井德勝， 白曉宇*， 劉 超，2， 劉永江， 張明義， 黃永峰

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 青島 266033； 2.青島市建筑材料研究所有限公司， 青島 266044；3.青島大港海關(guān)， 青島 266011)

隨著地下空間的開發(fā)與利用，基礎(chǔ)埋深不斷加大，地下結(jié)構(gòu)抗浮問題日益突出。目前，常見的抗浮措施有壓重法、加厚基礎(chǔ)底板、降排地下水等，雖然都能達(dá)到預(yù)期的效果，但從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益上看，混凝土消耗量過大，不利于工程成本管控[1]?？拱螛兑彩强垢」こ讨谐Ｓ玫目垢〈胧?，因其具有直徑較大、承載力高、樁間距大等特點(diǎn)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，極易造成基礎(chǔ)底板局部開裂。為防止此類問題，常通過增加底板厚度，從而導(dǎo)致成本增加，效益不佳。近年來，抗浮錨桿因其布置靈活、單點(diǎn)受力小、工藝簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)勢(shì)被大力推廣[2-3]。而面對(duì)復(fù)雜的地下環(huán)境，包括地下水腐蝕、雜散電流等電化學(xué)腐蝕，鋼筋抗浮錨桿始終難以從根本上解決耐腐蝕性問題，遂有“定時(shí)炸彈”之說[4]。

玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)用作非金屬抗浮錨桿，它是將浸泡于由環(huán)氧樹脂等合成樹脂組成的基體材料中的玻璃纖維絲，經(jīng)多次高溫連續(xù)拉擠工藝及促進(jìn)劑和固化劑處理后形成的一種新型復(fù)合材料筋材[5]。因其輕質(zhì)高強(qiáng)，耐腐蝕性能好，綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是金屬錨桿的良好替代品，并在許多工程應(yīng)用中得到成功驗(yàn)證[6-7]。Zheng等[8]對(duì)不同規(guī)格的GFRP筋經(jīng)室內(nèi)拉拔試驗(yàn)得出其抗拉強(qiáng)度平均值為799 MPa，是同規(guī)格熱軋帶肋鋼筋的2倍。Altalmas等[9]通過將GFRP筋材浸入酸、堿、鹽等腐蝕環(huán)境30 d，電鏡掃描下，其桿體表面保存較完好，且強(qiáng)度保證率達(dá)到90%。Soong等[10]和李國(guó)維等[11]發(fā)現(xiàn)：纖維增強(qiáng)聚合物錨桿與水泥基材料的熱膨脹系數(shù)相近，其共同作用時(shí)變形較一致且協(xié)調(diào)性較好。白曉宇等[12-14]、李國(guó)維等[15-16]在風(fēng)化巖地層中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拉拔破壞性試驗(yàn)及蠕變?cè)囼?yàn)，分析了GFRP抗浮錨桿作用機(jī)理。目前，現(xiàn)行的國(guó)家規(guī)范中缺乏非金屬抗浮錨桿的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)規(guī)程，而針對(duì)錨桿的荷載-位移曲線研究可以直觀的表現(xiàn)錨桿的實(shí)際受力與位移情況，有利推動(dòng)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)。陳建功等[17]利用小波函數(shù)，推導(dǎo)出荷載-位移曲線函數(shù)，與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合度較高。崔強(qiáng)等[18]通過強(qiáng)風(fēng)化巖層中抗拔樁拉拔試驗(yàn)，采用雙曲線模型得出無量綱荷載(Q/QL2)與上拔位移(s)之間的關(guān)系曲線，對(duì)比實(shí)測(cè)值認(rèn)為模型預(yù)測(cè)結(jié)果較好。

