CN108729477B - 一种gfrp抗浮锚杆杆体-锚固体界面摩阻力与结合力的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属岩土工程技术领域，涉及一种GFRP抗浮锚杆杆体‑锚固体界面摩阻力与结合力的分析方法，先采用GFRP抗浮锚杆拉拔试验装置对GFRP抗浮锚杆的现场拉拔破坏性试验，获得GFRP抗浮锚杆的粘结力、锚杆杆体位移与锚固体位移数据，然后建立GFRP抗浮锚杆杆体‑锚固体界面摩阻力与结合力沿锚固深度分布函数模型，从细观角度将粘结力分为结合力与摩阻力两部分，利用线弹性理论分析法将锚杆视为弹性体，推导出较为接近实际情况的杆体‑锚固体界面摩阻力分布函数，为探究锚杆有效锚固长度，分析摩阻力工作机制提供理论基础；可直观描述不同材料特性下锚杆杆体‑锚固体界面的结合力作用规律，具有较广泛的适用性。
Description
技术领域:
本发明属岩土工程技术领域，涉及一种抗浮工程中GFRP抗浮锚杆杆体-锚固体界面摩阻力与结合力(机械咬合力与化学黏着力的合力)的分析方法，通过建立锚杆杆体-锚固体界面摩阻力与结合力分别沿锚固深度分布函数模型进行分析。
背景技术：
随着城市建(构)筑物基础开挖深度的不断加深，抗浮问题日益突出。由于具有承载力高、分散应力、施工方便、造价低等优势，钢筋锚杆用于抗浮的工程已不胜枚举。但沿海或者是腐蚀性场地中存在大量侵蚀性离子，会对钢筋抗浮锚杆产生化学腐蚀，特别是存在杂散电流的区域(地铁、有轨电车等)，金属材质的抗浮锚杆会不同程度地遭受电化学腐蚀，降低锚杆的使用寿命，耐久性得不到保证。相比于钢筋锚杆，玻璃纤维增强聚合物(GlassFiber Reinforced Polymer,即GFRP)锚杆因其抗拉强度高、抗电磁干扰性能好、抗腐蚀性强、松弛性低、重量轻、造价低、可用光纤传感测试技术监测等技术优势，被人们视为代替传统钢筋用作抗浮锚杆的最佳材料之一，并且越来越多的应用于复杂地质环境下的抗浮工程中。
但是，由于GFRP材料用作抗浮锚杆的研究历史较短，人们对其研究成果多停留在宏观角度，而从细观方向的分析较少，导致对其细观力学特性的认识尚不完善，尤其是GFRP锚杆杆体与周围锚固体接触面位置的力学规律。
目前，国内外学者通常依靠测量锚杆杆体与锚固体接触面位置粘结力的方法分析此部位的力学特性，实际上，锚杆所受粘结力是由摩阻力、机械咬合力和化学黏着力按不同比例组成的合力，因此，有必要从细观角度对各分力作用规律进行详细分析以便更好理解粘结力的工作特性。而且通过研究发现，摩阻力与锚杆所受拉拔力方向相反，可通过理论计算或试验测量等方式得出，然而机械咬合力与化学黏着力的作用机理较为复杂，作用方向随锚杆表面变化而变化，故很难对其作用规律进行准确描述。由于机械咬合力与化学黏着力需通过锚杆与锚固体紧密结合才能发挥作用，因此本发明将机械咬合力与化学黏着力的合力称为结合力，从细观角度分别研究其与摩阻力的力学特性。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种GFRP抗浮锚杆杆体-锚固体界面摩阻力与结合力的分析方法，基于现场拉拔试验与线弹性理论分析法建立了摩阻力与结合力沿锚固深度分布的数学模型，并对其进行分析。
为了实现上述目的，本发明对GFRP抗浮锚杆杆体-锚固体界面摩阻力与结合力进行分析的具体过程为：
