酸性土壤腐蚀对锚索力学性能的影响研究

周玮博

摘 要：针对成都市某建设项目基坑支护所采用的锚索腐蚀问题，分别将施加预应力钢绞线裸筋、施加预应力注浆空洞缺陷锚索锚筋、未施加预应力钢绞线裸筋和未施加预应力注浆空洞缺陷锚索锚筋试样埋设至人工配制的高腐蚀性土中，在不同时间段内测试4种试样的力学性能，并绘制出力学性能指标随时间的变化曲线。研究成果对于推断一定腐蚀条件下锚索锚筋的断裂荷载及安全评价具有一定的参考价值。

关键词：酸性腐蚀土 锚索 力学性能

Abstract： In order to solve the problem of anchorage corrosion in foundation pit support of a construction project in Chengdu， prestressed steel wire strand was applied to the bare tendon， and prestressed grouting hole of anchor cable was applied respectively. And the unconfined grouting cavities were implanted into the highly corrosive soils. The mechanical properties of the four samples were tested at different time intervals and the mechanical properties were plotted with time. curve. The research results have certain reference value for estimating the fracture load and the safety evaluation of the anchor bar under certain corrosion conditions.

Key words： Acid corrosion soil； Anchor cable； Mechanical property

成都市某建设项目设3层地下室，基坑深度在±0.00以下14.40 m，设计基础顶面标高为492.35 m，根据《成都地区建筑地基基础设计规范》（DB51/T5026-2001）第11.5.3条确定，该工程基坑安全等级为一级。结合场地周边条件，拟建场地四周均为市政道路，北为龙港路，东为华泰路，南为成泰路，西华甸路，基坑与道路边线距离1～3 m，设计应对周边道路管线进行调查。建议采用排桩+锚索支护，并应加强支护体系整体结构设计。按照成都市安监站文件的要求，锚索应采用扩大头锚索。

在26#、38#号钻孔中共取得2件土试样，根据土的化学分析报告，按《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）2009年版第12.2的规定，对场地土中Cl-含量及pH值进行测定，做场地土对锚索腐蚀性能评价（如表1）。

通过表1可以看出，土中Cl-含量达到70 mg/kg左右，pH值为6.9，土质偏酸性，对锚索具有轻微腐蚀性。

长期处于土体、岩石中的锚索锚筋或多或少都会受到不同程度的腐蚀，从而影响其使用寿命。锚筋长期浸泡在水中，由于氧溶入较少，不易发生电化学反应，锚筋不易被腐蚀，但干湿交替与存在Cl-的环境对锚索锚筋腐蚀影响极大，其基本原理如下：

Fe→Fe2++2e

2H++2e→H2↑

阴、阳极产生的离子生成初步腐蚀物：

Fe2++2Cl-→Fe（Cl）2

并进一步生成：

2Fe（Cl）2+2Cl-+2H+→2Fe（Cl）3+H2↑

Fe（Cl）3+3H2O→Fe（OH）3+3HCl

Fe（OH）3溶解度較低，呈疏松多孔的薄膜包裹钢绞线表面，其保护作用较差，腐蚀作用可以持续进行。

1 锚索腐蚀试验设计

为了使试验环境与锚索实际所处环境接近，试验场地定在附近边坡坡脚。为缩短腐蚀周期，通过加入NaCl和HCl，提高实验所用土的腐蚀等级，HCl用于控制腐蚀土的pH值。

原始土样含水量8.14%，pH值6.9。

腐蚀性物质含量为Cl-：365 mg/kg，SO24-：6 383 mg/kg；折算后的Cl-含量为：365+6383×0.25=1960.75 mg/kg，腐蚀等级为中等。根据计算，向每1 kg原始土样中加入15 g的NaCl，使折算后Cl-的含量大于7 500 mg/kg强腐蚀环境土的要求；再加入一定量的HCl及适量的水，使腐蚀土处于酸性环境中，加入量根据试验确定。

实验用土配制好后，取3组样品进行腐蚀性测定，其中腐蚀性离子含量如下：Cl-：11 575 mg/kg，SO42-：3 427 mg/kg，含水量20%，pH值为6.74，符合强腐蚀等级土的要求。