基于此，根據(jù)青島市嶗山區(qū)某基坑抗浮工程，對(duì)GFRP和鋼筋抗浮錨桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拉拔破壞性試驗(yàn)。分析其承載力、變形及第一界面(錨桿-錨固體界面)相對(duì)滑移特性。通過繪制出的荷載-位移曲線，利用多項(xiàng)式擬合預(yù)測(cè)極限承載力，以期對(duì)同類型抗浮錨桿設(shè)計(jì)及檢測(cè)提供借鑒和思考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 工程地質(zhì)概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于青島市嶗山區(qū)某在建建筑基坑工程中。嶗山區(qū)主要由構(gòu)造侵蝕地貌、構(gòu)造剝蝕地貌和堆積地貌組成，且其在高度上依次呈中低山、丘陵、濱海平原及山間谷地階梯狀分布。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖層埋深不均(3.2～18.3 m)，巖性參差不齊，基巖主要為中風(fēng)化花崗巖，呈紅褐色，裂隙面大部分變色，敲擊聲清脆且有回彈，地下水位分布在1.8～8.3 m?；訋r層主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 巖層主要物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)錨桿參數(shù)

本試驗(yàn)所取錨桿為等直徑、等長(zhǎng)度的GFRP錨桿和鋼筋錨桿。其中GFRP是選自南京某公司生產(chǎn)的表面黏砂型抗浮錨桿，其是以環(huán)氧樹脂為基體(約占25%)，玻璃纖維為骨架(約占75%)，經(jīng)拉擠、纏繞、固化形成。鋼筋錨桿選取三級(jí)螺紋鋼筋，直徑28 mm。經(jīng)過樣品檢驗(yàn)，所取試驗(yàn)錨桿主要物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)由生產(chǎn)廠家提供，如表2所示。試驗(yàn)錨桿共6根，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表2 GFRP與鋼筋錨桿主要物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)

表3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)過程及加載方式

試驗(yàn)場(chǎng)地清表，鉆機(jī)定位后，利用鉆機(jī)垂直開孔取芯5 m。試驗(yàn)錨桿間距保持3 m。利用定位對(duì)中器將錨桿放置在設(shè)計(jì)標(biāo)高。本試驗(yàn)采用M30水泥砂漿，設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，經(jīng)檢測(cè)，28 d平均抗壓強(qiáng)度為34.1 MPa。

試驗(yàn)使用本團(tuán)隊(duì)自主創(chuàng)新研制的加載裝置，為了防止錨桿夾持端受力破壞，試驗(yàn)中采用鋼套管內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行固定和保護(hù)。本裝置最大拉拔力為1 000 kN，能夠滿足試驗(yàn)需要。位移檢測(cè)百分表量程為30 mm，精確度為0.01 mm。加載裝置從下到上依次安裝完成后，嚴(yán)格按照《抗浮錨桿技術(shù)規(guī)程》(YB/T4659—2018)[19]等相關(guān)規(guī)范進(jìn)行加載。試驗(yàn)采用逐級(jí)加載方式，以每級(jí)40 kN逐級(jí)勻速加載，加載時(shí)長(zhǎng)控制在5～8 s，相鄰2級(jí)荷載穩(wěn)壓15 min，直至錨桿發(fā)生破壞。需要注意的是，每級(jí)加載結(jié)束后應(yīng)及時(shí)采集數(shù)據(jù)，穩(wěn)壓期間每5 min測(cè)讀一次數(shù)據(jù)并記錄。圖1為試驗(yàn)過程。

圖1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程中，假設(shè)錨桿桿體水平剖面上各點(diǎn)豎直位移量相等，為了便于測(cè)量，取外表面作為桿體位移。在對(duì)錨固體位移量的測(cè)量中，由于錨固體面積較大，選取錨固體中部界面頂部位移作為錨固體位移量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞荷載及位移特征

試驗(yàn)過程中，錨桿的破壞分為拔斷破壞和剪切-滑移破壞。鋼筋錨桿發(fā)生拔斷破壞時(shí)，桿體突然“嘣”的一聲巨響發(fā)生斷裂，且斷口較為平整，如試驗(yàn)錨桿Steel-02和Steel-03；GFRP錨桿發(fā)生拔斷破壞時(shí)，桿體根部出現(xiàn)纖維絲剝離現(xiàn)象，如試驗(yàn)錨桿GFRP-01和GFRP-03。依據(jù)規(guī)范[19]，當(dāng)桿體與錨固體發(fā)生剪切-滑移破壞時(shí)，錨桿桿體位移不收斂，位移量大于前一級(jí)荷載作用下的5倍或者錨桿桿體總位移量超過設(shè)計(jì)允許值時(shí)，如試驗(yàn)錨桿GFRP-02和Steel-01。

