CN111537340A - 一种荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锚杆性能测试技术领域，涉及一种荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置，锚杆锚固段水平放置在混凝土腐蚀槽中并穿过两侧槽壁后与混凝土腐蚀槽浇筑为一体形成锚固界面；锚杆腐蚀段置于混凝土腐蚀槽的凹槽内并浸泡在腐蚀液中；锚杆自由段垂直悬挑在混凝土腐蚀槽外壁上；膨胀止水条缠绕在锚杆外锚固段和锚杆自由段交界处，与混凝土腐蚀槽的槽壁浇筑为一体；腐蚀液装入混凝土腐蚀槽内，其液面没过锚杆腐蚀段；在两侧锚杆自由段依次穿入圆形钢板、锚杆拉拔计、圆形钢板、锚索测力计、锚具、钢套管，锚杆锚固后将千分表的磁力座固定于钢梁上；其结构简单，操作方便，构造简单，便于操作和数据可靠。
Description
技术领域：
本发明属于锚杆性能测试技术领域，涉及一种荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置，探究在腐蚀环境及长期应力共同作用下锚杆与锚杆锚固混凝土处的锚固特性，有效进行多因素耦合条件下BFRP锚杆耐久性试验。
背景技术：
近年来地下工程发展迅速，地下结构的抗浮问题得到了高度重视。玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)锚杆具有抗腐蚀能力强、造价经济、施工方便、分散应力、轻质高强等诸多优点，在建筑物的地下室、半地下室及基础抗浮，地下停车场、地下仓库、地下商业街、大型地下综合体、地下洞室等地下空间，污水处理池、消防池、游泳池、泵井等给排水构筑物，地铁、地下车站、隧道、地下人行通道等地下交通设施，体育场馆、大型公共建筑等大跨度空间结构，下沉式广场、水池、花池等景观休闲设施，地下箱涵、地下综合管道、渠道等市政设施，水电站厂房、泵房、水闸、船闸、溢洪道、消力池等水工建构筑物，油罐、储液罐、储物池等设备基础，船坞等港工建构筑物及人工岛、海洋平台等海工建构筑物，等等，得到越来越多的应用。抗浮锚杆属于隐蔽工程且工作年限较长，随埋入时间增加锚杆与混凝土锚固界面易产生缝隙，地下水及地下环境中腐蚀性离子易渗入缝隙对锚杆杆体及锚杆与混凝土锚固界面造成腐蚀，影响锚杆服役寿命，当地下水位急剧上升时，锚固界面受到腐蚀导致锚固体系不足以抵抗地下水浮力，会造成混凝土底板失稳或开裂，严重影响上部结构的安全。因此，进一步研究锚杆与混凝土锚固界面受到腐蚀后承载能力的变化对锚固工程至关重要。
在实际工程中，锚杆锚固段始终处于高应力、高湿度等复杂环境下，地下水中含有多种腐蚀性离子且浓度各异，锚杆及锚固界面受到化学腐蚀、应力腐蚀、甚至是电化学等多种腐蚀作用，但是锚杆的现场腐蚀试验操作不便、易受其他影响因素的干扰，无法探究锚杆与锚固界面处于腐蚀环境的同时受到长期应力的作用下对锚杆极限抗拔承载力的影响。而且，现有的锚杆室内腐蚀试验是先将锚杆浸泡于侵蚀溶液中，达到规定时间后再进行拉拔试验，荷载与侵蚀环境并不是耦合作用、共同作用。因此，设计一种荷载与侵蚀环境耦合作用下纤维筋抗浮锚杆的承载性能测试装置，对于研究长期应力与侵蚀环境耦合作用对纤维筋抗浮锚杆的承载性能的影响、进一步优化设计方案、提高锚杆抗浮能力具有十分重要的工程意义。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种操作简单、高效快速、变量可控的、荷载与侵蚀环境耦合作用下纤维筋抗浮锚杆的承载性能测试装置，研究长期应力与侵蚀环境耦合作用下纤维筋抗浮锚杆的承载性能。
为了实现上述目的，本发明所述荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置的主体结构包括锚杆外锚固段、锚杆腐蚀段、锚杆自由段、混凝土腐蚀槽、膨胀止水条、锚具、腐蚀液、圆形钢板、穿心千斤顶、锚索测力计、钢套管、千分表、钢梁；锚杆外锚固段、锚杆腐蚀段、锚杆自由段组成锚杆，锚杆外锚固段位于锚杆腐蚀段和锚杆自由段之间；锚杆锚固段水平放置在混凝土腐蚀槽中并穿过两侧槽壁后与混凝土腐蚀槽浇筑为一体形成锚固界面；锚杆腐蚀段置于混凝土腐蚀槽的凹槽内并浸泡在腐蚀液中；锚杆自由段垂直悬挑在混凝土腐蚀槽外壁上；混凝土腐蚀槽为由混凝土浇筑而成的长方体槽型构件；膨胀止水条缠绕在锚杆外锚固段和锚杆自由段交界处，与混凝土腐蚀槽的槽壁浇筑为一体起止水作用；腐蚀液装入混凝土腐蚀槽内，其液面没过锚杆腐蚀段；在两侧锚杆自由段依次穿入圆形钢板、锚杆拉拔计、圆形钢板、锚索测力计、锚具、钢套管，锚杆锚固后将千分表的磁力座固定于钢梁上，用千分表和锚索测力计测定荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆的承载性能。
