GFRP土钉多尺度力学性能及锚固支护工程应用研究

摘要

作为国家可持续发展战略的绿色环保锚固材料，玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）具有轻质、高强、耐腐蚀等优点，能够合理替代钢筋解决复杂工程地质问题，正逐渐用于公路边坡、基坑开挖、矿山、隧道支护中，成为复合材料及锚固工程领域研究热点。
　　GFRP材料是一种多相材料，其力学性能和失效机制与组分相的性能、配比以及宏观尺寸等因素密切相关。并且GFRP材料性能参数通常通过宏观力学试验获取，无法得知与增强相尺寸同一量级的细观尺度上的应力、应变场。采用多尺度研究手段分析GFRP筋在受力过程中的微观破坏机理，以及与宏观结构力学响应的关联，将有助于研究其损伤的形成及裂纹扩展机理。而与力学性能同等重要的需求便是耐久性能。钢筋用于锚固工程中常因复杂的岩土环境而腐蚀，导致结构的承载能力降低甚至失效，并造成周边环境污染。目前GFRP筋在岩土工程中多为尝试性应用，对其耐久性的研究成果还不足以提供足够的信心替代钢材。因此，为了探究 GFRP土钉用于锚固工程中对环境变化的抵抗能力以及长期使用的性能表现，需要对其在复杂地质环境下（碱、盐）的耐久性能进行研究。GFRP为非均质、各向异性材料，不能完全套用钢筋的现有理论来直接分析GFRP筋的粘结锚固性能。并且筋体在岩土工程中所受上覆压力影响其与锚固体的粘结，尤其是对于模量较低的GFRP筋影响更大。因此，研究砂浆约束条件对GFRP筋锚固性能的影响将更加具有实用意义。
　　本文从工程适用性角度出发，考虑GFRP材料替代钢筋用作土钉，通过室内试验、理论分析、数值仿真和示范工程测试相结合的研究手段，开展GFRP筋多尺度力学性能研究、复杂工程地质环境下GFRP土钉耐久性及其寿命预测研究以及砂浆约束条件对GFRP筋锚固性能影响研究，为GFRP筋在锚固支护工程中应用解决关键技术问题。通过本文研究主要获得以下几方面结论：
　　（1）GFRP杆体多尺度力学试验结果得到：从表观裂纹的形成、内部组分的粘结情况以及拉伸试验中应变变化均能反映材料的损伤发展，并且它们之间也存在一定的关联；聚乙烯基杆体中基体的应力传递效果要优于不饱和聚酯基杆体，有更好的断裂韧性；在同一应力水平下，不饱和聚酯基杆体渐进损伤程度要高于聚乙烯基杆体；循环加载实验定量的反应了杆体的损伤累积情况，不饱和聚酯基杆体在较大荷载作用下产生的残余应变更大，且GFRP杆体在循环加载作用下抗拉强度均降低10％左右。
　　（2）腐蚀环境下 GFRP杆体的力学性能均有不同程度的降低，其中碱性环境对GFRP杆体的影响比盐溶液环境要大；不饱和聚酯基杆体对腐蚀环境的抵抗能力要明显低于聚乙烯基杆体。采用Arrhenius模型对腐蚀环境下GFRP材料的寿命预测得出，经过1000天弱碱环境（pH=10）浸泡，聚乙烯基杆的强度依然有将近50%的强度，强度衰减速率整体呈递减趋势。
　　（3）考虑砂浆约束条件的室内试验研究得到：单次加载时，强玉树条件下极限拉拔力相对于无约束条件提高了77%，锚固深度从0.6m增长到1.0m；强约束条件下，环向施加的约束有效提高了砂浆的剪切强度，并且部分砂浆发生剪切破坏后能够继续承受荷载作用，且GFRP杆体用作土钉有较充足的强度储备。
　　（4）通过GFRP土钉的现场应用研究得到：GFRP土钉加固边坡取得了较好支护效果，边坡稳定性系数提高了26.8%；依照基坑支护规范计算得到杆体的拉拔力远低于材料自身所能承受的极限荷载，且 GFRP土钉相比与钢筋强度储备更高；4根GFRP土钉的拉拔试验说明，按照钢筋土钉计算得到的轴向拉力标准值评估GFRP土钉是偏保守的；土钉能够有效分担土体荷载，并且间距越密分担效果越均匀，土钉性能参数以及拉拔过程是影响土钉端部位移的主要因素。
　　（5）FBG（光纤布拉格光栅）传感技术对土钉的监测十分便利并且适合长期观测。GFRP土钉在边坡现场拉拔试验结果说明使用近3年时间后，聚乙烯基GFRP土钉强度降低较少，具有较好的耐久性，能够作为长期使用材料推广应用。

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1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 GFRP材料的工程应用

1.4 研究内容及技术路线

2 GFRP筋材料特征研究

2.1 GFRP筋组分

2.2 GFRP筋复合理论

2.3 物理参数试验研究

2.4 GFRP筋细观特征

2.5 小结

3 GFRP筋多尺度力学性能研究

3.1 试验装置及试验内容

3.2 多尺度试验过程分析

3.3 循环加载拉伸试验

3.4 小结

4 GFRP筋在腐蚀环境下的耐久性研究

4.1 GFRP筋的腐蚀机制分析

4.2 耐久性试验方案设计

4.3 耐久性试验结果及讨论

4.4 小结

5 砂浆约束条件下GFRP筋体拉拔性能试验研究

5.1 GFRP筋拉拔机理

5.2 试验件设计及试验方案

5.3 试验过程

5.4 试验结果与分析

5.5 小结

6 边坡锚固支护现场应用及数值仿真研究

6.1 边坡工程概况

6.2 土钉加固方案

6.3 边坡加固效果监测

6.4 GFRP土钉与钢筋拉拔性能对比

6.5 边坡支护数值仿真分析

6.6 小结

7 GFRP土钉寿命预测及长期使用性能分析

7.1 耐久性寿命预测理论

7.2 GFRP土钉寿命预测

7.3 长期使用性能分析

7.4 小结

8 结论及展望

8.1 结论

8.2 创新点

8.3 展望

致谢

参考文献

附录1 作者在攻读博士期间发表的论文及专利

附录2 参与科研项目