早龄期混凝土中锚杆锚固强度试验研究.pdf

水利水电技术第 4 4卷2 0 1 3年第9期 早龄期混凝土中锚杆锚固 强度试验研究 雷进生 ，陈建飞 ，王乾峰 ，刘 琼，曹雪廷 ( 三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜 昌4 4 3 0 0 2 ) 摘要 ：通过对混凝土 中锚杆进行拉拔试验 ，研 究并分析锚杆锚 固直径、锚 固长度及混凝土龄期与锚 固强度的关系。实验结果表明：锚 固力随混凝土龄 期的增 长呈非线性增 长趋势 ，但增长速度逐渐减 慢 ，并趋于稳定；锚杆的锚 固力随锚杆直径、锚 固长度增加而增大。但在混凝土早龄期锚杆直径对锚 固力影响并不明显 ，应重点考虑混凝土强度增长确定合理的锚 固长度。试验结果和理论分析为改善衬 砌结构的受力状 态、优化拆模 时间提供 了参考依据。 关键词 ：混凝土龄期 ；锚杆；拉拔试验 ；锚 固力 中图分类 号 ：T V 4 3 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 1 4 1 - 0 4 Ex pe r i me n t a l s t ud y o n a n c ho r i ng s t r e ng t h o f a nc ho r - - b o l t i n e a r l y- a g e c o nc r e t e L E I J i n s h e n g ， C H E N J i a n f e i ， WA N G Q i a n f e n g ， L I U Q i o n g ， C A O X u e t i n g ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g&A r c h i t e c t u r e ， C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y ， Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 ， H u b e i ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h r o u g h t h e p u l l o u t t e s t o n t h e a n c h o r b o l t i n c o n c r e t e，t h e r e l a t i o n s h i p a mo n g t h e d i a me t e r a n d l e n g t h o f a n c h o r b o l t ，t h e a g e o f c o n c r e t e a n d t h e a n c h o r i n g s t r e n g t h i s s t u d i e d a n d a n a l y z e d T h e t e s t r e s u l t s h o w s t h a t t h e a n c h o rin g f o r c e p r e s e n t s a t r e n d o f n o n l i n e a r i n c r e a s e alo n g wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e c o n c r e t e a g e，a n d t h e n t h e i n c r e a s e r a t e s l o w s d o wn g r a d u a l l y a n d t r e n d s t o b e s t a b l e， wh i l e t h e a n c h o r i n g f o r c e o f a n c h o r b o h i n c r e a s e s a l o n g w i t h t h e i n c r e a s e s o f b o t h t h e d i a me t e r o f a n c h o r b o l t a n d i t s a n c h o ri n g l e n g t h Ho w e v e r ，t h e r