全黏结BFRP 锚杆应力应变分布特性现场循环加载试验研究

杨佰恒，吴道勇

（贵州太和乾元生态地质科技有限公司，贵州 贵阳 550025；贵州大学，贵州 贵阳 550025）

1 引言

大量研究和工程实践表明，锚固系统的失效多发生在界面部分，随着时间的增加界面发生软化，最终导致结构失效。因此开展锚固体应力应变分析有助于认识其承载性能和工作机理，为岩土锚固工程设计提供合理的理论参考[1,2]。BFRP 锚杆作为近年来出现的一种环境友好型锚杆，其循环荷载拉拔试验下的应力应变分布特性的研究较少。

锚固体系的应力传递规律是岩土工程领域研究的重点内容。关于BFRP 锚杆应力应变分布特性的研究主要基于逐级加载拉拔试验，缺乏循环荷载拉拔作用的下BFRP 锚杆应力分布特性的研究。因此，本文采用循环加载现场拉拔试验研究全黏结BFRP 锚杆应力应变分布特性具有重要的参考价值。

2 工程地质概况

场区属祁连褶皱系的中祁连隆起带，上部为第四系黄土覆盖，下伏上第三系泥岩，地层稳定，断裂构造不发育。无不良地质，地表和地下水不发育。其中，第四系上更新统风积砂质黄土厚12～20m，土质均匀，结构疏松，属IV 级自重湿陷性黄土。

3 试验方案设计

3.1 试验锚杆材料

本次现场试验研究所采用的全螺纹BFRP 锚杆，长度L=4.3m，直径=32mm，其常规力学性能参数如下表1 所示。

表1 BFRP 锚杆常规力学性能参数

3.2 试验设计

在锚杆表面沿轴向布设11 个应变片对锚杆-砂浆界面变形进行监测，间距0.35m，编号为、、…（如图1 所示），应变片型号均为BX120-20AA。图1 中预留外露段用于安装拉拔测试设备，黏结段进行全长灌浆。锚杆锚固长度为3.5m，外露长度0.8m，钻孔直径为110mm，钻孔倾角为15°。

图1 应变传感器布设

3.3 试验过程

（1）试验准备

①夹具制备及应变片安装

设计锚杆破坏荷载的1.5 倍进行拉拔测试，确定采用长度为0.8m、壁厚5mm、外径为50mm 的钢套筒充填环氧树脂进行保护。锚杆表面粘贴应变片位置打磨平整，然后用502 胶水粘贴应变片，并在表面涂抹乳胶做防水处理；应变片通过8m 长的导线相连扩长，便于与DH3816N 静态应变测试系统连接，应变片与导线相接处用焊锡固定连接，用热熔管做防水处理防止渗水影响降低数据采集的准确性。

②钻孔

采用风动钻机在斜坡上钻孔，孔径110mm，钻孔与水平方向的夹角为15°。为确保锚杆锚固段与灌浆体全面接触，钻孔深度需超出锚杆全黏结长度0.5m。

③安装锚杆及注浆养护

将粘贴应变片安装好对中支架的锚杆送入钻孔内，采用孔底返浆方式注浆，注浆使用42.5R 的水泥，水灰比为0.45～0.5。注浆完成后养护超28 天方可开始拉拔测试。

④拉拔荷载设计

其中Pmax为极限破坏荷载（kN），为界面平均黏结强度（kPa）；D 为钻孔直径，为0.11m；L 为界面黏结长度，为3.5m。反算出锚固段极限破坏荷载为48.45kN。因此，设计循环加载如表2 所示。

表2 拉拔试验锚杆各级循环加载量

（2）试验流程

①加载装置安装

拉拔试验装置包括：油压穿心千斤顶（吨位为65t，行程为18cm）、钢垫板、锚具（50 和32）、反力木墩；锚杆端头位移采用精度为0.01mm、量程为50mm 的百分表测量；拉拔荷载采用10080振弦式锚索测力计及其配套数据采集仪进行采集；整平钻孔周围坡面后，依次安装反力墩、钢垫板1、穿心千斤顶、锚索测力计、钢垫板2、锚具、夹具和百分表。其中，百分表通过磁性底座固定于脚手架上。

