antifloating anchors in the actual engineering， their bearing performance and bond behavior were analyzed. The results showed that under the same strength and curing condition of the concrete， ultimate bearing capacity of GFRP antifloating anchor was larger than steel antifloating anchor with same diameter， the average bond strength between GFRP antifloating anchor and foundation slab was higher than the steel antifloating anchor， moreover the deformation of GFRP antifloating anchor can meet the engineering requirements， all of those fully verify that GFRP material as an antifloating anchor was advanced and reasonable. Based on the experimental results and theoretical analysis， the best anchoring area between GFRP anchor and foundation slab was determined， the computational formula was proposed.

Keywords：

GFRP antifloating anchor； bearing capacity； anchorage performance；the best anchoring area；the average bond strength

錨桿結(jié)構以其優(yōu)越的經(jīng)濟性和較高的可靠性，被廣泛應用于地下抗浮工程，特別是大型地下工程。建筑抗浮工程常位于地下水位以下，錨桿結(jié)構因受到地下水中酸、堿離子等的腐蝕作用，而不斷銹蝕、老化，致使其耐久性降低，進而影響建筑物的安全性[12]。玻璃纖維增強聚合物（GFRP）錨桿是近年來發(fā)展運用的新型材料錨桿，它具有抗拉強度高、抗腐蝕性能好、抗電磁干擾能力強及松弛性低等優(yōu)點[3]。由GFRP錨桿在腐蝕環(huán)境[4]、砂漿[56]和混凝土[79]中的諸多試驗研究結(jié)果可知，將其應用于抗浮工程中不僅可以從根本上解決建（構）筑物抗浮錨桿的耐久性問題，而且解決了地鐵等城市軌道交通建設項目中因雜散電流存在而不能使用抗浮錨桿的問題。

在相關抗浮錨桿研究試驗中，一般把抗浮錨桿與基巖的錨固段稱為內(nèi)錨固段，簡稱內(nèi)錨固；與混凝土基礎底板錨固段稱為外錨固段，簡稱外錨固[3]。GFRP錨桿在砂漿中試驗發(fā)現(xiàn)：GFRP抗浮錨桿錨固長度越長，極限承載力越大，其平均粘結(jié)強度越小[10]。但在抗浮錨桿外錨固段，因底板厚度有限，實際工程中，為提高其承載力，常常將鋼筋抗浮錨桿現(xiàn)場做彎折處理，但GFRP筋不易彎折，外錨固長度受到限制，所以，為提高外錨固段GFRP抗浮錨桿的承載力，可以通過增大錨桿直徑和加設螺母托盤的方式解決。白曉宇等[11]通過不同直徑的GFRP抗浮錨桿在砂漿中的拉拔試驗，得出在其他條件不變的情況下，錨桿直徑越大，其破壞荷載越大；郝慶多等[12]通過拉拔試驗，研究發(fā)現(xiàn)GFRP筋直徑越大，其在混凝土中的抗拉能力越強。劉漢東等[13]通過對直徑為10、13和15 mm的GFRP 錨桿試件在拉拔試驗機上進行試驗，研究了GFRP錨桿力學性能及應力應變關系。本文通過自行設計的原位拉拔試驗，比較實際工程中不同直徑抗浮錨桿外錨固段的抗拔承載力大小，探究GFRP錨桿與混凝土間的粘結(jié)性能與受力特性，深入了解GFRP抗浮錨桿外錨固段工作性質(zhì)，并與加設螺母托盤GFRP抗浮錨桿外錨固試驗進行比較[14]，進而達到工程中減少施工工序的目的；同時，與同尺寸的鋼筋抗浮錨桿拉拔試驗結(jié)果進行對比，為GFRP抗浮錨桿的深入研究與應用推廣提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)儲備。

1試驗參數(shù)及過程

1.1試驗參數(shù)

根據(jù)《混凝土結(jié)構試驗方法標準》（GB 50152—2012）[15]、《建筑基樁檢測技術規(guī)范》（JGJ 106—2014）[16]、《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ 120—2012）[17]，設計了GFRP抗浮錨桿和鋼筋抗浮錨桿外錨固現(xiàn)場拉拔試驗。試驗在青島市嶗山區(qū)某建筑工地內(nèi)進行，將各類抗浮錨桿澆筑、埋設在混凝土中，好比將工程中混凝土底板倒置，借助試驗拉拔測試裝置，獲取錨桿極限破壞荷載和上拔量。各錨桿樣式如圖1所示，各錨桿尺寸見表1，相應的試驗裝置示意圖如圖2。