e i s n o o b v i o u s e f f e c t f r o m t h e d i a me t e r o f a n c h o r b o l t d u rin g t h e e a r l y a g e o f c o n c r e t e u p o n t h e a n c h o r i n g f o r c e，a n d t h e n t h e i n c r e a s e o f t h e c o n c r e t e s t r e n gth mu s t b e c o n s i d e r e d f o r d e t e r mi n i n g t h e r e a s o n a b l e a n c h o rin g l e n gth T h e t e s t r e s u h a n d t h e o r e t i c al a n a l y s i s p r o v i d e a r e f e r e n c e b a s i s for i mp r o v i n g t h e s t r e s s s t a t e o f l i n i n g s t r u c t u r e a n d o p t i mi z i n g t h e for m r e mo v a l t i me Ke y wo r d s：c o n c r e t e a g e ；a n c h o r b l o t ；p u l l o u t t e s t ；a n c h o r i n g f o r c e 1 引言 由于施工程序及工艺限制 ，同一工程不同部位 的 混凝土构件浇筑时间不 同，许多混凝土结构在浇筑完 成不久就 已作为承重结构继续在其上施工 。而混凝土 构件的龄期小 于 2 8 d时 ，水化反应 尚未完成 ，力学 性能复杂。许多学者对混凝土早龄期物理力学特性进 行了研究 。 隧洞衬砌结构是 由模板 、围岩和早龄期混凝土结 构构成 的临时承载体系 ，也是材料性能 、形状 、空间 位置均随时间变化的施工时变结构体系。混凝土凝结 W a t e r Re s o u r c e s a n d d r o p o we r En g i n e e r i n g Vo 1 4 4 No 9 期间( 包括拆除模板前后 ) ，其强度和弹性模量都是 变化的，与围岩的相互作用也是动态的。复杂大断面 隧洞往往工程量巨大 ，衬砌拆模时间的长短是制约施 工进度的关键 因素 。然而与此相关的关系隧道支 护质量优劣的支护及拆模时机问题 ，目前更多是依靠 具有实际经验 的工程师来估计 。 以往对锚杆锚固力的研究多针对锚杆在岩土中的 对围岩的锚固作用 叫 ，或者是针对混凝土 中后植钢 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 9 1 9 作者简介 ：雷进生 ( 1 9 7 O 一 ) ，男 ，副教授。 1 4 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 雷进生， 等早龄期混凝土中锚杆锚固强度试验研究 筋的锚固性能l 1 “ 。然而 ，实际工程 中锚杆与混凝 土也存在相互作用。向家坝水电站变顶高尾水隧洞洞 室开挖高度变化大 、跨度大 ，且位于近地表的层状砂 岩体中，为维护拱顶施工期稳定 ，在尾水主洞第一层 开挖完成后进行挂顶混凝土衬砌_ 1 。类似工程施工 过程中，拱顶模板拆除后衬砌混凝土并未达到成熟龄 期 ，由系统锚杆和随机锚杆将混凝土 自重荷载或模板 承受荷载传递 到围岩 ，其 “ 反锚作用 ” 可 以有效地改 善衬砌结构的受力状态，增强结构与 围岩的相互作 用 。 基于此 ，通过对不同直径和不同锚 固长度的锚杆 在混凝土不 同龄期进行拉拔试验 ，对于掌握围岩锚杆 对早期混凝土结构 的反锚固受力演变规律 ， 确定混凝 土锚固参数具有十分重要的意义。 2 试验准备 2 1 试验 材料 试验用混凝土设计强度为 C 2 5 ，具体配合 比见表 1 。试验锚杆采用 H R B 3 3 5级螺纹钢筋 ，直径分别 为 6 1 8 mm、 2 0 mm和 2 2 mm，见表 2 。 