步骤一：采用GFRP抗浮锚杆拉拔试验装置对GFRP抗浮锚杆的现场拉拔破坏性试验，获得GFRP抗浮锚杆的粘结力、锚杆杆体位移与锚固体位移数据；
步骤二：建立GFRP抗浮锚杆杆体-锚固体界面摩阻力与结合力沿锚固深度分布函数模型，具体过程如下：
过程1：假设GFRP抗浮锚杆为弹性体，基于线弹性理论，建立GFRP抗浮锚杆的受力模型,将抗浮锚杆视为独立弹性体，地上自由段受拉拔荷载作用，并在地下锚固段与锚固体接触面产生摩阻力，取锚杆中某一深度处的单元体为研究对象，其上表面受此深度轴力作用，下表面受此深度轴力与轴力经过此单元体的变化量的合力作用，四周则受其与锚固体接触面在此深度的摩阻力作用，在受力模型中，P、p(x)分别代表锚杆承受的拉拔荷载以及深度x处单元体的轴力，τ、τ(x)分别代表锚杆平均摩阻力以及深度x处单元体的摩阻力，dSae(x)代表深度x处单元体的弹性变形量，Sae(x)为深度x处锚杆杆体的变形量；
过程2：对于单元体，根据静力平衡条件得：dp(x)＝-2πrτ(x)dx(1)，式中，r为GFRP抗浮锚杆杆体半径，dx为单元体长度，dp(x)为轴力传递通过单元体后的变化量；
过程3：由胡克定律，单元体在拉力作用下弹性变形与轴力的关系为：
式中，E为GFRP锚杆杆体的弹性模量；
过程4：对式(2)求导后将式(1)代入其中，得到Sae(x)与τ(x)之间的微分方程：
过程5：通过广义胡克定律中对于材料轴力与弹性位移关系的描述得：P(x)＝-k·Sae(x)(4)，忽略结合力的作用，即假设GFRP抗浮锚杆抗拔力全部由摩阻力提供，则式(4)可改写为
式中，La为锚杆锚固长度；k为锚杆材料的劲度系数，
式中Sr为锚杆端部总位移，Sb为锚固体总位移，二者之差为锚杆杆体弹性伸长量；将式(6)代入式(5)得：
过程6：将式(7)代入式(3)后，得到关于Sae(x)的二阶常系数齐次线性微分方程：
为简化计算，令
故式(8)可化简为：
过程7：由边界条件[x＝0,p(x)＝P]；[x＝La,p(x)＝0]求解式(10)得到：
过程8：将式(11)代入式(3)便可得到锚杆摩阻力沿锚固深度的分布函数：
过程9：根据实测杆体-锚固体界面粘结力数据以及由式(12)计算得到的摩阻力沿深度分布函数，得结合力的分布函数为：Fc(x)＝T(x)-τ(x)(13)式中，T(x)为深度为x单元体对应的粘结力，Fc(x)为其对应的结合力；
步骤三：根据式(13)描述的结合力分布规律，对照实际试验现象，分析整个过程的正确性。
本发明所述GFRP抗浮锚杆拉拔试验装置的主体结构包括GFRP抗浮锚杆、钢套管、穿心焊接铁块、穿心钢板、穿心千斤顶、Ⅱ型反力梁、纵向工字钢、第一位移百分表、第二位移百分表、L形焊接钢板、FBG传感器、锚固体和光纤光栅解调仪；GFRP抗浮锚杆的下端安装在锚固体内，上端套装在钢套管内，钢套管内部涂抹结构胶用于固定GFRP抗浮锚杆、穿心焊接铁块焊接在钢套管上，用于承受穿心千斤顶的拉力，穿心焊接铁块和穿心千斤顶之间、穿心千斤顶和Ⅱ型反力梁之间均安装穿心钢板，Ⅱ型反力梁的底面两侧对称安装纵向工字钢，纵向工字钢安装在地面上，GFRP抗浮锚杆与地面交界处的两侧对称安装L形焊接钢板，其中一侧的L形焊接钢板上安装第一位移百分表，通过测量该L形焊接钢板的位移得到GFRP抗浮锚杆顶部位移，另一侧的L形焊接钢板右侧安装第二位移百分表，用于测量锚固体顶部位移；FBG传感器通过结构胶固定在GFRP抗浮锚杆的外表面，按上密下疏的方法布置，距GFRP抗浮锚杆顶端较近的4个传感器的间距取0.3m，随后5个传感器间距为0.6m，光纤光栅解调仪与FBG传感器连接。