本发明所述锚杆为全螺纹玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)锚杆，锚杆外锚固段分为两段，每段长为500mm，共长1000mm；锚杆腐蚀段长1000mm；锚杆自由段分为两段，每段长为800mm，共长16000mm；锚杆直径为25mm；锚杆间的垂直间距为300mm。
本发明所述混凝土腐蚀槽的长×宽×高为2000mm×1000mm×1300mm；为增大锚固侧壁的刚度，提供足够的锚固力，设置锚固侧壁厚500mm，而其余壁厚度均为300mm；混凝土腐蚀槽浇筑成型拆模后，按混凝土养护规范将其养护28天。
本发明所述膨胀止水条遇水膨胀，从而起到止水作用，膨胀止水条宽度为30mm，随锚杆一起浇筑在混凝土腐蚀槽的槽壁内。
本发明所述腐蚀液的侵蚀性离子种类、浓度根据试验要求配置，用于模拟海水或其它侵蚀性环境。
本发明所述圆形钢板为直径200mm、厚5mm的圆形钢板，垫于穿心千斤顶两端，中间预留直径60mm的圆孔，确保预留圆孔可穿入锚杆。
本发明所述穿心千斤顶在试件标准养护28天后，对GFRP锚杆施加一定拉拔力后锁定，确保能使GFRP锚杆长期处于特定力值之下的受力状态。
本发明所述锚索测力计为监测锚杆锚固力大小的传感器，在锚杆张拉时安装于锚杆上，通过锚索测力计监测锚杆锚固力的变化，判断锚杆的受力状态。
本发明所述钢套管为直径大于锚杆直径、长度100mm、壁厚3mm的无缝钢管，钢套管与锚杆间使用高强度植筋胶粘接，确保钢套管与锚杆间不能发生相对位移，钢套管用于防止锚杆在受力状态下被锚具夹坏。
本发明所述千分表为磁力座杆千分表，千分表的测量杆及测量头垂直于外侧圆形钢板，通过千分表监测锚杆位移的变化规律判定锚杆的破坏状况，当锚杆位移量达到规范的规定值时，穿心千斤顶停止加载。
本发明所述钢梁为长度1300mm的钢梁，垂直于地面安装在靠近外侧圆形钢板处，用于安装固定千分表，在试验过程中钢梁保持固定以确保千分表所测数据的准确性。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：一是所用锚杆为玄武岩纤维复合材料(BFRP)制成的全螺纹实心抗浮锚杆，与传统锚杆相比具有轻质高强、使用寿命长、腐蚀能力较强等优点，能有效提高地下结构的抗浮能力；二是为研究在长期应力与腐蚀环境耦合作用下BFRP锚杆与混凝土锚固界面力学性能变化提供了可能性，通过锚索测力计可以监测锚固界面腐蚀状态下锚杆的力与位移的关系；三是通过配置不同的腐蚀液，可以研究不同腐蚀根离子及不同离子浓度对锚杆锚固界面的腐蚀及锚杆抗浮能力的影响；四是可同时进行3根BFRP抗浮锚杆多因素耦合试验，且每根锚杆可得到2组数据，大大缩减了试验周期且保证了同一组试验数据可靠性；五是在锚杆自由段安装钢套管有效保护BFRP抗浮锚杆不被锚具损坏；其结构简单，操作方便，构造简单，便于操作和数据可靠。
附图说明：
图1为本发明的主体结构俯视图。
图2为本发明的主体结构原理示意图。
图3为本发明的主体结构侧视图。
图4为本发明的主体结构剖视图。
图5为本发明的锚固结构详图。
图6为本发明实施例2所述孔位布置示意图。
图7为本发明实施例2中GFRP抗浮锚杆G1(a)和G2(b)位移-时间曲线。
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1：
