【正文】 到一起，這樣就生成了錨固系統(tǒng)，其材料常數(shù)如下表所示。在實驗室中不必模擬現(xiàn)場的實驗尺寸。最終的體系破壞由于錨固劑的粘結強度的不夠或是巖體的剪切破壞而導致的。在錨桿錨固的作用下使斷裂不連續(xù)的巖體壓緊、密實，形成一個整體，而巖體與錨桿也通過粘結作用成為一個錨固整體，與巖體共同變形、共同作用。圖2．2(b)為實驗所用錨桿試件的形狀示意圖，圖中是幾種不同的玻璃鋼復合材料制作的基體示意圖。錨桿桿件實物圖如2．2所示。本實驗采用改進的拉拔實驗模型，實驗原理圖如圖2．1所示：(1)玻璃鋼錨桿實驗中采用的玻璃鋼錨桿由本力學實驗室自己生產，錨桿的形狀為螺紋錨桿。采用同一種測試方法去測不同情況的界面強度，能夠相對地反映出界面強度的高低，從這種意義上說是有應用價值的。固化時所產生的氣體，有一部分將隨機地分布在界面上，使界面強度減弱；錨桿和基體之間容易產生擴散和化學反應，產生脆性層，使界面強度發(fā)生變化；錨桿表面有無涂層也使界面強度產生差別，錨桿和基體間的吸濕也可使界面強度下降，如此等等。所以，用上述方法測得的結果不能完全反映實際情況。這種式樣的試件，基體在固化后所產生的收縮，使錨桿和基體間產生壓應力，有助于提高界面的平均剪切強度。l取的過小，可能產生～些新的問題。在可能拔出的前提下，l越大，在界面上剪應力(沿錨桿方向)和正應力(垂直于界面)都分布得越不均勻，定性地說，破壞是由最大應力(或應變)控制的，從局部破壞擴展為全部破壞，因此測得的平均界面剪切強度偏低。由于本文主要目的是測試錨桿和錨固劑界面最大剪切強，所以確定合理的錨固長度的實驗只作簡單的介紹。沿錨桿方向施加拉力P。要對錨固的承載力進行計算和分析，必須要用到界面粘結一滑移關系，本文進行了錨桿一錨固劑的粘結滑移性能的實驗研究，得到了載荷一滑移曲線，分析了影響錨桿一錨固劑粘結性能的因素，計算了界面剪切強度，為本文的理論分析和數(shù)值模擬奠定基礎。2．2實驗原理描述錨固技術(Pore．Installed anchors)涉及到三種介質：錨桿、錨固劑和巖體。這種實驗方法不僅試件制作及實驗裝置簡單，實驗結果便于分析，而且能夠比較準確地反映粘結錨固錨桿受力的基本規(guī)律，同時對于錨桿外形特征的變化也比較敏感。根據(jù)這種實驗方式得出的是平均粘結應力與滑移關系，最好的方式是在剖開的錨桿中貼應變片，但由于實驗設備的限制，這種方式不能夠實現(xiàn)。實驗試件采用長度為1600mm，直徑為16mm的復合材料錨桿。本實驗我們的主要研究目的是測出玻璃鋼錨桿和錨固劑環(huán)氧樹脂之間的粘結強度，研究玻璃鋼錨桿的粘結性能，并對其做出一定改善。通過國內外學者對錨桿的拉拔實驗的研究調查總結，同時參照ACI，ASTM的相關范圍，并結合有關錨桿的設計規(guī)程、計算模型，在標準拉拔實驗模型的基礎上，設計適合錨桿本身力學特性的實驗裝置和實驗模型，對玻璃鋼錨桿與錨固劑的錨固機理進行探討研究。Larralde等(1994)用拉拔實驗方法對錨桿進行了一系列的實驗，通過實驗，他們認為在錨桿和混凝土之間分布著非線性的粘結應力，粘結應力主要分布在混凝土圓柱體的受載荷部【539。每種型號的錨桿在兩種埋置長度上都分別做4組試樣。Chaallal和Benmokrane與1993年采用拉拔實驗方法進行了另一項實驗。通過比較實驗結果可以發(fā)現(xiàn)，錨固長度較長的桿件實驗所測得平均粘結應力小于錨固長度較小的桿件所測得平均粘結應力。國內外學者自1993年起，開展了大量采用拉拔實驗對錨桿與混凝土的粘結性能的實驗研究。第二章錨桿粘結性能試驗研究2．1錨桿粘結試驗概述2．1．1試驗背景目前，對于玻璃鋼錨桿與巖體的粘結性能，國外作了大量的實驗研究，所采用的試驗方法主要是直接拔出實驗，也叫做拉拔實驗。