本发明所述穿心千斤顶采用吨位为100t、行程为30cm的手动式油压穿心千斤顶，第一位移百分表和第二位移百分表的精度均为0.01mm。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是从细观角度将粘结力分为结合力与摩阻力两部分，利用线弹性理论分析法将锚杆视为弹性体，推导出较为接近实际情况的杆体-锚固体界面摩阻力分布函数，为探究锚杆有效锚固长度，分析摩阻力工作机制提供理论基础；二是基于线弹性理论分析得到的摩阻力分布函数与实测粘结力数据，通过理论与试验相结合的方式得到杆体-锚固体界面结合力沿锚固深度的分布函数，可直观描述不同材料特性下锚杆杆体-锚固体界面的结合力作用规律，具有较广泛的适用性。
附图说明：
图1为本发明所述GFRP抗浮锚杆拉拔试验装置的主体结构原理示意图。
图2为本发明基于线弹性理论的GFRP抗浮锚杆受力模型。
图3为本发明实施例所述GFRP抗浮锚杆抗拔力组成示意图，其中17为摩阻力，14为化学黏着力，15为机械咬合力，16为锚杆肋。
图4为本发明实施例所述GFRP抗浮锚杆粘结力分布实测图。
图5为本发明实施例所述GFRP抗浮锚杆摩阻力分布计算图。
图6为本发明实施例所述GFRP抗浮锚杆结合力分布计算图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例；
本实施例对GFRP抗浮锚杆杆体-锚固体界面摩阻力与结合力进行分析的具体过程为：：
步骤一：对GFRP抗浮锚杆进行现场拉拔试验，以获得锚杆在不同荷载下的粘结力分布数据，试验过程如下所述：
过程1：在试验场地按图1所示安装GFRP抗浮锚杆拉拔试验装置；GFRP抗浮锚杆拉拔试验装置的主体结构包括GFRP抗浮锚杆1、钢套管2、穿心焊接铁块3、穿心钢板4、穿心千斤顶5、Ⅱ型反力梁6、纵向工字钢7、第一位移百分表8、第二位移百分表9、L形焊接钢板10、FBG传感器11、锚固体12和光纤光栅解调仪13；GFRP抗浮锚杆1的下端安装在锚固体12内，上端套装在钢套管2内，钢套管2内部涂抹结构胶用于固定GFRP抗浮锚杆、穿心焊接铁块3焊接在钢套管2上，用于承受穿心千斤顶5的拉力，穿心焊接铁块3和穿心千斤顶5之间、穿心千斤顶5和Ⅱ型反力梁6之间均安装穿心钢板4，Ⅱ型反力梁6的底面两侧对称安装纵向工字钢7，纵向工字钢7安装在地面上，GFRP抗浮锚杆1与地面交界处的两侧对称安装L形焊接钢板10，其中一侧的L形焊接钢板10上安装第一位移百分表8，通过测量该L形焊接钢板10的位移得到GFRP抗浮锚杆1顶部位移，另一侧的L形焊接钢板10右侧安装第二位移百分表9，用于测量锚固体顶部位移；FBG传感器11通过结构胶固定在GFRP抗浮锚杆1的外表面，按上密下疏的方法布置，距GFRP抗浮锚杆1顶端较近的4个传感器的间距取0.3m，随后5个传感器间距为0.6m，光纤光栅解调仪13与FBG传感器11连接；