②加载方式

拉拔试验过程遵循《铁路路基支挡结构检测规程》[4]，并参照《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》[5]，因此试验采用循环加载方式，通过油压表控制荷载大小及速率，稳压时间根据实际情况调整直至加载系统稳定。

③试验终止判定

当试验出现以下情况时判定锚固体系发生破坏，即可终止试验。否则在设计最大破坏荷载基础上乘1.2 和1.5 倍继续循环加载测试：

a.锚杆端头位移不收敛，锚固体从岩土层中拔出，或锚杆从锚固体中拔出；

b.后一级荷载产生的锚杆端头位移增量超过上一级荷载位移增量的2 倍。

4 试验结果分析

4.1 循环荷载-位移关系分析

循环荷载作用下BFRP 锚杆位移如图2 所示。锚杆滑移位移随循环荷载的增大而增加，且下一循环的位移增量值逐渐增大，尤其在破坏前两个循环内位移增量尤为明显。锚杆最大滑移位移点与最大循环荷载点并不同步，有一定的滞后。表明锚杆应力逐步向深部传递，加载停止后由于锚固体系的蠕变作用使位移逐渐增加；而在卸载至较低循环荷载后，出现位移回弹现象。

图2 BFRP 锚杆循环荷载—位移曲线

4.2 BFRP 锚杆轴力分布特征

根据锚杆应变测试数据，通过公式（1）计算BFRP 锚杆的轴力[6]，进而绘制锚杆的应变峰值曲线（如图3 所示）。

图3 循环荷载作用下BFRP 锚杆轴力分布

循环荷载拉拔作用下BFRP 锚杆轴力沿锚固深度的变化特征与轴向应变变化特征相似（图3），均主要集中在近孔口处的测点，尤其近孔口附近段的锚杆轴力响应特征显著，在远离孔口的测点处BFRP 锚杆轴力响应微弱，几乎为0 值，尤其在孔底附近的测点尤为明显，表明锚杆轴力响应强度与其变形呈正相关；且在排除少数损坏和溢出的测点的前提条件下，从测点By1 至测点By11，锚杆轴力变化总体呈现为：随循环荷载的增加而增大，随锚固深度的增加而减小。

4.3 BFRP 锚杆界面剪应力分布特征

取BFRP 锚杆邻近两个测点之间的单元体为研究对象，其剪应力均匀分布，定义Pi为拉拔荷载加载方向。

根据拉拔荷载作用下BFRP 锚杆受力特征，建立相邻两个测点之间的BFRP 锚杆界面力学平衡表达式[7,8]：

图4 显示界面剪应力沿锚固深度分布呈指数函数逐渐减小[9]；根据锚杆界面剪应力的衰减速率的之间的差异特征，可将BFRP 锚杆界面剪应力变化划分为快速衰减阶段和缓慢衰退阶段。此外，BFRP 锚杆界面剪应力大小受外加循环拉拔荷载作用明显，表现为随循环荷载的增加而逐渐增加。

图4 BFRP 锚杆界面剪应力分布曲线

5 结论

基于BFRP 锚杆现场循环加载拉拔试验，探讨了BFRP 锚杆应力应变分布特性，主要结论如下：

（1）BFRP 锚杆滑移位移随循环荷载的增加逐步增大，下一循环荷载下滑移位移增量值更为明显；BFRP 锚杆最大滑移位移点与最大循环荷载点并不同步，有一定的滞后现象，在卸载至较低循环荷载后，锚杆滑移位移回弹。

（2）BFRP 锚杆的轴向应变和轴力随锚固深度的增加逐渐减小；随循环荷载的增加而增大。

（3）BFRP 锚杆界面剪切应力沿锚固深度总体呈指数函数减小的形式分布（如图4 所示）；根据锚杆界面剪应力的衰减速率差异特性，锚杆界面剪可分为快速衰减阶段和缓慢衰退阶段。