本实施例所述荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置的主体结构包括锚杆外锚固段1、锚杆腐蚀段2、锚杆自由段3、混凝土腐蚀槽4、膨胀止水条5、锚具6、腐蚀液7、圆形钢板8、穿心千斤顶9、锚索测力计10、钢套管11、千分表12、钢梁13；锚杆外锚固段1、锚杆腐蚀段2、锚杆自由段3组成锚杆，锚杆外锚固段1位于锚杆腐蚀段2和锚杆自由段3之间；锚杆锚固段1水平放置在混凝土腐蚀槽4中并穿过两侧槽壁后与混凝土腐蚀槽4浇筑为一体形成锚固界面；锚杆腐蚀段2置于混凝土腐蚀槽4的凹槽内并浸泡在腐蚀液7中；锚杆自由段3垂直悬挑在混凝土腐蚀槽4外壁上；混凝土腐蚀槽4为由混凝土浇筑而成的长方体槽型构件；膨胀止水条5缠绕在锚杆外锚固段1和锚杆自由段3交界处，与混凝土腐蚀槽4的槽壁浇筑为一体起止水作用；腐蚀液7装入混凝土腐蚀槽4槽内，其液面没过锚杆腐蚀段2；在两侧锚杆自由段3依次穿入圆形钢板8、锚杆拉拔计9、圆形钢板8、锚索测力计10、锚具6、钢套管11，锚杆锚固后将千分表12的磁力座固定于钢梁13上，用千分表12和锚索测力计10测定荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆的承载性能。
本实施例所述锚杆为全螺纹玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)锚杆，锚杆外锚固段1分为两段，每段长为500mm，共长1000mm；锚杆腐蚀段2长1000mm；锚杆自由段3分为两段，每段长为800mm，共长16000mm；锚杆直径为25mm；锚杆间的垂直间距为300mm。
本实施例所述混凝土腐蚀槽4的长×宽×高为2000mm×1000mm×1300mm；为增大锚固侧壁的刚度，提供足够的锚固力，设置锚固侧壁厚500mm，而其余壁厚度均为300mm；混凝土腐蚀槽4浇筑成型拆模后，按混凝土养护规范将其养护28天。
本实施例所述膨胀止水条5遇水膨胀，从而起到止水作用，膨胀止水条宽度为30mm，随锚杆一起浇筑在混凝土腐蚀槽4的槽壁内。
本实施例所述腐蚀液7的侵蚀性离子种类、浓度根据试验要求配置，用于模拟海水或其它侵蚀性环境。
本实施例所述圆形钢板8为直径200mm、厚5mm的圆形钢板，垫于穿心千斤顶9两端，中间预留直径60mm的圆孔，确保预留圆孔可穿入锚杆。
本实施例所述穿心千斤顶9在试件标准养护28天后，对GFRP锚杆施加一定拉拔力后锁定，确保能使GFRP锚杆长期处于特定力值之下的受力状态。
本实施例所述锚索测力计10为监测锚杆锚固力大小的传感器，在锚杆张拉时安装于锚杆上，通过锚索测力计10监测锚杆锚固力的变化，判断锚杆的受力状态。
本实施例所述钢套管11为直径略大于锚杆直径、长度100mm、壁厚3mm的无缝钢管，钢套管11与锚杆间使用高强度植筋胶粘接，确保钢套管11与锚杆间不能发生相对位移，钢套管11用于防止锚杆在受力状态下被锚具夹坏。
本实施例所述千分表12为磁力座杆千分表，千分表12的测量杆及测量头垂直于外侧圆形钢板8，通过千分表12监测锚杆位移的变化规律判定锚杆的破坏状况，当锚杆位移量达到规范的规定值时，穿心千斤顶9停止加载。
本实施例所述钢梁13为长度1300mm的钢梁，垂直于地面安装在靠近外侧圆形钢板8处，用于安装固定千分表12，在试验过程中钢梁13保持固定以确保千分表12所测数据的准确性。
本实施例实现荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试的具体过程为：
(1)截取三根规格相同的BFRP抗浮锚杆，清理锚杆表面浮土、灰尘后将膨胀止水条5缠绕于锚杆外锚固段1和锚杆自由段3交界处；
(2)根据混凝土腐蚀槽4的尺寸支护模板，锚固侧壁的模板上预留锚杆孔位，将锚杆水平穿入预留孔位后浇筑混凝土，膨胀止水条5一同浇入混凝腐蚀槽壁中，并养护28天；
(3)根据试验要求配置含有特定腐蚀根离子及特定浓度的腐蚀液7，将腐蚀液7倒入混凝土腐蚀槽4内，并使锚杆腐蚀段被腐蚀液7完全浸泡；
(4)在锚杆自由段3依次穿入圆形钢板8、穿心千斤顶9、圆形钢板8、锚索测力计10、锚具6、钢套管11，将钢套管11套装于锚杆自由段3上，位于锚索测力计10的外侧，钢套管11与锚杆间使用高强度植筋胶粘接，确保钢套管11与锚杆间不能发生相对位移，再将锚具6夹于钢套管11上避免锚具6损坏锚杆，通过穿心千斤顶9对锚杆施加拉力至试验设计数值，并将千分表12的磁力座安装于钢梁13上，千分表12的测量杆及测量头垂直于外侧圆形钢板8；