过程2：GFRP抗浮锚杆拉拔试验装置安装完毕后，进行拉拔试验，加载过程采用单向逐级加载法，按每级40kN荷载大小进行加载，相邻两级荷载时间间隔为15min，每级加载结束后立即对位移百分表进行读数同时记录粘结力数值，直至GFRP抗浮锚杆1破坏，得到GFRP抗浮锚杆1粘结力数据如表1所示，并绘于图4；锚杆杆体位移与锚固体位移数据如表2所示；
表1：粘结力实测值/kN
表2：参数Sr、Sb、β数据表
步骤二：利用线弹性理论建立GFRP抗浮锚杆杆体-锚固体界面摩阻力与结合力沿锚固深度分布函数模型，具体建立过程如下：
过程1：设GFRP抗浮锚杆为弹性体，基于线弹性理论，建立如图2所示的受力模型，本模型中，设P、p(x)分别代表锚杆承受的拉拔荷载以及深度x处单元体的轴力，τ、τ(x)分别代表锚杆平均摩阻力以及深度x处单元体的摩阻力，dSae(x)代表深度x处单元体的弹性变形量，Sae(x)为深度x处锚杆杆体的变形量；
过程2：对于单元体，根据静力平衡条件得：dp(x)＝-2πrτ(x)dx(1)，式中，r为杆体半径，dx为单元体长度，dp(x)为轴力传递通过单元体后的变化量；
过程3：由胡克定律，单元体在拉力作用下弹性变形与轴力的关系为：
式中，E为GFRP锚杆杆体的弹性模量；
过程4：对式(2)求导后将式(1)代入其中，得到Sae(x)与τ(x)之间的微分方程：
过程5：通过广义胡克定律中对于材料轴力与弹性位移关系的描述可得：P(x)＝-k·Sae(x)(4)，忽略结合力的作用，即假设GFRP抗浮锚杆抗拔力全部由摩阻力提供，则式(4)可改写为
式中，La为锚杆锚固长度；k为锚杆材料的劲度系数，其表达式为：
式中，Sr为锚杆端部总位移，Sb为锚固体总位移，二者之差为锚杆杆体弹性伸长量。将式(6)代入式(5)得：
过程6：将式(7)代入式(3)后，得到关于Sae(x)的二阶常系数齐次线性微分方程：
为简化计算，令
故式(8)可化简为：
β取值见表2；
过程7：由边界条件[x＝0,p(x)＝P]；[x＝La,p(x)＝0]求解式(10)得到：
过程8：将式(11)代入式(3)便可得到GFRP抗浮锚杆摩阻力沿锚固深度的分布函数：
根据式(12)计算得到的GFRP抗浮锚杆摩阻力分布如图5所示；
过程9：实际上锚杆杆体在与锚固体界面处的受力情况如图3所示，化学黏着力2与机械咬合力3的合力视为结合力，根据实测杆体-锚固体界面粘结力沿深度分布值以及由式(12)计算得到的摩阻力沿深度分布函数，可得结合力的分布函数为：Fc(x)＝T(x)-τ(x)(13)式中，T(x)为深度为x单元体对应的粘结力，Fc(x)为其对应的结合力，结合力分布如图6所示。
本实施例中，结合力作用规律可较好地解释试验过程中锚杆孔口处的锚固体剪胀现象，表明了本实施例中建立的函数模型正确性。
Claims (2)
1.一种GFRP抗浮锚杆杆体-锚固体界面摩阻力与结合力的分析方法，其特征在于具体过程为：
步骤一：采用GFRP抗浮锚杆拉拔试验装置对GFRP抗浮锚杆进行现场拉拔破坏性试验，获得GFRP抗浮锚杆的粘结力、锚杆杆体位移与锚固体位移数据；
步骤二：建立GFRP抗浮锚杆杆体-锚固体界面摩阻力与结合力沿锚固深度分布函数模型，具体过程如下：
过程1：假设GFRP抗浮锚杆为弹性体，基于线弹性理论，建立GFRP抗浮锚杆的受力模型,将抗浮锚杆视为独立弹性体，地上自由段受拉拔荷载作用，并在地下锚固段与锚固体接触面产生摩阻力，取锚杆中某一深度处的单元体为研究对象，其上表面受此深度轴力作用，下表面受此深度轴力与轴力经过此单元体的变化量的合力作用，四周则受其与锚固体接触面在此深度的摩阻力作用，在受力模型中，P、p(x)分别代表锚杆承受的拉拔荷载以及深度x处单元体的轴力，τ、τ(x)分别代表锚杆平均摩阻力以及深度x处单元体的摩阻力，dSae(x)代表深度x处单元体的弹性变形量，Sae(x)为深度x处锚杆杆体的变形量；
