复合材料土钉支护性能试验分析与应用研究

【摘要】：土钉支护技术广泛应用于深基坑支护工程中,用钢筋作为土钉支护材料,其高强度的优势没有完全发挥。对于基坑和有些岩土加固属于临时工程,在其使用寿命结束后,每年有数百万吨的钢筋材料被永久埋于地下,造成建材资源大量浪费,侵占、影响地下空间的后续利用,更重要的是会产生锈蚀污染,对土壤与地下水环境造成长远影响。本文结合住房和城乡建设部“十一五”科技支撑计划“地下开挖工程岩土加固关键技术”之子课题“复合材料土钉支护技术研究与示范”,选用轻质高强玻璃纤维复合材料(GFP)土钉与可拆卸木塑复合材料(WPC)面板代替传统的钢筋土钉与网喷混凝土面层,通过室内试验对GFP材料进行了力学性能分析与研究,对WPC面板进行了可拆卸设计,并根据土钉与面板的锚固特点进行了力学分析与验算公式的推导,最后利用FLAC 3D软件对所提出的复合材料支护结构进行了仿真分析比较,验证了复合材料土钉支护的可行性。主要研究结论如下： (1)研究了构成复合材料的增强体、基体等的性质,采用了应用于土钉的复合材料—玻璃纤维复合材料(GFP),分析了土钉支护技术的特点,对传统的土钉材料钢筋和玻璃纤维材料进行了简单比较,纤维复合材料土钉具有抗腐蚀、高强度等钢筋无法比拟的优越特性,而价格方面玻璃纤维和钢筋相差不大,提出玻璃纤维复合材料替代钢筋是合理的,具有较理想的发展前景。 (2)选用螺纹表面直径18mm和25mm的GFP杆体进行室内拉伸性能表明：螺纹GFP杆体初期的强度由基体承担,而后期的强度全部由玻璃纤维体承担。承载力会随直径增大而增大,强度随直径增大而减小。对GFP杆体拉伸强度计算公式的修正系数K进行了取值选定,推荐K取0.75是较合理的。 (3)对GFP杆体面内剪切强度进行了理论分析和试验,得到直径18mm和直径25mm的GFP杆体面内剪切强度基本相等。进一步论证了按照混合定律确定的理论公式不适用于该GFP材料。本文提出GFP杆体面内剪切强度需要考虑基体和纤维体的粘结力、基体的抗剪强度两部分。对以上杆体进行了抗弯试验,得到弯曲强度变化规律：杆体的直径越小,杆体所能承受的载荷越小。杆体的弯曲强度与直径大小成反比,随着直径增大,弯曲强度却减少,而且减少较快,从性能分析可知导致杆体破坏的并不是拉应力,而是在杆体中性轴以上产生的压应力。同时研究论证了GFP杆体具有较强的耐酸、耐碱、耐盐及耐冻融等抗腐蚀性能。 (4)通过试验确定砂浆配比(水泥：砂：水)1：1.5：0.4最适合灌浆,直径18mm的GFP杆体拉拔承载力随着砂浆强度等级提高而提高；直径大小对粘结强度的影响不太明显；当粘结长度达到或超过临界粘结长度时,随着粘结长度的增加,平均粘结应力下降。 (5)比较了光面杆体和螺纹杆体的变形、与砂浆体的粘结应力等规律。表明螺纹杆体在受力过程中化学胶着力先发挥作用,然后是摩擦力发挥较大作用,最后是GFP杆体的螺纹与砂浆体之间的机械咬合力发挥作用,其中机械咬合力起主要作用。要切实反映螺纹GFP杆体与砂浆之间的粘结力,需要考虑三类力,因此粘结力理论计算式中需要有分别表示三类力的表达式。 (6)提出选用木塑复合材料代替传统网喷混凝土。研发了新型拼接式木塑复合材料土钉墙坡面防护面板,能方便地拼装形成整齐、可密封的面板支护界面,在临时支护工程完工之后能方便地拆卸下来,回收重复使用。并研发了土钉杆体与面板的锚固方式。提出了GFP土钉与WPC面板设计计算的各项指标及公式。 (7)应用FLAC 3D对钢筋土钉与GFP土钉进行了施工过程的仿真计算,计算表明GFP土钉所受到的力较钢筋土钉要小且分布更均匀,变化规律有一定的区别。GFP土钉产生的位移要大得多,但都在规定范围之内,符合要求；塑性区基本相同。验证了GFP土钉支护是可行的,在GFP土钉支护施工中需要控制好位移。