試驗(yàn)錨桿極限狀態(tài)特征參數(shù)如表4所示。由表4可以看出，鋼筋錨桿與GFRP錨桿平均破壞荷載分別為324 kN、394 kN，均小于其極限拉拔承載力351 kN、416 kN，強(qiáng)度利用率均達(dá)到92%。其中發(fā)生拔斷破壞的錨桿，其強(qiáng)度利用率高于發(fā)生其他破壞形式的錨桿，其中GFRP-02、Steel-01破壞荷載較小。究其原因，可能是由于錨桿施工過程中，錨固體強(qiáng)度不均勻、桿體與錨固體之間局部黏結(jié)不緊密、巖土層物理力學(xué)性質(zhì)存在微小差異，導(dǎo)致錨桿桿體與錨固體之間的黏結(jié)強(qiáng)度不同。試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的桿體與錨固體之間存在位移差值，是因?yàn)楫?dāng)桿體達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，桿體受力狀態(tài)下出現(xiàn)彈、塑性變形被拉長(zhǎng)以及錨固界面間發(fā)生相對(duì)滑移，導(dǎo)致桿體與錨固體的位移存在一定差值。而GFRP-02、Steel-01與同材質(zhì)錨桿相比，錨桿、錨固體相對(duì)位移較大。由于鋼筋彈性模量較GFRP筋高達(dá)5倍，則整體鋼筋錨桿相對(duì)位移更大。如果鋼筋、GFRP筋錨桿均按等截面計(jì)算，鋼筋錨桿內(nèi)錨固段平均黏結(jié)強(qiáng)度為0.82 MPa，GFRP錨桿為1.00 MPa。本試驗(yàn)灌漿體采用M30水泥砂漿，《抗浮錨桿技術(shù)規(guī)程》(YB/T4659—2018)[19]的規(guī)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 試驗(yàn)錨桿極限狀態(tài)特征參數(shù)

圖2為試驗(yàn)錨桿荷載-位移曲線。鋼筋錨桿在均勻加載過程中，位移會(huì)發(fā)生突變。將鋼筋錨桿加載至240 kN后，桿體的位移迅速增加，分析認(rèn)為，此時(shí)桿體與錨固體界面黏結(jié)力難以承受荷載，發(fā)生相對(duì)滑移以平衡拉拔力。而GFRP錨桿變化趨勢(shì)較均勻，呈線性增加。前、中期，由于兩種材質(zhì)的彈性模量不同，在相同荷載作用下，GFRP錨桿桿體的位移均比鋼筋錨桿大。

圖2 荷載-位移曲線

綜上所述，在相同直徑、相同錨固長(zhǎng)度條件下，GFRP錨桿承受了更大的拉拔力，能夠發(fā)揮更大的黏結(jié)強(qiáng)度。試驗(yàn)過程中，GFRP筋和鋼筋都出現(xiàn)了拔斷破壞和剪切-滑移破壞，且GFRP筋錨桿桿體的位移要大于鋼筋錨桿。這與李國(guó)維等[15]的研究結(jié)果相似。據(jù)此可驗(yàn)證，實(shí)際工程中，同規(guī)格GFRP錨桿比鋼筋錨桿更可靠。據(jù)此可推測(cè)：可以使用直徑較小的GFRP錨桿替代較大的直徑鋼筋錨桿。

2.2 錨桿-錨固體相對(duì)滑移特性

非金屬抗浮錨桿與錨固體間類似鋼塑連接，且界面凹凸不平，又因其黏結(jié)作用力影響因素多，隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)，給研究帶來了很多阻力。在現(xiàn)場(chǎng)拉拔檢測(cè)中，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)桿體-錨固體相對(duì)滑移現(xiàn)象。而桿體-錨固體界面黏結(jié)力主要由其界面相互間的化學(xué)黏著力、摩擦力、機(jī)械咬合力提供。本試驗(yàn)桿體-錨固體相對(duì)滑移量S可據(jù)式(1)計(jì)算：