1.2試驗材料

1.2.1GFRP抗浮錨桿試驗采用由南京某公司生產(chǎn)的GFRP抗浮錨桿，運用連續(xù)成型工藝，經(jīng)預成型、固化后而形成試驗要求的各尺寸抗浮錨桿。其外表面呈螺紋狀，主要成分為玻璃纖維和環(huán)氧樹脂，經(jīng)出廠測試，桿體密度為2.1 g/cm3，彈性模量41 GPa，極限抗拉強度675 MPa，極限抗剪強度150 MPa；桿體樹脂體積分數(shù)為25%，玻璃纖維體積分數(shù)為75%。

1.2.2鋼筋抗浮錨桿鋼筋抗浮錨桿所用鋼筋為直徑28 mm的三級螺紋鋼筋，屈服強度340 MPa，極限抗拉強度570 MPa，伸長率18%。，經(jīng)鋼筋切割機和彎曲機加工為試驗要求尺寸。

1.2.3混凝土底板在試驗場地，用挖掘機在已量測區(qū)域開挖基槽，基槽的尺寸：長度×寬度×深度為10 m×3 m×0.6 m；在基槽內(nèi)綁扎好試驗錨桿，并灌注強度等級為C30的商品混凝土來模擬基礎底板，養(yǎng)護28天后，測得同條件養(yǎng)護的邊長為150 mm的立方體試塊的抗壓強度為30.4 MPa。

1.3試驗裝置

試驗裝置為自行設計的非金屬抗浮錨桿拉拔裝置，如圖3所示。因GFRP筋材抗剪性能較差，需提前在加載端用結(jié)構膠粘結(jié)鋼套管對 GFRP 錨桿進行保護，為保證加載端能提供足夠的拉拔力，試驗所用鋼套管的尺寸與文獻[3]相同。試驗需測量桿體上拔量，在試驗裝置安裝前，將自行設計的位移測試裝置（半圓鋼管與角鋼焊接件）用結(jié)構膠對稱安裝在距混凝土面1 cm的錨桿位置，鋼筋抗浮錨桿則對稱焊接兩個角鋼即可，安裝完畢后，將精度為0.01 mm，量程為30 mm百分表豎直安裝在相應的位移測試裝置上，用于測量每級荷載作用下的錨桿的上拔位移量，見圖4、圖5。試驗拉拔力由已標定好的手動油壓千斤頂提供，其噸位為50 t、行程為20 cm。試驗各級荷載通過標定好的MGH500錨索測力計及GSJ2A型檢測儀（量程為500 kN，分辨率≤1 kN）進行測量。在試驗裝置最上端將穿心鐵塊牢固焊接在鋼套管上，用于提供錨固反力，鋼筋抗浮錨桿則直接焊接在鋼筋上即可。

1.4試驗加載

根據(jù)相關文獻規(guī)范[1618]，試驗采用分級、勻速加載方式，各級荷載為30 kN，荷載施加完畢每隔5 min讀取桿體上拔量，當每級荷載桿體上拔量變化在0.1 mm之內(nèi)，即可施加下一級荷載。當錨桿桿體破壞，桿體位移不收斂或錨桿位移增量過大時，可判定錨桿發(fā)生破壞，試驗結(jié)束。2試驗分析

2.1抗浮錨桿破壞形式及極限承載力

試驗各錨桿破壞形式如表2所示。

抗浮錨桿外錨固破壞形式主要有兩種：錨桿自身強度不足，桿體發(fā)生屈服破壞，當達到錨桿極限承載力時，桿體發(fā)生斷裂；混凝土與錨桿界面粘結(jié)強度較低，其界面發(fā)生剪切，當達到最大粘結(jié)強度時，錨桿與混凝土之間發(fā)生滑移破壞。試驗中GZD32M420、GZD28M420和SZD28M420這3種型號錨桿均發(fā)生滑移破壞，而對SWD28M420W420型號錨桿在距混凝土面大約7.5 cm處發(fā)生拔斷破壞。