最后得到了時間與應力的分布曲線。得到錨桿在受載荷作用下其界面上的應力分步規(guī)律。有粘結強度作為基礎，為數(shù)值模擬提供更好的依據(jù)。在試驗數(shù)據(jù)的基礎上，對拉拔試驗模型進行有限元分析。相對于鋼材來說，玻璃鋼復合材料具有輕質、高強、耐腐蝕、不導電、不導磁等優(yōu)良特性，但是將玻璃鋼用于錨桿仍然缺少相關的必要的試驗研究和理論分析，特別是玻璃鋼錨桿材料與錨固材料之間粘結的力學特性和機理，需進一步的研究和論證?；谶@一點本文對錨固系統(tǒng)的力學機理進行試驗和數(shù)值模擬的研究：錨桿～粘結材料之間的粘結作用及其應力分布，錨桿在受載荷時的力學特性分析，粘結材料一基體之間的粘結作用；在此基礎上得到了錨桿上的應力分布規(guī)律以及最大承載能力。對于前者，可以借鑒鋼筋與混凝土粘結問題的研究理論，畢竟在鋼筋與混凝土粘結問題的研究方面己經(jīng)發(fā)展到了比較成熟的階段。既然界面粘結作用是錨固系統(tǒng)承載力的決定因素，那么這方面的研究就顯得越發(fā)重要，以前對于界面問題，往往采用平均粘結力的概念，事實證明這種假設與實際情況不符。大部分的錨固承載力的設計公式都來自于界面的宏觀分析，而沒有考慮界面裂紋的具體擴展過程，沒有形成一個能真實反映界面粘結力分布的理論體系，也沒有確切的界面粘結——滑移的關系式。因此，界面粘結問題是錨固機理研究的重點。按照錨固體內部桿體與粘結材料之間的傳遞力的不同方式，可將錨桿分為拉力型、壓力型兩種，無論是那一種錨固系統(tǒng)，力的傳遞由錨桿體到粘結材料，再由粘結材料到基體。1．4．2研究意義錨桿，無論它是埋設于土層、巖石或混凝土中，它總是屬于傳遞主體結構拉力至周圍基體的下部結構的組成部分?，F(xiàn)有的各種模型仍存在不少顯而易見的不足，理論和數(shù)值分析與實際情況出入較大。錨固技術出現(xiàn)較早，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)具有非常大的應用范圍，為了指導設計和施工，各國都制定了專門的規(guī)范。近年來，由于在建筑工程中遇到越來越多的建筑翻新、建筑用途的改變、或既有建筑的改擴建以及大量新建工程施工的需要，混凝土結構后錨固技術的研究和應用變得越來越重用。由于錨固技術的便捷性，從上世紀八十年代開始應用到混凝土結構工程中，稱之為混凝土后錨固技術，混凝土后錨固技術是在粘結式錨桿的基礎上發(fā)展而來的。以其優(yōu)異的性能，目前在國民經(jīng)濟中已成為不可缺少的材料，已廣泛應用于國防、航空航天、船舶、化工、民用等諸多領域。1．4問題的提出及本文研究內容1．4．1研究背景纖維增強復合材料與傳統(tǒng)的單一金屬材料相比，在材料性能與設計方法上有明顯的優(yōu)越性。其中，有限單元法的廣泛適用性和較高的求解精度受到廣大研究人員的青睞。然而巖土工程的現(xiàn)場、實驗室試驗精確的實驗條件難以試驗，操作復雜，因此，研究和發(fā)展數(shù)值分析方法在錨固工程中的應用是十分迫切和必要的。當他在彈性體上安裝具有預應力的錨桿時，發(fā)現(xiàn)在彈性體內便形成以錨桿兩端為定點的錐形體壓縮區(qū)，若將錨桿以適當間距排列，使相鄰錨桿的錐形體壓縮區(qū)重疊，使形成一定厚度的連續(xù)壓縮帶，通過錨桿的加固，破碎的巖石通過擠壓作用成為錨固體中承受相當大的荷載的作用。(3)擠壓作用原理。把錨桿埋入巖土體一定的深度，相當于將簡單疊合數(shù)層梁變成合梁，從而提高了地層的承載能力。由于層間抗剪力不足，在載荷作用下，單個粱均產生各自的彎曲變形，上下緣分別處于受壓和受拉狀態(tài)。組合梁作用原理是較早提出的理論，也是一般公認的支護作用原理之一。1．