S=(S桿-S桿彈)-(S錨-S錨彈)

(1)

式(1)中：S桿為試驗(yàn)桿體位移，mm；S桿彈為錨固段桿體的彈性形變量，mm；S錨為試驗(yàn)錨固體位移，mm；S錨彈為錨固體彈性形變量，mm。

試驗(yàn)中，將位移計(jì)安裝在自由端根部，錨桿與錨固體彈性模量較小，其彈性形變量在這里不做考慮。根據(jù)式(1)對(duì)拉拔過程各級(jí)荷載作用下，其相對(duì)滑移量的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)錨桿桿體與錨固體界面相對(duì)滑移隨荷載變化曲線

由圖3可知，鋼筋錨桿最終相對(duì)滑移量明顯高于GFRP抗浮錨桿，體現(xiàn)了GFRP錨桿與砂漿之間的黏結(jié)性能更好。GFRP錨桿在拉拔前中期的相對(duì)滑移量大于鋼筋錨桿，且整體呈緩S形。究其原因，早期隨著拉拔力增大，錨桿-錨固體界面黏結(jié)面積隨之增大，其界面化學(xué)黏結(jié)力與摩擦力逐漸增大，桿體滑移早于錨固體。當(dāng)荷載達(dá)到150～210 kN時(shí)曲線變緩且略有下降，此時(shí)錨桿與錨固體間機(jī)械咬合力開始發(fā)揮作用，隨著錨桿的上拔，錨固體也隨之同步上移。當(dāng)荷載達(dá)到240 kN后，相對(duì)滑移量加速增大直至破壞，此時(shí)隨著機(jī)械咬合力的增大，難以承擔(dān)拉拔荷載，第一界面黏結(jié)力逐漸小于第二界面。而鋼筋錨桿前中期發(fā)展大體呈線性增加，整體呈L形。在240～270 kN期間，鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度，隨著荷載的增加，相對(duì)位移量出現(xiàn)明顯增大直至發(fā)生破壞。如圖3所示，GFRP-03在荷載水平為60 kN后，錨桿桿體與錨固體的相對(duì)滑移出現(xiàn)迅速減小的情況。分析認(rèn)為，主要是由于施加第二級(jí)荷載(80 kN)時(shí)，錨固體頂面出現(xiàn)起皮現(xiàn)象，導(dǎo)致錨固體的位移的異常，錨桿桿體與錨固體出現(xiàn)相對(duì)滑移，且在第二級(jí)荷載之后，相對(duì)滑移的變化趨勢(shì)與其他試驗(yàn)錨桿一致。綜上所述，GFRP抗浮錨桿與鋼筋錨桿相比，變形發(fā)展較平穩(wěn)，更貼合實(shí)際工程應(yīng)用。

3 抗浮錨桿極限承載力預(yù)測(cè)

3.1 多項(xiàng)式擬合分析

荷載-位移曲線可以集中體現(xiàn)抗浮錨桿在受荷作用下承載力和位移的變化形態(tài)，可以直接得出極限承載力和極限位移量。但在實(shí)際工程中難以將工程錨桿做到極限破壞，這對(duì)GFRP抗浮錨桿實(shí)際工程應(yīng)用的研究帶來了阻力。而利用數(shù)學(xué)方法擬合曲線特性，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)不同條件下的荷載-位移變化規(guī)律可以解決這一難題。根據(jù)目前《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 476—2019)[20]、《錨桿錨固質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 182—2009)[21]等相關(guān)規(guī)范規(guī)定：抗浮錨桿張拉檢測(cè)數(shù)量不得低于總數(shù)的10%且每檢驗(yàn)批不得低于20根。目前使用的數(shù)學(xué)方法有多項(xiàng)式模型、雙曲線模型、指數(shù)模型、冪函數(shù)模型等。根據(jù)本試驗(yàn)荷載-位移曲線(圖2)，接近二次多項(xiàng)式函數(shù)分布。