2.1.1試驗破壞特征分析在GFRP抗浮錨桿拉拔過程中，當荷載加載到180～210 kN時，錨桿內(nèi)部纖維開始斷裂，桿體發(fā)生屈服，隨著加載的繼續(xù)進行，纖維絲斷裂聲越來越大且連續(xù)不斷，并伴有混凝土破碎的聲音，桿體相對于混凝土的位移量增大，當達到桿體的破壞荷載時，隨著“嘭”的一聲巨響，桿體發(fā)生滑移破壞，周圍混凝土發(fā)生破碎；對于直錨的鋼筋抗浮錨桿，在加載初始階段，試驗荷載上升較快，隨著加載繼續(xù)，荷載達到240～280 kN時，千斤頂加載困難，此時達到鋼筋屈服階段，且周圍混凝土出現(xiàn)“起皮”現(xiàn)象，隨著荷載持續(xù)增大，當?shù)竭_破壞荷載時，桿體發(fā)生滑移破壞；對于彎曲的鋼筋抗浮錨桿，當達到鋼筋屈服階段，桿體相對于混凝土滑移量增大，當加載到300 kN以后，桿體在接近混凝土表面位置直徑變小，隨著荷載達到極限值，錨桿瞬間發(fā)生斷裂，斷裂錨桿的自由端飛起，并打翻試驗測試裝置。各錨桿破壞形式見圖6～8。

2.1.2錨桿極限抗拔承載力分析從表2可以看出，在相同的試驗條件下，相同的錨固長度、不同直徑的GFRP抗浮錨桿，直徑越大，極限抗拔承載力越大；錨桿極限承載力的增大，主要是由于錨桿直徑增大，錨固段桿體與混凝土的接觸面積增大，混凝土與桿體之間可以形成較大的粘結(jié)力。試驗過程中，直徑大的GFRP抗浮錨桿與直徑小的相比，其極限承載力提高幅度為18.75%，張明義等[14]通過室內(nèi)對拉試驗，測得直徑28 mm、錨固長度為420 mm增設螺母托盤的GFRP抗浮錨桿極限承載力比直錨的GFRP抗浮錨桿的極限承載力提高24.19 %，比較兩者的極限承載力提高幅度發(fā)現(xiàn)：就錨桿的承載力而言，增加較小的GFRP抗浮錨桿直徑，其承載力增幅較大，可以取代螺母托盤的作用。對于相同錨固長度、相同直徑的GFRP抗浮錨桿和鋼筋抗浮錨桿，兩者極限承載力相差不大，但都小于彎曲處理后的鋼筋抗浮錨桿SWD28M420W420；對于GZD32M420與SWD28M420W420兩類抗浮錨桿，GFRP抗浮錨桿極限承載力略大一些，因此，GFRP抗浮錨桿可以替代鋼筋抗浮錨桿，能夠滿足實際工程的要求。另外，GZD32M420、GZD28M420和SZD28M420這3種型號錨桿均發(fā)生滑移破壞，說明在相應的破壞荷載作用下，各錨桿均未達到桿體材料本身的極限破壞狀態(tài)，還有相應的荷載儲備。

2.2試驗錨桿荷載與滑移量之間的關系

試驗測試裝置設置在錨桿自由段底部，高出混凝土面1～2 cm，所以，試驗百分表測出的位移量可以認為是抗浮錨桿相對于混凝土底板的滑移量。各類錨桿荷載與滑移量關系見圖9。

由圖9可知，在相同試驗條件下，同尺寸的GFRP抗浮錨桿的最終滑移量比鋼筋抗浮錨桿小，因鋼筋彈性模量較大，在加載初始階段，鋼筋抗浮錨桿滑移量較小，當達到屈服階段，滑移量劇增，超過GFRP抗浮錨桿，由此說明，相同條件下，GFRP材料與混凝土之間的粘結(jié)性能比鋼筋好。相同試驗條件的不同直徑的GFRP抗浮錨桿，錨桿直徑越大，其相對于混凝土滑移量越小，且在每一級荷載作用下，滑移變化量均小。究其原因，主要是GFRP抗浮錨桿直徑越大，與混凝土的接觸面積越大，在相同的荷載作用下，單位面積分擔的平均荷載越小，其粘結(jié)強度越大，因此，錨桿滑移量變化值較小。就鋼筋抗浮錨桿而言，埋入混凝土中越長的鋼筋抗浮錨桿，即彎折處理后的鋼筋抗浮錨桿，其滑移量較小，原因也是由于混凝土接觸面積較大所致。

