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    摘 要：試制了一種新型玻璃鋼螺旋錨，該種螺旋錨采用漸開不等徑螺旋葉片，能逐漸排開土層中的碎礫，對(duì)土層的擾動(dòng)較小。采用強(qiáng)質(zhì)比很高的玻璃鋼代替金屬制成的錨桿具有一定的柔韌性，不易腐蝕，能延長使用壽命。還給出錨的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)以及錨桿的拉伸和蠕變特性，并詳細(xì)描述了下錨的工具和方法。
1  引  言
    螺旋錨作為一種錨固技術(shù)在20世紀(jì)50年代就用于巖土工程施工或原位測試的臨時(shí)錨固措施，到了70年代，加拿大等國將螺旋錨用于超高壓輸電線路桿塔的基礎(chǔ)和拉線地錨。抗拔試驗(yàn)表明，直徑為35cm螺旋錨進(jìn)入黏土層深度為3.7m時(shí)的抗拔力達(dá)145kN，像木螺絲那樣，可旋轉(zhuǎn)自進(jìn)到較深土層，鉆進(jìn)過程擾動(dòng)的圓柱形土體，經(jīng)過一段時(shí)間靜置后其強(qiáng)度將有很大程度的恢復(fù)，故能承受較大的拉拔力，因不需灌漿，施工速度快、無環(huán)境污染。螺旋錨的另一優(yōu)點(diǎn)是，根據(jù)錨桿在坡面的鎖緊扭矩計(jì)算抗拔力P：
    T=0.2Pd    （1）
式中：T為鎖緊據(jù)矩(kN?m)；P為螺紋鎖緊力(kN);d為錨桿螺紋的直徑(m)。
    曾在孝感商場等基坑支護(hù)中采用螺旋錨，錨片由薄鋼板制成，焊接在鋼管錨桿上，鋼管另一端焊有鎖緊護(hù)坡面板的螺釘，用測力板手鎖緊螺母可檢測錨桿的抗拔力，但為了承擔(dān)大的入土扭矩需較大截面鋼管，而錨能承擔(dān)的抗拔力所需截面很小，引起材料的浪費(fèi)，且鋼材易生銹。
    從80年代開始，國內(nèi)外積極探索采用新型材料代替鋼錨桿，高分子復(fù)合材料，特別是樹脂基體復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于錨桿試驗(yàn)研究，并取得進(jìn)展。FRP(fibers reinforced plastic)為纖維增強(qiáng)塑料，其中用玻璃纖維增強(qiáng)的俗稱玻璃鋼。玻璃鋼具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、蠕變小、較好的切割性能、較強(qiáng)的抗腐蝕能力，但玻璃鋼構(gòu)件的抗剪切能力差、延性小，易發(fā)生脆性破壞、不易制成形狀復(fù)雜的構(gòu)件。90年代初，前蘇聯(lián)以玻璃纖維為增強(qiáng)材料的絞合式聚合材料試制成功，并應(yīng)用于井下工業(yè)試驗(yàn)。瑞士研制出全螺紋錨桿、注漿錨桿和全螺紋錨索，并在礦山、隧道等工程中得到應(yīng)用。法國研制、生產(chǎn)出簡單實(shí)用的玻璃鋼錨桿。加拿大研制成功玻璃鋼纖維錨索等。[-page-] 
    本文介紹了螺旋錨玻璃鋼的基本特性、螺旋錨的結(jié)構(gòu)、錨桿的拉伸和蠕變特性、下錨工具，以及與護(hù)坡結(jié)構(gòu)的連接方法。
2  玻璃鋼螺旋錨材料的性質(zhì)
2.1  物理力學(xué)特性
    FRP螺旋錨由錨頭、錨桿和錨尾組成。材料基體為不飽和聚酯樹脂，增強(qiáng)體為玻璃纖維。材料的物理力學(xué)特性由江蘇九鼎新材料股份有限公司自然科學(xué)基金項(xiàng)目合作單提供。
    錨頭采用片狀模塑料(SMC)制作，纖維含量約為30%，纖維無方向性。錨桿為拉擠單向復(fù)合材料，纖維含量約為70%。錨頭和錨桿照片見圖1。
    
    SMC制作工藝是一種纖維增強(qiáng)熱固性樹脂的模壓料，其成型工藝操作簡間，并且能適應(yīng)自動(dòng)化、機(jī)械化生產(chǎn)的要求，可以改善勞動(dòng)條件，適且于高效率的生產(chǎn)玻璃鋼產(chǎn)品。拉擠成型工藝是將浸漬過樹脂膠液的連續(xù)玻璃纖維束模塑成型，并且在熱模中進(jìn)行固化，在牽引拉力作用下連續(xù)引拔出無限長度的玻璃鋼型材，這種工藝適宜于成型各種斷面形狀的玻璃鋼型材。錨頭和錨桿材料的物理力學(xué)特性，分別見表1和表2。[-page-] 
    
