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GFRP(GlassFiberReinforcedPolymer)是玻璃纤维增强聚合物的缩写,是一种新型复合材料,具有轻质高强、耐腐蚀性能好等优良的力学特性。将其替代钢材锚杆用于边坡工程加固将会很好的解决钢材锚杆耐腐蚀性能差,施工困难等很久以来困惑工程技术人员的难题,具有很好的经济价值和社会效益。
本课题通过一系列试验验证了GFRP锚杆具有良好的力学性能,主要包括:拉伸试验、剪切试验、蠕变试验、抗腐蚀性能试验等室内试验。大直径的GFRP锚杆由于材料容易脆断,试验机夹头夹持不住,直接拉伸试验很难成功,多用的方法是加工成小直径试件进行试验。为减少尺寸效应及试件再加工造成的影响,对不同直径GFRP筋材试件拉伸试验,用回归方法预测了大直径φ32mm的GFRP锚杆强度为654MPa,拉伸破坏形式为脆性破坏。剪切试验测试GFRP锚杆的剪切强度为185.8Mpa,并且对GFRP锚杆常温条件的蠕变进行了试验研究,证明了GFRP锚杆常温条件下蠕变量很小,能够满足一般工程要求。所有的室内试验结果表明:GFRP锚杆与钢材锚杆相比具有强度高,质量轻,并且其弹性模量与混凝土的弹性模量相近,因此在受力条件下与混凝土的变形协调性也较钢筋好。同时,在考虑到截面抗拉能力相等的情况下,与钢筋锚杆进行了经济性对比分析,结果也表明GFRP锚杆具有较高的性价比。
GFRP锚杆抗腐蚀性能试验是分别把GFRP锚杆试件放置在PH1、PH4的硫酸溶液,PH7的纯水,和PH12、PH14氢氧化钠溶液中,分别在10d、20d、40d、60d、120d后进行拉伸试验。经过120d腐蚀溶液浸泡后,GFRP锚杆试件尺寸没有变化,颜色稍有变化,腐蚀后的试件干、湿重量变化率最大为0.3﹪,强度保持率分别为100﹪、100﹪、98.8﹪、97﹪、88﹪。试验结果表明GFRP锚杆具有良好的耐腐蚀性能,如果用于工程中将会很好的解决钢筋耐腐蚀性能差问题。
同时,本课题也进行了一系列的现场试验,主要包括拉拔试验和GFRP锚杆加固边坡监测。通过拉拔试验和光纤监测相结合的方法,研究了GFRP锚杆荷载传递机理和循环荷载作用下轴力分布的特征。试验结果表明,φ31GFRP锚杆在荷载作用下的有效传递范围约1.5m,锚杆轴力沿埋深迅速衰减,0.6m以后的锚杆轴力随荷载增加的变化已经很小。在循环荷载作用下,锚杆受力传递范围不断增大,最大粘结应力部位不断向深部发展。
通过对GFRP锚杆加固的试验边坡监测数据表明,GFRP锚杆试验边坡经过当地四百年一遇的强降雨考验后,仍安全运行,结果表明GFRP锚杆同钢锚杆一样能够有效约束边坡变形,起到加固效果。通过与钢筋锚杆的受力状态进行对比分析,GFRP锚杆与钢筋锚杆在同等条件下应力变化曲线相似,表明GFRP锚杆是能够对高边坡起到约束作用,但由于其弹性模量较小,因此,所以变形较大,其受力状态对外界条件更为敏感。
作为一种替代钢材用于土木工程的新型复合材料,GFRP筋材具有优良的力学性能,已经在其他领域广泛应用。但是,作为锚杆用于高边坡加固的实例,目前在国内还是未见到相关文献报道,所以,无论理论探讨还是施工方法都还存在很多问题,需要进一步研究、探讨,以期真正推广GFRP锚杆这种新型材料。