过程2：对于单元体，根据静力平衡条件得：dp(x)＝-2πrτ(x)dx(1)，式中，r为GFRP抗浮锚杆杆体半径，dx为单元体长度，dp(x)为轴力传递通过单元体后的变化量；
过程3：由胡克定律，单元体在拉力作用下弹性变形与轴力的关系为：
式中，E为GFRP锚杆杆体的弹性模量；
过程4：对式(2)求导后将式(1)代入其中，得到Sae(x)与τ(x)之间的微分方程：
过程5：通过广义胡克定律中对于材料轴力与弹性位移关系的描述得：P(x)＝-k·Sae(x)(4)，忽略结合力的作用，即假设GFRP抗浮锚杆抗拔力全部由摩阻力提供，则式(4)可改写为
式中，La为锚杆锚固长度；k为锚杆材料的劲度系数，
式中Sr为锚杆端部总位移，Sb为锚固体总位移，二者之差为锚杆杆体弹性伸长量；将式(6)代入式(5)得：
过程6：将式(7)代入式(3)后，得到关于Sae(x)的二阶常系数齐次线性微分方程：
为简化计算，令
故式(8)可化简为：
过程7：由边界条件[x＝0,p(x)＝P]；[x＝La,p(x)＝0]求解式(10)得到：
过程8：将式(11)代入式(3)便可得到锚杆摩阻力沿锚固深度的分布函数：
过程9：根据实测杆体-锚固体界面粘结力数据以及由式(12)计算得到的摩阻力沿深度分布函数，得结合力的分布函数为：Fc(x)＝T(x)-τ(x)(13)式中，T(x)为深度为x单元体对应的粘结力，Fc(x)为其对应的结合力；
步骤三：根据式(13)描述的结合力分布规律，对照实际试验现象，分析整个过程的正确性；
所述GFRP抗浮锚杆拉拔试验装置的主体结构包括GFRP抗浮锚杆、钢套管、穿心焊接铁块、穿心钢板、穿心千斤顶、Ⅱ型反力梁、纵向工字钢、第一位移百分表、第二位移百分表、L形焊接钢板、FBG传感器、锚固体和光纤光栅解调仪；GFRP抗浮锚杆的下端安装在锚固体内，上端套装在钢套管内，钢套管内部涂抹结构胶用于固定GFRP抗浮锚杆、穿心焊接铁块焊接在钢套管上，用于承受穿心千斤顶的拉力，穿心焊接铁块和穿心千斤顶之间、穿心千斤顶和Ⅱ型反力梁之间均安装穿心钢板，Ⅱ型反力梁的底面两侧对称安装纵向工字钢，纵向工字钢安装在地面上，GFRP抗浮锚杆与地面交界处的两侧对称安装L形焊接钢板，其中一侧的L形焊接钢板上安装第一位移百分表，通过测量该L形焊接钢板的位移得到GFRP抗浮锚杆顶部位移，另一侧的L形焊接钢板右侧安装第二位移百分表，用于测量锚固体顶部位移；FBG传感器通过结构胶固定在GFRP抗浮锚杆的外表面，按上密下疏的方法布置，距GFRP抗浮锚杆顶端较近的4个FBG传感器的间距取0.3m，随后5个FBG传感器间距为0.6m，光纤光栅解调仪与FBG传感器连接。
2.根据权利要求1所述GFRP抗浮锚杆杆体-锚固体界面摩阻力与结合力的分析方法，其特征在于所述穿心千斤顶采用吨位为100t、行程为30cm的手动式油压穿心千斤顶，第一位移百分表和第二位移百分表的精度均为0.01mm。
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