    
    錨頭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，材料的纖維含量較低，其拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度與錨桿相比要低得多(分別為16%和40%),可見纖維含量對(duì)玻璃鋼的強(qiáng)度值影響極大。目前，國外工程中采用的碳纖維加筋塑料的極限拉伸強(qiáng)度一般能達(dá)到2000MPa，有的甚至超過2500MPa，玻璃纖維加筋的玻璃鋼極限拉伸強(qiáng)度也超過1000MPa，可見國內(nèi)生產(chǎn)出的產(chǎn)品力學(xué)性能還較低。
2.2  材料的安全系數(shù)
    玻璃鋼材料安全系數(shù)的確定比較復(fù)雜，它涉及到產(chǎn)品原材料、工藝和應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)，需要從試驗(yàn)研究和實(shí)踐中不斷完善，例如，在英國BS標(biāo)準(zhǔn)中，總安全系數(shù)由6個(gè)分系數(shù)組成：
    K_m=K₀K₁K₂K₃K₄K₅    （2）
式中：K₀為極限強(qiáng)度安全系數(shù)，一般取2.0；K₁為制造工藝影響系數(shù)，機(jī)械操作取1.4，手糊取1.6，噴身取3.0；K₂為長期特性影響系數(shù)，取值1.2~2.0；K₃為溫度影響系數(shù)，取決于樹脂的熱變形溫度和工作溫度，按相關(guān)圖查取(略)，取值1.0~1.25；K₄為交變荷載影響系數(shù)，按相關(guān)圖查取(略)，聚值1.0~2.0；K₅為固化過程影響系數(shù)，取值1.1~1.5。一般規(guī)定材料總安全系數(shù)不得小于6.0，手糊工藝取16.0左右。[-page-] 
    在FRP螺旋錨的設(shè)計(jì)中，因錨桿是用機(jī)械操作工藝生產(chǎn)，取K₀=2.0，K₁=1.4，K₂=1.2，K₃=1.0，K₄=1.0，K₅=1.1，則材料安全系數(shù)Km=3.70，取4.0，這與英國BS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一般總安全系數(shù)不得小于6.0相違背，但是國外玻璃鋼材料極限度普遍比國內(nèi)要高，如果國內(nèi)材料取較大的安全系數(shù)，所得材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值較小，實(shí)用價(jià)值不大。考慮到螺旋錨使用的重要性不高， 同時(shí)考慮到實(shí)際測得的FRP錨桿蠕變應(yīng)變極小，認(rèn)為6個(gè)分系數(shù)按要求取值后，后得到安全系數(shù)是有效的。
2.3  設(shè)計(jì)抗拔力的確定
    材料的允許抗拔力：
   
式中：T_am為材料的允許抗拔力(MN)：σ_m為材料的拉伸強(qiáng)度(MPa)；A為錨桿的橫截面積(m²)。
    拉拔試驗(yàn)的允許抗拔力：
   
式中：T_ap為拉拔試驗(yàn)的允許抗拔力(MN)；T_up為拉拔試驗(yàn)的極限抗拔力(MN)；F_s為抗拔力安全系數(shù)；FRP螺旋錨用于邊坡淺層錨固，取2.0。取Tam和T_ap中的較小者作為錨桿的設(shè)計(jì)抗拔力T_a。
3  玻璃鋼螺旋錨的結(jié)構(gòu)
   玻璃鋼螺旋錨的錨頭、錨桿和錨尾三部分通過一定方式連接，形成一個(gè)承受拉拔力的整體構(gòu)件。
3.1  錨頭部分
    與常鋼制螺旋錨不同，玻璃鋼螺旋錨的螺旋葉片錨頭設(shè)在一起，而不是設(shè)在錨桿上。為了在下錨過程中排開土層中的砂礫和減小對(duì)土層的擾動(dòng)，螺旋葉片設(shè)計(jì)成漸開線型。為了與錨桿連接，錨頭分成兩部分，錨頭根部和錨頭端部。
    螺旋葉片整體成型在錨頭根部的圓筒上，圓筒一端設(shè)兩道嚙合口與下錨鋼管嚙合，以備下錨，另一端設(shè)咬合口，與錨頭端部通過銷釘連接。圓筒的內(nèi)徑漸變(形成3^。錐度)，以便與錨桿通過圓臺(tái)形楔塊鎖緊(圖2)。楔塊也是由玻璃鋼制成。[-page-] 
    螺旋葉片的直徑由要求的抗拔力確定，設(shè)計(jì)時(shí)，將螺旋形葉片視為剛性圓形平面板，要求處于常見土基中該面積的承載力特征值不小于材料的允許抗拔力T_am。批試制的螺旋葉片直徑為200mm。葉片的厚度按均布荷載下的抗彎和抗剪要求計(jì)算，在靠近圓筒部位較厚。
   