(5)随时间推移，通过千分表12和锚索测力计10观测记录锚杆应力与位移的变化量，监测荷载与侵蚀环境耦合作用下纤维筋抗浮锚杆的承载性能，当锚杆位移量达到规范规定值时，认定锚杆失去正常承载能力，穿心千斤顶9停止加载。
实施例2：
本实施例采用实施例1安装的荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置进行测试，使用的锚杆为南京某公司生产的型号为YFH50的一次挤压成型全螺纹GFRP抗浮锚杆，本批次锚杆直径为25mm，锚筋中玻璃纤维与环氧树脂体积比为3:1，锚筋密度为2.1g/cm3。经测量试验使用批次锚杆弹性模量为51GPa，平均极限抗拔承载力为342kN，极限抗拉强度为675MPa，极限抗剪强度为150MPa；混凝土采用C30商品混凝土垂直浇筑成1 000mm×1000mm×1 600mm的立方体试块模拟GFRP抗浮锚杆锚固围岩层，振捣密实后带模标准养护28天后拆模，并采用同批次混凝土浇筑2组共6个100mm×100mm×100mm的立方体试块，与模拟围岩层一起养护28天后测得其平均抗压强度为28.8MPa；锚固砂浆使用水泥为“山水牌”P·O 42.5普通硅酸盐水泥，砂采用级配良好的中砂，水为自来水。拟使用强度为M30的砂浆，水泥：砂：水的质量比为1:1:0.45，浇筑6个70.7mm×70.7mm×70.7mm的立方体试块，标准养护28天后测得其平均抗压强度为35.5MPa；本实施例对2根GFRP抗浮锚杆进行长期应力作用下的室内足尺拉拔试验，试验锚杆的具体参数如表1所示，
表1：试验参数
具体过程为：将养护好的模拟围岩混凝土试块拆模后，采用潜孔钻机在试块对角线全程取芯大孔，孔位布置如图6所示，取孔完毕后将完成绑扎的试验GFRP锚杆放入孔洞中并普通注入配置好的M30砂浆，标准养护28天后进行拉拔试验并测定其蠕变位移，两根GFRP抗浮锚杆最大加载量、滑移值及破坏形态如表2所示，
表2：蠕变试验结果统计
在不同荷载水平下两根GFRP抗浮锚杆的位移-时间曲线如图7所示，由图7可知，试验锚杆G1在90kN荷载作用下基本未发生蠕变现象，位移-时间曲线为1条平稳的直线；G1受到荷载为120～210kN、G2受到荷载为90～180kN每级荷载刚开始施加时，位移-时间曲线斜率出现较小增长，后续趋于平稳，为典型的衰减蠕变行为，表明此时GFRP抗浮锚杆所受荷载小于其极限抗拔荷载；当试件G1所受荷载增加至240kN、试件G2所受荷载增加至210kN时二者位移-时间曲线均呈快速上扬趋势，为非衰减蠕变，其曲线非衰减蠕变的过渡蠕变段、稳态蠕变段、加速蠕变段表现都较为明显，表明240kN、210kN已较为接近试件G1、G2的极限抗拔荷载；而且结合表2可知，试件G1产生初始蠕变荷载为120kN，为其破坏荷载的45％；试件G2产生初始蠕变荷载为90kN，为其破坏荷载的38％，表明大直径的GFRP抗浮锚杆在其极限荷载的35％以下荷载水平工作时展现蠕变性能较优良。
Claims (10)
1.一种荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置，其特征在于主体结构包括锚杆外锚固段、锚杆腐蚀段、锚杆自由段、混凝土腐蚀槽、膨胀止水条、锚具、腐蚀液、圆形钢板、穿心千斤顶、锚索测力计、钢套管、千分表、钢梁；锚杆外锚固段、锚杆腐蚀段、锚杆自由段组成锚杆，锚杆外锚固段位于锚杆腐蚀段和锚杆自由段之间；锚杆锚固段水平放置在混凝土腐蚀槽中并穿过两侧槽壁后与混凝土腐蚀槽浇筑为一体形成锚固界面；锚杆腐蚀段置于混凝土腐蚀槽的凹槽内并浸泡在腐蚀液中；锚杆自由段垂直悬挑在混凝土腐蚀槽外壁上；混凝土腐蚀槽为由混凝土浇筑而成的长方体槽型构件；膨胀止水条缠绕在锚杆外锚固段和锚杆自由段交界处，与混凝土腐蚀槽的槽壁浇筑为一体起止水作用；腐蚀液装入混凝土腐蚀槽内，其液面没过锚杆腐蚀段；在两侧锚杆自由段依次穿入圆形钢板、锚杆拉拔计、圆形钢板、锚索测力计、锚具、钢套管，锚杆锚固后将千分表的磁力座固定于钢梁上，用千分表和锚索测力计测定荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆的承载性能。
2.根据权利要求1所述荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置，其特征在于所述锚杆为全螺纹玄武岩纤维增强聚合物锚杆，锚杆外锚固段分为两段，每段长为500mm，共长1000mm；锚杆腐蚀段长1000mm；锚杆自由段分为两段，每段长为800mm，共长16000mm；锚杆直径为25mm；锚杆间的垂直间距为300mm。