表 1混凝 土配合 比 水 水泥 砂 碎石 0 5 1 1 6 5 3 3 4 表 2 钢筋强度计算值 直径 m m 1 8 2 0 2 2 屈服强度 MP a 3 3 5 3 3 5 3 3 5 屈服力 k N 8 5 2 1 0 5 2 1 2 7 3 2 2 试件及制备 抗压强度试件尺寸为 1 5 0 mm1 5 0 m m1 5 0 mm 的标准立方体试块。锚杆锚 固强度试验 ，主要考 虑 锚 固长度 、锚杆直径和混凝土龄期等 因素对锚杆锚 固力的影响 。试验采用 1 5 0 mm和 3 0 0 mm两种锚固 长度 ，试件尺寸分别为 1 5 0 mm1 5 0 mm1 5 0 mm 和 61 5 o mm3 0 0 mm，如 图 1 所示 。 在试件 浇 筑 时预 埋 不 同直径 的锚 杆 ，待试 件 成 型后 2 4 h拆模 ，按 普 通 混凝 土 力学性 能试 验 方 法 ( G B T 5 0 0 8 1 _2 0 0 2) 要 求 进 行养 护 。分别 于 1 d 、2 d 、3 d 、7 d及 2 8 d龄期 对试 件进 行拉 拔试验 。 2 3试验仪器 通过 WA W Y1 0 0 0 C型微机控制电液伺 服万能试 验机及 自制加载反力架对试件进行加载。 1 4 2 A A ( a ) 锚固长度l 5 0 mIl l L 一 ! Q - l ( b ) 锚固长度3 0 0 mm 图 1 拉拔试件 ( 单位 ：mm) 3 试验结果及讨论 3 1 抗 压 强度试 验 混凝土结构工程施工质量验收规范 给出了建 议的混凝土早期强度数学模型 ( t )=( A l n t +B ) ( 1 ) 式中， 厂 为 2 8 d龄期 时抗压强度值 ；A= 0 3 2 5 0 0 0 2 5 f ，B= 0 0 1 4 1 + 0 0 0 6 2 f 。 图2为混凝土轴心抗压强度试验值和计算值与龄 期关系曲线。可以看出，混凝土抗压强度试验值与计 算值略有差异 ：试验值在 3 d龄期的强度已经达到并 超过 2 8 d 强度的 5 0 ；计算值在 3 d龄期 的强度接 近 2 8 d强度 的 5 0 。当龄期到达 7 d时 ，试验值与 计算值强度均非常接近设计值 ，之后增长速度逐渐减 慢 ，并趋于稳定。说明混凝土的早期强度受外界环境 影响较大 ，随着龄期的增长混凝土受外界环境影响逐 渐减小 ，强度增长比较稳定。 3 2拉拔试验 3 2 1 龄 期对锚 固力的影 响 图 3分别 为锚 固长度取 1 5 0 m m 和 3 0 0 m m 时 ， 不 同直径锚杆的龄期 锚 固力关系曲线 。可以看出 ， 试件在前 3 d龄期 内锚固强度增 幅较大 ，3 d龄期之 后锚固强度的增长逐渐趋于平稳。在龄期为 2 d时锚 固强度 已经接近 2 8 d锚固强度 的 5 0 ，而龄期 到达 水利水电技术第4 4卷2 O 1 3年第9期 p = 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、 憩 出 廷 图 2龄期 一抗压强度关 系曲线 3 d时的锚固强度 已经达到并超过 2 8 d力值 的 5 0 。 锚固强度随龄期的增长趋势与混凝土抗压强度的增长 趋势基本一致 。 Z 、 R 圄 揠 醛 肇 至 R 圈 揠 爨 龄期 d ( a ) 锚固长度为1 5 0 m 龄期 d ( b ) 锚固长度为3 0 0 mm 图 3龄期 一锚 固力关 系曲线 锚杆直 径 为 1 8 ram 时 ，分 析混 凝土 抗压 强度 与锚 固力 的关系 ，如图 4所示 。两者之间呈显著 的 线性关 系 ，锚 固力 随混 凝土 抗压 强 度 的增 大 而增 大 ，且 锚 固长 度越 长 ，直 线 斜率 越 大 ，相 关 性越 强 。锚 固长度为 1 5 0 n l m时 ，锚 固力 接近混 凝土抗 压强 的 1 0 ，锚 固长度为 3 0 0 mm时 ，锚 固力接近 混凝土抗压强度 的 1 5 。说明混凝土 中锚杆锚 固力 主要 由混凝 土各龄期 的强度决定 ，增 加混凝土 的强 度可 以有效提高锚 固力 ，有利 于缩短衬砌 混凝土拆 水利水电技术第 4 4卷2 0 1 3年第 9期 模 时间。 Z 收 圈 揠 醛 馨 雷进生， 等早龄期混凝土中锚杆锚固强度试验研究 抗压强度 MP a 图 4 抗压 强度 一 锚 固力关系曲线 3 2 2锚 固长度 对各龄 期锚 固力的影 响 从试验结果来看 ，固定锚杆直径不变，将锚固长 度从 1 5 0 mm增加 到 3 0 0 m m，锚 固力相应增 大 ，见 表 3 。