中空GFRP筋土钉抗拔性能研究.pdf
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1、文章编号:1007-2993(2024)01-0078-07中中空空 GFRP 筋土钉抗拔性能研究筋土钉抗拔性能研究刘军1申精1张建全2宋晔1刘鹏3(1.北京建筑大学土木与交通工程学院,北京100044;2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司,北京100101;3.北京市市政四建设工程有限责任公司,北京100176)【摘要】中空 GFRP 筋土钉是一种空心厚壁土钉,具有质量轻、易切割、耐腐蚀等优点。目前,对中空 GFRP 筋土钉的研究相对较少,对其抗拔性能和抗拔机理尚不清楚。依托北京地铁 12 号线北岗子站基坑工程,对中空 GFRP 筋土钉进行了现场抗拔试验,并采用 FLAC3D 数值模拟探究
2、了不同拉拔力下中空 GFRP 筋土钉应力和位移沿钉长的分布规律,分析了不同内径和长度对应力分布和抗拔力的影响,对中空 GFRP 筋土钉的抗拔机理进行了分析。研究结果表明,拉拔过程中土钉的位移和轴力沿钉长呈指数衰减,剪应力在距钉头 1.5 m 处达到峰值,在距离钉头 3.5 m 处降至零;增大内径使土钉轴力沿钉长衰减更快,同时可提高其抗拔承载力,建议外径为 32 mm 的中空 GFRP 土钉内径取为 15 mm;增加土钉长度不仅可以在一定范围内提高其抗拔力,还可使土钉轴力分布更均匀;中空 GFRP 筋土钉的破坏过程可分为弹性、塑性和破坏三个阶段,其破坏形式表现为拔出。【关键词】中空 GFRP 筋
3、土钉;抗拔试验;抗拔机理【中图分类号】TU432 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.01.014Study on the Pullout Resistance of Hollow GFRP Reinforced Soil NailsLiu Jun1Shen Jing1Zhang Jianquan2Song Ye1Liu Peng3(1.School of Civil and Transportation Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Be
4、ijing 100044,China;2.Beijing Urban Construction Geotechnical and Design Institute Limited Company,Beijing 100101,China;3.Beijing No.4 MunicipalConstruction Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100176,China)【Abstract】Hollow GFRP reinforced soil nail is a kind of hollow thick-walled soil nail,which has the ad
5、vantages of lightweight,easy cutting,and corrosion resistance.At present,there are relatively few studies on hollow GFRP soil nails,and their pulloutresistance and pullout resistance mechanisms are still unclear.Relying on the foundation pit project of Beigangzi Station of BeijingMetro Line 12,the f
6、ield pullout test of hollow GFRP reinforced soil nails was carried out,and numerical simulation in FLAC3D wasused to investigate the distribution of stress and displacement along the nail length of hollow GFRP reinforced soil nails with differentpullout force.The effects of different inner diameters
7、 and lengths on stress distribution and pullout resistance were analyzed,and fi-nally,the pullout resistance mechanism of hollow GFRP reinforced soil nails was summarized.The results show that the displacementand axial force of soil nails in the process of pullout decay exponentially along the lengt
8、h of the nails.The shear stress peaks at 1.5 mfrom the nail head and decreases to zero at 3.5 m from the nail head;increasing the inner diameter makes the axial force of the soil naildecay faster along the nail length,and at the same time improves its pullout capacity.It is recommended that the inne
9、r diameter of thehollow GFRP soil nails with an outer diameter of 32 mm be taken as 15 mm;increasing the length of the soil nails not only improvesthe pullout capacity to a certain extent,but also makes the axial force of the nails more uniformly distributed;the destructive process ofthe hollow GFRP