3錨固工程問題的理論研究及數(shù)值模擬現(xiàn)狀自錨桿投入工程應用以來，錨桿的錨固機理和設計方法就一直受到學者工程師們的關注，目前有關錨桿錨固機理的理論主要有如下幾種：(1)懸吊作用原理，即認為錨桿支護是通過錨桿將軟弱、松動、不穩(wěn)定的巖土體懸吊在深層穩(wěn)定的巖土體上，以防止其離層滑脫，錨桿主要起到克服滑落巖土體的重力或下滑力，來維持工程穩(wěn)定。5．復合材料改善環(huán)境的積極作用。3．提高生活質量。我國目前已能生產國際市場上大多數(shù)品種的玻璃鋼用增強材料，前些年存在的增強玻璃纖維切不斷、浸不透、分布散的狀況已有很大改觀，玻璃纖維行業(yè)已能向玻璃鋼工業(yè)提供質量較好的玻纖增強材料，但總的來說玻纖質量仍存在許多問題，即使池窯拉絲所生產的玻纖增強材料在質量方面在國際市場中居中等水平，但在玻璃纖維品種規(guī)格質量方面與國外相比仍然有很大差距1．2．4下世紀復合材料發(fā)展的機遇1．用于解決資源和能源短缺方面。拉擠成型工藝的研究始于50年代，60年代中期實現(xiàn)了連續(xù)化生產，在70年代拉擠技術又有了重大的突破，近年來發(fā)展更快。1961年片狀模塑料在法國問世，利用這種技術可制出大幅面表面光潔，尺寸、形狀穩(wěn)定的制品，從而更擴大了樹脂基復合材料的應用領域。1950年真空袋和壓力袋成型工藝研究成功，并制成直升飛機的螺旋槳。1946年纖維纏繞成型技術在美國出現(xiàn)，為纖維纏繞壓力容器的制造提供了技術貯備。從此纖維增強復合材料開始受到軍界和工程界的注意。以玻璃纖維作為增強相的樹脂基復合材料在世界范圍內己形成了產業(yè)，在我國俗稱玻璃鋼。1．2．3玻璃鋼復合材料在工程中的應用樹脂基復合材料(Resin Matrix Composite)也稱纖維增強塑料(Fiber Reinforced Plastics)，是目前技術比較成熟且應用最為廣泛的一類復合材料。三種復合材料中，樹脂基復合材料用量大，產量最高，約占復合材料總量的90％以上。2．金屬基復合材料根據(jù)目前研究進展，主要是指晶須、硼纖維、SiC、纖維和表面帶有TiB、TiC、SiC等涂層的系列石墨纖維增強鋁、鈦、鎳等復合材料。1．聚合物基復合材料(有機高分子基復合材料)通常稱為樹脂基復合材料，纖維增強塑料和玻璃鋼。一般而言，復合材料的構成有兩大要素：一為基材(Matrix)，另一為補強材料(Reinforcement)，二者予以復合，以獲得一種高性能、高可靠度及高設計彈性的新材料。相信復合材料一定能為我國在下世紀中的國民經(jīng)濟和國防建設作出貢獻。并加大資金投入力度，完善原材料的配套體系，在此基礎上瞄準國際發(fā)展前沿，特別是用于6建材的復合材料國際上剛起步，我國應迎頭趕上，才不致落后。在國際學術會議上能占靠前的席位，并受到一定的重視。復合材料雖然受到有關國家部門的重視，但發(fā)展很不平衡，特別是原材料的配套問題更為突出，加上過去工業(yè)基礎薄弱所以迄今的總產量約為8萬噸，尚低于我國臺灣地區(qū)的產量，特別是先進復合材料更為遜色。而進入2l世紀以后，鋼材料的腐蝕問題更加嚴重。我國在1981年對華南18座鋼筋混凝土碼頭的調查表明，盡管使用期僅7．15年，但有16座碼頭的鋼筋嚴重銹蝕。在日本，由于較多地區(qū)采用海沙作為混凝土中的細骨料，使鋼筋銹蝕成為一個嚴重問題。目前美國近60萬座橋梁中，有近10萬座鋼筋銹蝕嚴重。據(jù)國外資料介紹，美國每年因鋼材銹蝕造成的損失高達700億美元。當由于施工原因混凝土中加入了外加劑，或冬季防止混凝土橋梁、路面結冰而撤鹽等，都會導致氯離子與鋼筋和混凝土發(fā)生復雜的電化學反應，從而導致鋼筋銹蝕，混凝土脹裂，結構失效?