由圖9還可以看出，GFRP抗浮錨桿與鋼筋抗浮錨桿荷載滑移曲線變化特征不同。GFRP抗浮錨桿變化曲線變化均勻，呈緩變型，且錨桿直徑越大，曲線斜率越小。在試驗加載初期，GFRP抗浮錨桿滑移量較小，而后變化量有所增加，但較均勻。而鋼筋抗浮錨桿荷載滑移曲線存在明顯的拐點；在加載初期，荷載滑移曲線呈線性分布，滑移量隨荷載的變化較小，約1～2 mm，當荷載達到240 kN時，曲線出現(xiàn)拐點，隨后，錨桿滑移量驟增，曲線出現(xiàn)明顯的陡降。由此可知，GFRP材料與混凝土的協(xié)同工作能力較鋼筋更強，能夠滿足實際工程的需要。

2.3平均粘結(jié)強度

在錨固長度較短的情況下，錨固界面上的剪應力可以認為是均勻的，將拉拔承載力除以錨桿與錨固混凝土的接觸面積所得到的值定義為錨桿與混凝土之間的平均粘結(jié)應力[1921]。根據(jù)相應的計算方法，計算各類型抗浮錨桿的平均粘結(jié)強度，比較其強度值如圖10所示。

由圖10可知，對于發(fā)生滑移破壞的不同直徑的GFRP抗浮錨桿，平均粘結(jié)強度相差不大；而相同破壞特征、相同直徑、不同材料的GZD28M420和SZD28M420兩種型號的錨桿，GFRP抗浮錨桿的平均粘結(jié)強度大于鋼筋抗浮錨桿，可以說明，GFRP材料與混凝土的粘結(jié)性能較好，主要由于GFRP材料與混凝土的彈性模量相近所致；對于SZD28M420與SWD28M420W420兩種鋼筋抗浮錨桿，錨桿伸入混凝土中的尺寸越大，其平均粘結(jié)性能越小，由兩種錨桿發(fā)生破壞方式不同也可證明，鋼筋抗浮錨桿錨固長度愈短，愈能發(fā)揮桿體與混凝土之間的粘結(jié)力。

因GZD32M420和GZD28M420兩種型號錨桿的平均粘結(jié)強度近似相等，破壞形式相同，也可說明當GFRP抗浮錨桿平均粘結(jié)強度達到錨桿與混凝土的極限粘結(jié)應力，卻未達到錨桿本身的屈服極限時，錨桿發(fā)生滑移破壞。結(jié)果表明，在極限拉拔荷載作用下，錨桿發(fā)生滑移破壞時的平均粘結(jié)強度為錨桿的極限平均粘結(jié)強度；當錨桿處于極限平均粘結(jié)強度下，增加材料與混凝土接觸面積，其最終的滑移破壞荷載會相應增加，當該值超過錨桿自身發(fā)生拉斷破壞荷載時，GFRP抗浮錨桿會發(fā)生拉斷破壞。在這里，可以定義，當GFRP抗浮錨桿最大滑移破壞荷載等于其拉斷破壞荷載時，GFRP抗浮錨桿與混凝土底板的接觸面積為最佳外錨固面積，它的取值與錨桿直徑和錨固長度有關。其相應的計算式為

A=P·A0/P0 （1）

式中：A為錨桿最佳外錨固面積，mm2；P為錨桿拉斷破壞時的荷載，kN；P0為錨桿滑移破壞時荷載，kN；A0為滑移破壞時，錨桿與混凝土底板的接觸面積，mm2。

GFRP材料為正交各向異性材料，其縱向和橫向的力學特性不同，所以以上分析只針對直錨形式的GFRP抗浮錨桿外錨固情況。

2.4平均粘結(jié)強度滑移量曲線分析

GFRP筋與混凝土的粘結(jié)特性的研究是GFRP抗浮錨桿的關鍵技術問題，GFRP筋與混凝土之間的粘結(jié)力可以實現(xiàn)錨桿與混凝土之間的荷載傳遞。因此，GFRP抗浮錨桿的平均粘結(jié)強度與滑移關系可以反映桿體與混凝土共同作用的機理。錨桿平均粘結(jié)強度與滑移曲線如圖11所示。