在龄期为 1 d时 ，两种锚 固长度的锚 固力差值 为 9 5 k N，随混凝 土龄期 的增加 ，差值 逐渐增 大 ， 但其增大的趋势逐渐减缓。说明通过增加锚杆在衬砌 中的长度 ，能够增加锚杆的反锚固能力 。确定合理的 锚 固长度 ，能够充分利用锚 固力并节约成本。 表 3不 同锚 固长度的锚 固力 ( 直径为 1 8 mm) 龄期 极 限抗拔力 k N d 锚 固长度 1 5 0 mm 锚 固长度 3 0 0 i n m 差值 1 2 5 7 3 5 2 9 5 2 3 3 6 5 O 8 1 7 2 3 4 _ 4 7 6 5 6 2 0 9 7 5 4 2 7 2 5 1 8 3 2 8 7 7 7 l O1 1 2 3 5 3 2 3锚杆直径对各龄期锚 固力的影响 有关研究表 明 ，随着锚杆直径 的增加 ，锚 固 力也随之增大。如图 3所示 ，龄期在前 3 d时 ，不 同 直径锚杆在各龄期 的锚 固力并无太大差异 。当龄期到 达 4 d时 ，锚杆直径对锚固力 的影 响逐渐明显 ，表现 为 ，随着直径的增大锚杆在各龄期的锚固力呈线性增 长趋势 。且 当锚固深度持续增加时 ，锚杆直径对锚固 力的影响更加 明显。结果 表 明，在混凝 土强度相 同 时 ，由于早龄期混凝土的各项性能均不稳定 ，使锚杆 直径对锚 固力 的影响不够显著 ，这使得混凝土到达一 定龄期后 ( 一般为 3 d ) ，锚杆的极限锚 固力随直径的 增加而显著增大。 3 2 4破 坏 形 态 试件均产生混凝土劈裂破坏 ，锚杆与混凝土明显 分离，只有 2 8 d龄期直径为 1 8 lq fl lq 和 2 0 m m试件为 1 4 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 雷进生， 等早龄期混凝土中锚杆锚固强度试验研究 锚杆屈服 ，其中直径 2 0 m m锚 固长度为 3 0 0 m m的锚 杆在 2 8 d的锚 固力恰好等于锚杆屈服力 ，其余试件 锚杆未达到屈服强度 ，锚杆强度未得到充分发挥 。这 是由于混凝土早期强度及锚固长度均较小 ，锚 固力小 于锚杆 自身屈服力。锚固长度应根据锚杆屈服力和混 凝土强度综合确定。 观察破坏试件锚杆和混凝土的接触面，可以发现 接触面有螺纹状沟痕 ，说明机械咬合力在锚杆和混凝 土之间起重要作用 。因此 ，在工程中应综合考虑混凝 土各龄期强度 、锚 固长度和锚杆直径对锚 固力 的影 响，使锚杆对衬砌的反锚 固作用得到充分发挥。 4结论 通过对不 同直径和不 同锚 固长度的锚杆在不同龄 期进行拉拔试验 ，结果表明 ，锚杆的极限锚固力均随 锚杆直径 、锚 固深度和混凝土 的龄期 的增加而增大。 可 以得 出 ： ( 1 ) 混凝土强度增长前期 ，各龄期 的强度对锚 固 力的大小起主要作用 ，锚 固力随龄期增长呈非线性增 长趋势 ，增长速度逐渐减慢 ，并趋于稳定。锚固力与 混凝土抗压强度呈线性相关关系 ，并且锚固长度越长 相关性越大 。 ( 2 ) 锚固长度应根据锚杆屈服力和混凝土强度综 合确定。在早龄期应重点考虑混凝土强度增长确定合 理的锚 固长度 ，充分利用锚杆锚 固力 。 ( 3 ) 随着 龄期 的延 长直径对锚 固力 的影 响越 明 显。虽然如此 ，但在混凝土早龄期锚杆直径对锚 固力 影响并不明显。 ( 4 ) 充分利用锚杆对混凝土衬砌的“ 反锚作用” 时， 注意衬砌结构的早期养护或使用早强混凝土进行衬砌， 以提高锚杆的早期锚固力 ，达到提前拆模的 目的。 结构设计 时，可结合试验结果进行锚 杆端部设 计 ，充分利用锚杆 “ 反锚作用” ，以改善结构早龄期 受力状态 ，创造有利拆模时机。 参考文献 ： 1 杨伟军 ，王艳 混凝土早龄期的抗压强度与弹性模量 的历 时变 化模型 J 中外公路 ， 2 0 0 7，2 7 ( 6) ：1 4 9 1 5 2 2 I n Hw a n Y a n g a U n c e r t a i n t y a n d s e n s i t i v i t y a n a l y s i s o f t i m e d e p e n d - e n t e f f e c t s i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s J E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 