；炷两Y構中鋼筋銹蝕的主要原因有：(1)因混凝土保護層過薄或密實性較差，空氣中的二氧化碳滲入保護層，使保護層碳化，鋼筋銹蝕，混凝土脹裂。鋼筋混凝土結構中如果設計得當、結構合理、工質量可靠，在正常環(huán)境條件下具有良好的耐久性。解決這類問題的傳統(tǒng)做法是在鋼材的表面涂防腐劑，或是改變鋼材的物理化學成分提高鋼材的耐腐蝕性，但是這種做法一方面會增加錨桿安裝操作的復雜性，另一方面會提高工程的成本造價。隨著載荷的增加，載荷傳遞到錨固段長度遠端前，錨固劑與巖體間剪應力會發(fā)生逐步弱化或脫開的現(xiàn)象。對不同巖土層有效因子隨著錨固段長度變化的規(guī)律是不同的，今后應通過大量的試驗和施工監(jiān)測得到不同地層中的有效因子，為錨桿設計提供定量的科學依據(jù)。由圖1．1表明，隨著錨固段長度的增加，綜合有效因子 急劇下降。這個粘結應力值正是按照平均剪應力公式算出來的。澳大利亞MarcA．Woodwor采用BS8081：1989《英國地錨施工標準規(guī)范》，于1997年，在位于西澳大利亞黑德蘭港的耐而森BHP鐵礦擴大生產能力的建設項目(CEP)中，進行了預應力錨桿的設計、試驗、監(jiān)測和施工方法研究，特別是對錨固段注漿體與地層之間剪應力(郎第2界面剪應力)進行了多次相關測試并用于正式設計。不過對錨桿各界面均未布點進行測量。對于低壓注漿錨桿，粘結強度與有效注漿壓力有關，在無粘性砂土中，取‰=PAtg‘P，其中A為小于1的無量綱經(jīng)驗系數(shù)；P為有效注漿壓力；具體應用P值時通常限制在3．5bar或0．46Hbar以內；H為復土深度(單位為m)；Q為無粘性土內摩擦角。對于注漿錨桿，據(jù)國外資料介紹，粘性土中第2界面上剪應力可表示為‰=aSu，其中S。1．1．3國外研究進展國外對錨固結構各界面剪應力分布規(guī)律的研究十分重視，也已做了大量的試驗研究工作，其起步也早于我國，并且初步形成了一些計算方法?！嵨目烧f明兩點：①第2界面剪應力分布不均勻；②確定抗拉力是不能按平均值處理的。中國工程院院士、原空軍工程學院鄭穎人等為確定由于錨桿受拉而增加的洞周附加抗力ob時指出：“必須先弄清楚錨桿所受拉力。拉拔試驗結果是趙樹德的主要依據(jù)之一?！笨梢哉J為，這是這個時期有代表性的專著。作者指出：“粘結強度的測定，一般均是通過拉拔得到的錨固力，再除以粘結面的總面積而得出，它是一個平均值。該書由段振西審閱。該公式是對平均剪切強度公式的有益修正。所給出的樹脂錨固劑與鋼絞線的粘結(即第1界面)長度、樹脂錨固劑與鉆孔巖壁的粘結(即第2界面)長度公式與我國現(xiàn)行規(guī)范給出的基本一致，它建立在平均粘結強度基礎之上。后者研究的是鄰近第2界面問題。冶金部建筑研究總院程良奎等對北京城大廈深基坑工程中長12m拉力型錨桿，粘結應變片進行了5級拉拔試驗，所得結果仍為錨桿第1界面應變分布狀態(tài)。鐵道部科學院西北分院在上述膨脹巖土工程試驗中，對用土釘加固南昆鐵路SDK50+437．5膨脹性紅土試驗工點路塹邊坡斷面的6根長4m的土釘，除去兩端0．5m外，等間距地安裝了4個電阻應變的鋼筋計進行測試。不過這四個現(xiàn)場的測試結果均不是理想第2界面上的應交分布，這也是不得已而為之。1．1．2國內研究進展將錨固結構的第第2和第3界面明確地給予劃分和鑒定，主要是為了方便討論，而國內外確實存在各界面相互混指和彼此替代的現(xiàn)象。錨固結構與被加固支護的巖土介質構成一個復雜系統(tǒng)，錨固結構各界面剪應力間存在著強烈而復雜的相互作用、相互影響的關系。人類應用錨桿的歷史至少已有134年(1872)，在全世界各類巖土工程中的應用數(shù)量巨大，對人類工程建設的貢獻和所產生的社會經(jīng)濟效益是很大的。第l界面是指錨桿桿體與錨固劑之間的界面，第2界面是