在錨桿受拉過程中，錨桿與混凝土之間的作用力主要由化學膠著力、機械咬合力、相互摩擦力組成。由圖11可知，GFRP抗浮錨桿與鋼筋抗浮錨桿粘結(jié)滑移曲線變化規(guī)律不同，GFRP抗浮錨桿曲線呈緩降趨勢，不存在明顯拐點，在初始階段，錨桿滑移量甚小，而其平均粘結(jié)強度增長較大，說明此時錨桿與混凝土之間的化學膠著力起主要作用；隨著荷載的增加，錨桿平均粘結(jié)強度隨荷載增速變小，說明二者的機械咬合力開始發(fā)揮作用；在試驗最后階段，曲線基本呈線性變化，說明此時錨桿與混凝土之間化學膠著力基本完全喪失，機械咬合力發(fā)揮主要作用。對于鋼筋抗浮錨桿，其曲線由緩變段和陡降段兩部分組成，并有明顯拐點，當0～80 kN時，化學膠著力在桿體與基礎底板之間起主要作用，曲線較平緩；隨著試驗進行，曲線斜率變大，桿體與混凝土之間機械咬合力開始發(fā)揮作用；進而，兩者關系曲線出現(xiàn)拐點，機械咬合力發(fā)揮作用越來越大，致使桿體上拔量增速變大，平均粘結(jié)強度增速變緩。由此可見，GFRP錨桿與混凝土之間的作用機理與鋼筋抗浮錨桿相比不同，GFRP錨桿與混凝土之間的化學膠著力較大，使加載過程中，位移變化量更均勻，也可證明，GFRP材料與混凝土的協(xié)同作用能力更強。

對于不同直徑的GFRP抗浮錨桿，在相同的平均粘結(jié)強度下，錨桿直徑越大，滑移量越小，說明錨桿與混凝土接觸面積越大，其分擔荷載能力越強，致使其平均粘結(jié)能力發(fā)揮越慢。對于不同形式的鋼筋抗浮錨桿，相同的荷載作用下，埋入混凝土內(nèi)長度較短的錨桿粘結(jié)能力發(fā)揮較快；另外，錨桿埋入長度越長，曲線拐點出現(xiàn)越慢，可見，錨桿錨固長度越長，即埋入混凝土中長度越長，桿體與混凝土之間的聯(lián)合作用效果越好。對于不同的材料的抗浮錨桿，GFRP材料曲線變化更均勻，也可說明其與混凝土之間粘結(jié)性能更好，更能滿足實際抗浮工程的需要。

2.5對于單根抗浮錨桿尺寸的確定

在GFRP抗浮錨桿外錨固段，錨桿與混凝土之間粘結(jié)力的大小決定了錨桿承載力，而錨桿的形式及錨固長度是粘結(jié)力的主要影響因素。由此，通過拉拔試驗測定各類GFRP抗浮錨桿在不同標號混凝土內(nèi)的極限平均粘結(jié)強度和拉斷破壞荷載，可以求得GFRP抗浮錨桿最佳外錨固尺寸，進而能為GFRP抗浮錨桿的優(yōu)化設計及工程應用提供依據(jù)。

3結(jié)論

1）GFRP抗浮錨桿直徑越大，其外錨固極限承載力越大，可見，在工程中提高有限的桿體直徑，可以取代配套螺母托盤的作用，施工簡便。

2）與工程中常見的鋼筋抗浮錨桿相比，GFRP抗浮錨桿有較強的適用性，能夠滿足工程中抗浮錨桿的承載力和變形的需求。

3）通過試驗研究，給出了GFRP抗浮錨桿最佳外錨固面積，即當GFRP抗浮錨桿最大滑移破壞荷載等于其拉斷破壞荷載時，GFRP抗浮錨桿與混凝土底板的接觸面積，并提出了其相應的計算公式。

4）通過對試驗變化曲線分析可知，與鋼筋抗浮錨桿相比，GFRP抗浮錨桿與混凝土之間粘結(jié)性能較好，GFRP材料與混凝土之間的協(xié)同作用更佳，更能滿足實際工程需要。

5）基于試驗結(jié)果與理論分析，得到GFRP抗浮錨桿最佳外錨固面積，并提出計算式，為GFRP抗浮錨桿優(yōu)化設計和工程應用提供借鑒和參考。

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