10、 soil nails can be divided into the three stages of elasticity,plasticity,and damage,and the damage form is manifestedas pullout.【Key words】hollow GFRP reinforced soil nails;pullout test;pullout resistance mechanism 0 引言土钉墙是一种经济、简便、施工快速、不需大型施工设备的基坑支护形式1,在我国已得到了广泛的应用。传统土钉芯杆采用钢筋,质量重且抗腐蚀性差,当场地条件受限时往往会伸
11、入相邻场地,由于钢筋不易切割,会影响到相邻场地新建筑物的施工。玻璃纤 基金项目:北京未来城市设计高精尖创新中心资助(UDC2019032824)作者简介:刘军,男,1965 年生,汉族,新疆乌鲁木齐人,博士,教授,主要从事岩土与地下工程的教学与研究工作。E-mail:li- 第 38 卷第 1 期岩土工程技术Vol.38 No.12024 年2 月Geotechnical Engineering TechniqueFeb,2024维筋(GFRP)质量轻、强度高、易切割、抗腐蚀性强,将其用作土钉芯杆替代传统土钉,可有效避免传统土钉的不利影响,逐渐被广泛应用到地下工程中23。土钉墙支护通常是发挥土
12、钉受拉的作用,因此土钉的抗拔特性是衡量其支护效果的一项重要的指标。国内外专家和学者开展了对土钉抗拔特性的研究48,朱鸿鹄等9采用双曲线模型推导了 GFRP 土钉在拉拔过程中的剪应力和剪应变之间的关系,并依托室内试验进行了验证,提出了容许拉拔力通过位移控制的思路;张芯等10基于拉拔试验采用室内模拟试验和数值模拟对 GFRP 筋与砂浆的粘结性能进行了分析,认为纤维筋极限粘结强度应取灌浆体抗压强度的 1/5;陈超等11依托武汉市蔡甸区东风电动车工地 E1F1 段进行 GFRP 筋的现场拉拔试验,探究了拉拔过程中应力沿杆体的分布规律,并分析了不同参数对 GFRP 筋应力分布的影响,认为上覆压力对轴力传
13、递范围无显著影响,黏聚力和内摩擦角增大到一定值时,GFRP 筋轴力开始下降;罗金标等12探究了玄武岩纤维复合材料(BFRP)的力学特性,认为平行索的抗拔极限荷载最高,绞索的抗拔极限荷载最低,但抗拔刚度最高。刘军等13开展了室内锚固试验和数值模拟探究了 GFRP 筋土钉钉头的极限抗拉强度与变形破坏规律。中空 GFRP 筋在保证承载力的前提下节省筋材,同时可兼做注浆管,简化施工工序,节省施工时间。但是,当前尚缺少对中空 GFRP 筋土钉抗拔性能的研究,为此,依托北京地铁 12 号线北岗子站 1 号夹层风道东侧基坑,采用 FLAC3D 对中空 GFRP 筋土钉的抗拔特性进行了研究,探究了拉拔过程中土
14、钉应力与位移的分布规律,分析了内径和长度对中空GFRP 筋土钉的应力分布和抗拔承载力的影响,阐释了中空 GFRP 筋土钉的抗拉机理。1 中空 GFRP 筋土钉抗拔试验北京地铁 12 号线北岗子站夹层风道基坑开挖深度为 6 m,采用土钉墙支护,边坡坡率 1:0.30,设置 4 道土钉(见图 1)。场地表层为人堆堆积层,其下为第四纪全新世冲洪积层,场地地层自上而下依次为:1杂填土,素填土,1杂填土,粉质黏土1层,粉细砂3层。其中人工填土层较厚,对基坑工程影响较大。中空型 GFRP 土钉长度为 8 m,直径为 32mm,内径为 15 mm,钻孔直径为 100 mm,GFRP 筋的弹性模量为 46 G
15、Pa,注浆材料为 M20 水泥砂浆。26.4424.4410600220029301500600600400200 mm 厚垫层基坑开挖过程中边开挖边破除基坑范围内的第一道锚索200283478420022.4421.7420.3419.1425.04(二)1杂填土标高/m1杂填土1粉质黏土1粉质黏土1 号风道基坑1 号风道主体施工完毕后开挖夹层风道基坑阴影范围内地连墙及冠梁边开挖边凿除1粉质黏土3fx粉细砂素填土素土回填单排旋喷柱900023.146 m25.296 m18.996 mXI3-BG128.44 图 1 夹层风道基坑土钉墙支护和地层条件(单位:mm)抗拔试验按照建筑基坑工程支护
16、技术规程(JGJ 1202012)14进行,根据设计抗拔承载力要求,中空 GFRP 筋土钉预估破坏荷载为 90 kN,GFRP 筋的破坏荷载为 450 kN。抗拔试验照片见图 2,典型荷载位移曲线如图 3 所示。由图 3 可知,在荷载小于 80 kN 时,土钉荷载位移曲线近似于线性变化,呈现出弹性特征,随着荷载增加其非线性特征较为明显,表现为前期随荷载增加,位移增长较慢,随着荷载的进一步增加,土钉的位移增长迅速,整个土钉拉拔过程的力学行为呈现出了近似弹塑性特征。分析其原因,该中空 GFRP 筋土钉拉拔过程的破坏为土钉和土体之间的界面破坏,这与现场试验观察到的现象是一致的,在荷载施加到181 k
17、N 时,土钉未出现破坏迹象,在增加到 275 kN时,土钉位移急剧增加,土钉被拔出。2 数值模拟为进一步探究中空 GFRP 筋土钉的抗拔性能,采用 FLAC3D 进行了数值模拟分析。2.1 数值模型的建立依托工程实际建立的数值模型,为避免边界的刘军等:中空 GFRP 筋土钉抗拔性能研究79影响,模型尺寸为 2 m10 m2 m,土钉采用现场试验中对应的中空 GFRP 筋土钉,土钉周围水泥浆范围为直径 10 cm,水泥浆及土体均采用实体单元,其中土钉和水泥浆采用线弹性模型,土体采用 Mohr-Coulomb 理想弹塑性模型,模型四周约束其法向位移,底部采用固定支座约束,顶部不做约束。考虑到现场抗
18、拔试验,在试验过程中,张拉机直接作用在土体上,为和现场试验相符合,土钉临空侧约束了除土钉外其它部分的法向位移,同时为模拟和现场试验相同的埋深条件,通过在顶部施加上覆荷载的方式来进行模拟。土体的计算参数按岩土工程勘察报告选用,其重度为 18.4 kN/m3,黏聚力为 18 kPa,内摩擦角为14o,弹性模量为 12 MPa,泊松比为 0.3,在 FLAC3D输入参数时将弹性模量和泊松比换算为体积模量和剪切模量。土体与水泥浆及水泥浆与土钉之间采用接触面单元模拟,接触面单元遵循莫尔库仑破坏准则,接触面单元的接触刚度取相邻单元等效压缩模量的 10 倍,黏聚力和内摩擦角根据现场试验和模型试算得出,物理力
19、学参数如表 1 和表 2 所示。为减少计算量,计算模型取建立模型的一半(见图 4)。表 1 材料参数表名称重度/(kN m3)弹性模量E/MPa 泊松比 黏聚力c/kPa土体18.4120.3019GFRP筋20.0460000.28水泥砂浆22.030000.25 表 2 接触面参数表接触类别法向刚度Kn/MPa切向刚度Ks/MPa黏聚力/kPa内摩擦角/()GFRP土钉与水泥浆5.75e125.75e12176026水泥砂浆与土体3.75e113.75e1123.818 图 4 数值模型 数值模拟过程如下:(1)初始应力场建立。在不安装土钉的前提下,施加上覆荷载,在施加重力的前提下平衡。(
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