7， 2 9 ( 7 ) ：1 3 6 6 1 3 7 4 3 A r s h a d A K h a n ，Wi l l i a m D C o o k ，D e n i s Mi t h e l 1 E a r l y a g e C O B p r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n p r o p e rti e s o f l o w， me d i u m ，a n d h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e s J A C I Ma t e r i a l J o u r n a l ， 1 9 9 5， V o 1 ( 3 - 4 ) ： 6 1 7 6 2 4 4 魏小胜 ，肖莲珍 ，崔登 国，等 早龄期混凝土 的力学 和电性 能 研究 J 武汉理工大学学报 2 0 0 8 ，3 0 ( 6 ) ：5 2 5 5 5 蔡启 龙 ，袁宝 义，张振华 地下 工程衬砌 拆模 时间研究 J 人 民长江 2 0 0 6 ，3 7 ( 1 1 ) ：3 2 3 4 6 王玉孝 ，王秀明 ，张刚平 拉西瓦水 电站尾水洞混凝土拆 模时 间研究 J 水力发电 ， 2 0 0 7，3 3 ( 1 1 )：8 0 8 1 7 孙海涛 ，刘东燕 ，黄声树 ，等 隧道 支护时机智能决策方法研 究 J 重庆建筑大学学报 ，2 0 0 7 ，2 9 ( 3 ) ：7 8 8 2 8 杨 双锁 ，张百胜 锚杆 对岩土体作 用的力学本 质 J 岩土力 学，2 0 0 3，2 4 ( 增 ) ：2 7 9 - 2 8 2 9 舒谷生 ，彭文祥 ，何忠明 全长粘结式锚杆托拔试 验的数值实 现 J 科技 导报 ，2 0 0 9，2 7 ( 1 2 )：4 7 5 0 1 O 李帆，王荣霞 植筋混凝土锚 固性能试 验研究 J 自然灾害 学报 ，2 0 1 0，1 9 ( 5 ) ：1 0 8 - 1 1 4 1 1 周新刚 混凝土植筋锚固性 能分析 J 岩石力学与lT程学 报 ， 2 0 0 3 ，2 2 ( 7 ) ：1 1 6 9 1 1 7 3 1 2 刘松涛 ，林毅 ，熊道品 向家坝水 电站尾水隧洞大跨度 、无拱 座挂顶混凝土 衬砌 施 丁 J 四 川水 力 发 电，2 0 1 1 ，3 0( 3 )： 2 3 2 73 6 ( 责任编辑欧阳越) 十“十”+”+“十” +”+“十 +“+“+”+“+“+”+”+”+”+”+“+”+” 卜 ” 卜 “十”+”卜” “十” 十 ” 卜 ”十”十” ” 卜 ”十“ 卜 “ 卜 ”卜 简讯 水利部“ 9 4 8 ” 引进项 目“ 轨道式陆面蒸散发测量系统技术引进” 通过验收 2 0 1 3年 6月 1 9日，水利部“ 9 4 8 ” 项 目管理办公室在北京 组织召开了由中国水利水电科学研究院水利所承担的水利部 “ 9 4 8 ” 引进项 目“ 轨 道式 陆 面蒸散 发测 量 系统技 术引 进” 验 收 会。验收会专家组由来 自中国灌溉排水发展中心、水利部植 物保护中心 、长江科学院、中国农业大学、河海大学、水利 部水 土保 持监测 中心 和水利 部科技 推广 中心等 单位 的专 家组 成。 与会专家认真听取了项 目负责人刘钰教高代表项 目组所 作的关于项目完成情况、资金使用情况等工作汇报 ，审阅了 相关技术文件材料，观看了蒸散发测量系统介绍录像。经质 1 4 4 询和讨论 ，验收组认为该项目全面完成了任务书规定的内容 ， 取得了突出进展和优异成果 ，达到了考核指标，一致 同意该 项 目通过验 收。 该项 目在水科院的大兴灌溉试验基地进行了引进关键核 心设备 的调试 和二 次开发 ，取 得 了 良好 的应用 效果 ，系统 的 稳定性及测量精度均满足试验要求。系统的建立为提高水科 院的试验能力和综合科研水平奠定 了基础，也为我国农田耗 水量的监测提供 了更加可靠 、便捷的测定方法和手段，在作 物蒸散过程研究中具有很好的推广价值。 ( 摘 自“ 中国水利 国际合作与科技 网” 2 0 1 3年 7月 1 7 日) 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第 9期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m