GFRP抗浮锚杆体系多界面剪切特性研究

The anti-floating anchor has a very complex service environment, and especially, the stray current produced in urban mass transit can electrochemically corrode the steel bar, leading to rusting in anti-floating steel anchors and unqualified durability. Compared with the traditional steel anchor, the glass fiber reinforced plastic (GFRP) anchor is improved in tensile strength, corrosion resistance, nonelectric conductivity, non-magnetism, and cost performance ratio. The trend of replacing the steel anchor by the GFRP anchor becomes increasingly obvious in geotechnical engineering, and the use of GFRP material in anti-floating anchor is under test. In this project, we will introduce the GFRP material to anti-floating anchors, and conduct a series of field pull-out tests of prototype anchor by virtue of the embedded fiber Bragg grating sensing and numerical simulation. The objectives are to characterize the interface shear and deformation of GFRP anti-floating anchors， discuss anchorage performances of foundation slab and bonding damage under loading-unloading cycle, uncover the stress and strain distributions and the failure mechanism of GFRP anti-floating anchors, and clarify the reasonable anchoring method to anchor the GFRP anti-floating anchor and foundation slab. Efforts will be made to establish the integration numerical simulation method of the new anchor-slab system considering the real work state of GFRP anti-floating anchors, and improve the design theory and methods. The research findings will underlie the popularization and application of GFRP anti-floating anchors.

抗浮锚杆服役环境十分复杂，特别是轨道交通工程中产生的杂散电流会对钢筋产生电化学腐蚀，导致钢筋抗浮锚杆锈蚀，耐久性不能满足要求。玻璃纤维增强聚合物（GFRP）锚杆具有抗拉强度高、耐腐蚀性强、介电性好、性价比高等优点，其取代钢筋锚杆用于岩土工程的态势在逐年增长，用于抗浮锚杆的尝试也正在进行。本项目将GFRP材料引入抗浮锚杆，拟借助植入式光纤光栅传感技术进行一系列现场原型锚杆拉拔试验及数值模拟，探究GFRP抗浮锚杆的界面剪切特性、变形特征、与基础底板的锚固性能及循环荷载下的黏结损伤，揭示GFRP抗浮锚杆的应力应变分布规律和黏结破坏机理，获得GFRP抗浮锚杆与基础底板的合理锚固方法，建立考虑抗浮锚杆真实工作状态的基础底板‐GFRP抗浮锚杆体系一体化数值模拟方法，完善设计理论和方法，为GFRP抗浮锚杆的推广应用奠定基础。

GFRP锚杆具有抗拉强度高、抗腐蚀性能好、抗电磁干扰能力强、性价比高等优点，成为替代钢筋锚杆解决耐久性问题的有效途径。近年来，GFRP锚杆替代传统钢筋锚杆用于岩土工程的趋势日益增长，但目前国内外将其用于抗浮工程尚处于起步阶段。本项目的主要创新工作及研究成果如下：.（1）研发了非金属抗浮锚杆多界面剪应力联合测试装置及其测试方法，率先利用三重光纤光栅传感器串同步测得GFRP抗浮锚杆杆体-灌浆体界面、灌浆体中央以及灌浆体-岩土体界面轴向应力、剪应力分布形式，实现了原型抗浮锚杆不同界面应力的同步测试，明确了GFRP抗浮锚杆的多界面剪切特性，全面揭示了GFRP抗浮锚杆的多界面力学传递机制。.（2）基于荷载传递理论及Kelvin位移解，推导出理想条件下GFRP抗浮锚杆杆体与锚固体的剪应力、轴力沿锚固深度的分布函数；通过固定脱黏长度下的平均剪应力衰减法及下移弹性段起点的方法对理想条件下的杆体剪应力分布函数进行修正，并通过现场实测结果验证了该方法的可靠性与合理性。.（3）采用倒置的混凝土底板开展了GFRP抗浮锚杆与基础底板的现场锚固试验，研究了GFRP抗浮锚杆与基础底板的黏结锚固性能。结果表明，直径28mm的GFRP抗浮锚杆的弯折影响系数介于0.56~0.89之间，未弯折与弯折的GFRP抗浮锚杆相比，锚杆与混凝土的平均黏结强度提高1.6倍。揭示了锚筋直径、锚固长度和弯折形式对GFRP抗浮锚杆极限抗拔力的影响规律。.（4）通过自行设计的足尺锚杆对拉试验装置对不同外锚固形式的GFRP抗浮锚杆进行的抗拔试验，明确了GFRP抗浮锚杆与基础底板的合理锚固形式，提出一种综合考虑锚筋直径和锚固长度的GFRP抗浮锚杆与基础底板黏结-滑移关系上升段本构模型。.（5）GFRP抗浮锚杆在长期荷载作用下的蠕变试验表明，试验锚杆达到其破坏荷载的38%～45%才发生蠕变。基于标准线性固体模型建立了GFRP抗浮锚杆的蠕变力学模型，结合损伤力学理论和蠕变模型推导了GFRP抗浮锚杆的抗拔承载力，实现了GFRP抗浮锚杆长期承载力的精准预测。.（6）在考虑多界面接触的情况下,建立了基础底板–GFRP抗浮锚杆体系的一体化轴对称计算模型，分析了浮力作用下GFRP抗浮锚杆体系的变形性能和受力特征。结果表明，锚筋的剪应力在抗浮体系中出现两个峰值点，且锚筋在基础底板中的剪应力峰值为地层中剪应力峰值的4.2~5.0倍。