3.根据权利要求1所述荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置，其特征在于所述混凝土腐蚀槽的长×宽×高为2000mm×1000mm×1300mm；锚固侧壁厚500mm，其余壁厚度均为300mm；混凝土腐蚀槽浇筑成型拆模后，按混凝土养护规范将其养护28天。
4.根据权利要求1所述荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置，其特征在于所述膨胀止水条遇水膨胀，起到止水作用，膨胀止水条宽度为30mm，随锚杆一起浇筑在混凝土腐蚀槽的槽壁内。
5.根据权利要求1所述荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置，其特征在于所述腐蚀液的侵蚀性离子种类、浓度根据试验要求配置，用于模拟海水或其它侵蚀性环境。
6.根据权利要求1所述荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置，其特征在于所述圆形钢板为直径200mm、厚5mm的圆形钢板，垫于穿心千斤顶两端，中间预留直径60mm的圆孔，确保预留圆孔可穿入锚杆。
7.根据权利要求1所述荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置，其特征在于所述锚索测力计为监测锚杆锚固力大小的传感器，在锚杆张拉时安装于锚杆上，通过锚索测力计监测锚杆锚固力的变化，判断锚杆的受力状态。
8.根据权利要求1所述荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置，其特征在于所述钢套管为直径大于锚杆直径、长度100mm、壁厚3mm的无缝钢管，钢套管与锚杆间使用高强度植筋胶粘接，确保钢套管与锚杆间不能发生相对位移，钢套管用于防止锚杆在受力状态下被锚具夹坏。
9.根据权利要求1所述荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置，其特征在于所述千分表为磁力座杆千分表，千分表的测量杆及测量头垂直于外侧圆形钢板，通过千分表监测锚杆位移的变化规律判定锚杆的破坏状况，当锚杆位移量达到规范的规定值时，穿心千斤顶停止加载。
10.根据权利要求1所述荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置，其特征在于所述钢梁为长度1300mm的钢梁，垂直于地面安装在靠近外侧圆形钢板处，用于安装固定千分表，在试验过程中钢梁保持固定以确保千分表所测数据的准确性。
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|---|---|---|---|
| CN202010595258.6A CN111537340A (zh) | 2020-06-28 | 2020-06-28 | 一种荷载与侵蚀环境耦合作用下锚杆承载性能测试装置 |
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| CN111537340A true CN111537340A (zh) | 2020-08-14 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112098313A (zh) * | 2020-10-10 | 2020-12-18 | 长江水利委员会长江科学院 | 室内含缺陷预应力锚固结构腐蚀损伤试验系统及试验方法 |
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2020
- 2020-06-28 CN CN202010595258.6A patent/CN111537340A/zh active Pending
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