經(jīng)二次多項(xiàng)式回歸擬合，GFRP-01、GFRP-02、GFRP-03抗浮錨桿Q-s的回歸方程為

(2)

(3)

(4)

式中：Q1、Q2、Q3分別為GFRP-01、GFRP-02、GFRP-03抗浮錨桿承載力擬合值，kN；s為桿體位移，mm；R為相關(guān)系數(shù)。

圖4為錨桿荷載-位移曲線擬合曲線圖。將上述方程擬合得出承載力預(yù)測(cè)方程，如圖5、式(5)所示。其承載力預(yù)測(cè)精度高于92%，如表5所示。

表5 GFRP抗浮錨桿極限承載力預(yù)測(cè)結(jié)果

圖4 GFRP抗浮錨桿荷載-位移曲線擬合

圖5 極限承載力預(yù)測(cè)

s=2.587 77×10-5Q2+0.032 15Q，R2=0.991 0

(5)

式(5)中：Q為GFRP抗浮錨桿承載力預(yù)測(cè)值，kN。

3.2 工程案例驗(yàn)證

案例一根據(jù)文獻(xiàn)[22]，某基坑抗浮工程中，在中風(fēng)化花崗巖地質(zhì)條件下，對(duì)直徑28 mm的GFRP抗浮錨桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)，以其中G28-01、G28-02、G28-03錨桿為例進(jìn)行驗(yàn)證，如圖6所示。

圖6 案例一：極限承載力預(yù)測(cè)圖

案例二根據(jù)文獻(xiàn)[23]，針對(duì)不同砂漿約束條件對(duì)GFRP土釘拔出性能的影響進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，其荷載-位移曲線和極限承載力預(yù)測(cè)如圖7所示。

圖7 案例二：極限承載力預(yù)測(cè)圖

根據(jù)以上兩個(gè)案例，如表6所示，可以得出極限承載力預(yù)測(cè)值的精度平均為81.8%，且隨著錨桿桿體最終位移量越小，其預(yù)測(cè)結(jié)果越理想，最高達(dá)到96.15%，基本達(dá)到預(yù)測(cè)的目的。但當(dāng)錨桿桿體位移量大于20 mm時(shí)，擬合效果不佳，需要進(jìn)一步優(yōu)化方程。

表6 極限承載力預(yù)測(cè)分析

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)6組同規(guī)格的GFRP抗浮錨桿及鋼筋抗浮錨桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拉拔破壞性試驗(yàn)，鋼筋錨桿和GFRP錨桿均出現(xiàn)拔斷破壞和剪切-滑移破壞，而GFRP抗浮錨桿承載力均大于鋼筋錨桿。因此，較小直徑的GFRP錨桿可以替代較大直徑的鋼筋錨桿。

(2)對(duì)比其荷載-位移曲線可知，GFRP錨桿位移隨荷載穩(wěn)定增長(zhǎng)，而鋼筋錨桿加載中后期，出現(xiàn)陡坡段。鋼筋錨桿內(nèi)錨固段黏結(jié)強(qiáng)度均值為0.82 MPa，GFRP錨桿均值為1.00 MPa。GFRP抗浮錨桿較于鋼筋錨桿，更貼合實(shí)際工程應(yīng)用。

(3)在對(duì)錨桿-錨固體相對(duì)滑移量分析中，GFRP抗浮錨桿相對(duì)滑移量隨荷載增加較穩(wěn)定，整體呈緩S形。而對(duì)于鋼筋錨桿，當(dāng)荷載達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，相對(duì)位移突然增大，整體呈L形。

(4)根據(jù)試驗(yàn)錨桿荷載-位移曲線特性，利用二次多項(xiàng)式回歸擬合推導(dǎo)承載力預(yù)測(cè)方程，承載力預(yù)測(cè)精度最高達(dá)到95%。經(jīng)過案例再論證，認(rèn)為對(duì)于錨桿桿體位移量小于20 mm時(shí)，預(yù)測(cè)效果較好，最高達(dá)到96.15%。對(duì)工程應(yīng)用有借鑒和參考價(jià)值。