试验用锚筋采用单孔锚筋1φ15.24mm，其标准强度为1 860 MPa，由高强度低松弛预应力钢绞线制作，设计的试验类型及组数如下。

（1）原状钢绞线1组（3根/组）。

（2）未施加预应力的钢绞线裸筋9组（3根/组），未施加预应力的注浆空洞缺陷锚索9组（3根/组）。

（3）施加预应力的钢绞线裸筋9组（5根/组）、施加预应力的注浆空洞缺陷锚索9组（5根/组），施加预应力100 kN/孔，施加的预应力与现场实际锚索锚筋承受的预应力相当。

腐蚀试样的选取：除原状钢绞线外，其余4种腐蚀样品，每隔2个月取一组进行力学试验，并通过肉眼对其进行腐蚀情况检查。

2 锚索腐蚀试样的力学性能试验结果与分析

对4种类型的腐蚀试样分别进行弹性模量、屈服荷载、断裂荷载以及伸长率试验，并绘制了各指标随时间的变化曲线，如图1、2、3、4所示，通过计算分析可以得到以下几个方面。

（1）未施加预应力钢绞线裸筋腐蚀70 d以后，各项力学性能指标均无明显降低现象，70 d以后力学性能指标降低较均匀，弹性模量、屈服荷载、断裂荷载以及伸长率平均降低速率分别为 0.021 5 GPa/d、0.027 8 kN/d、0.065 kN/d、1.955×10-3%/d。330 d内，各项力学性能指标平均降低速率均较缓。

（2）施加预应力钢绞线裸筋、施加预应力注浆空洞缺陷锚索锚筋和未施加预应力注浆空洞缺陷锚索锚筋试样的弹性模量曲线在70 d内的斜率较大，弹性模量变化较为明显，降低速率分别为0.046、0.059、0.063 GPa/d。70 d以后，三条曲线均变平缓，弹性模量降低速率变小，平均降低速率分别为0.012、0.017、 0.012 GPa/d。

（3）施加预应力钢绞线裸筋、施加预应力注浆空洞缺陷锚索锚筋和未施加预应力注浆空洞缺陷锚索锚筋试样的屈服荷载、断裂荷载和伸长率在330 d的腐蚀周期内曲线斜率无大的变化，降低较均匀，与时间函数关系接近于一次函数线性关系。而未施加预应力钢绞线裸筋的屈服荷载、伸长率随时间的变化曲线局部呈抛物线型，与时间的关系呈二次函数、三次函数关系。

（4）在相同的强腐蚀环境中，4种试样的试验力学性能指标降低速率各不相同。其中，未施加预应力和施加预应力注浆空洞缺陷锚索锚筋的试样力学性能指标平均降低速率相当且最大，施加预应力钢绞线裸筋平均降低速率较大，而未施加预应力钢绞线裸筋平均降低速率最小。

（5）在相同强腐蚀条件下，4种试样腐蚀330 d的力学性能指标降低速率与大小均有差异。未施加预应力的力学性能指标变化速率及变化量与施加预应力注浆空洞缺陷锚索锚筋相近，均有较大变化，且变化速率较大。而未施加预应力钢绞线裸筋变化速率及最终变化量最小。钢绞线裸筋应力腐蚀所占比例较大，应力腐蚀的影响明显，而注浆空洞缺陷锚索锚筋试样应力腐蚀的影响较小。注浆空洞缺陷对腐蚀的影响较大。

3 结论

通过对4种试样进行330 d的腐蚀试验，处理分析数据，得出结论如下。

（1）在相同的腐蚀环境中，注浆空洞缺陷锚索锚筋的腐蚀速率比钢绞线裸筋快一倍左右，更比无缺陷锚索快。因此，施工過程中要避免注浆空洞缺陷的出现。

（2）在强腐蚀条件下，应力腐蚀对锚索锚筋力学性能的影响较大。因此，在成本范围内，可增加锚筋截面积、降低锚索应力水平等手段降低应力腐蚀，延长锚索寿命。

（3）在对锚索锚筋进行安全性评价时，可在得出断裂荷载与腐蚀时间关系后，通过拟合断裂荷载与时间关系的曲线，推断一定腐蚀条件下锚索锚筋的断裂荷载。

参考文献

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