3.2  錨桿
    錨桿橫截面為空心圓環(huán)，由6股等弧瓣?duì)罱M成，錨桿截面尺寸由錨桿的設(shè)計(jì)抗拔力確定。錨桿插入內(nèi)徑漸變的錨頭根部圓筒內(nèi)，然后用楔塊鎖接，后通過銷釘連接錨頭端部。
    采用6股等弧瓣?duì)罱M成的錨桿原因如下：(1)增加桿體柔性。充分發(fā)揮玻璃鋼抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，盡可能使桿體發(fā)生軸向拉伸破壞；(2)便于生產(chǎn)和運(yùn)輸。一瓣桿件易于制模生產(chǎn)，且在運(yùn)輸途中可形成卷材。在現(xiàn)現(xiàn)施工時(shí)，桿體可以根據(jù)設(shè)計(jì)下錨深度截取，甚至可由4瓣組成，以滿足不同的錨固要求；(3)利于排水加速土體固結(jié)，提高土體抗剪強(qiáng)度。批試制的6瓣錨桿構(gòu)成的空心圓環(huán)，其外徑為12mm，內(nèi)徑為8mm。
3.3  錨尾部分[-page-] 
    錨屬處的等弧瓣?duì)畈Ａт摋U被插入一定長度的鋼套管，鋼套管內(nèi)表面形成3。錐度，用同樣的圓臺(tái)形楔塊鎖緊。鋼套管外表面設(shè)置螺紋，通過墊板、螺母與預(yù)制框架護(hù)坡連接(圖3)。大量的拉拔試驗(yàn)表明，在合理的楔塊長度和錐度條件下，錨尾都是因?yàn)殄^桿材料達(dá)到極限強(qiáng)度而破壞，不會(huì)產(chǎn)生拉脫破壞。
   
4  玻璃鋼錨桿的拉伸蠕變特性
4.1  錨桿的拉伸試驗(yàn)
    拉伸試驗(yàn)在TZY-1型土工合成材料綜合測儀上進(jìn)行，該儀器能自動(dòng)記錄拉力和伸長量。由于玻璃鋼瓣?duì)铄^桿拉伸時(shí)極易滑移或夾裂，根據(jù)錨桿內(nèi)外半徑尺寸，在兩塊夾具的中間分別開了凹凸槽，選取10組試樣測定抗拉強(qiáng)度和延伸率。試樣計(jì)量長度即夾具間距取100mm，拉伸速率為20mm/min。[-page-] 
    由測試的10組數(shù)據(jù)平均得到單瓣玻璃鋼錨桿的抗拉強(qiáng)度為5.34kN，延伸率為5.08%。抗拉強(qiáng)度的均方差為0.576kN、變異系數(shù)為10.8%，伸長率的均方差和變異系數(shù)分別為0.1%和19.33%。按單瓣錨桿的截面積和表2的材料拉伸強(qiáng)度計(jì)算得抗拉強(qiáng)度為5.18kN，可見實(shí)測的抗拉強(qiáng)度稍大。
4.2  蠕變?cè)囼?yàn)
    (1)試樣尺寸及應(yīng)變測量。試樣尺寸選取與拉伸試驗(yàn)相同，計(jì)量長度取100mm，伸長應(yīng)變采用不銹鋼直尺人工測量，觀測時(shí)間間隔按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的要求：當(dāng)整個(gè)拉伸蠕變荷載施加完畢起，在下列時(shí)刻測量試樣長度的變化：1，2，4，8，15，30min和60min，2，4，8h和24h以及3，7，14，21d和42d等。
    (2)試樣夾持方法。試樣夾具和拉伸夾具同，每組夾具由兩塊小鋁板組成，鋁板分別刻有玻璃鋼錨桿內(nèi)外半徑的凹凸槽，保證了長期夾持而不滑移。
    (3)試樣加載。采用恒定重量的砝碼加載，選用了3種不同的蠕變?cè)囼?yàn)拉伸荷載，為抗拉強(qiáng)度T的10%，20%，40%。將試樣和夾具鉛直懸吊，拉力用砝碼一次施加。
    (4)試驗(yàn)環(huán)境。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，沒有調(diào)濕。
    (5)試驗(yàn)結(jié)果和分析，從2004年11月29日起，到2005年3月29日止，試驗(yàn)歷時(shí)4個(gè)月。除加載初期的瞬時(shí)變形外，沒有觀測到蠕變應(yīng)變，試驗(yàn)曲線如圖4所示。
    從以上試驗(yàn)結(jié)果可知，玻璃鋼作為一種新型的土工合成材料，其拉伸和蠕變性能優(yōu)良。
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5  玻璃鋼螺旋錨的下錨工藝
5.1  下錨鋼管和副錨片
    下錨鋼管為熱軋無縫鋼管φ50×8mm。玻璃鋼螺旋錨按設(shè)計(jì)要求能廣泛應(yīng)用于膨脹土等特殊土的護(hù)坡工程中。我國標(biāo)準(zhǔn)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》中列出大氣影響深度一般不超過5.0m，其中大氣影響急劇層深度一般不超過2.3m，可見下錨長度至少應(yīng)該達(dá)到2.3m，才能得到較好的錨固效果，好能達(dá)到5.0m。按入土長度的要求，下錨鋼管每段長度為1.2m，共5節(jié)，相互之間通過螺紋連結(jié)。
    為了和錨頭根部圓筒一端的兩道嚙合口嚙合，在靠近錨頭的下錨鋼管上，設(shè)一帶有副錨片的連接件，連接件的一端與鋼管羅紋連接，另一端為嚙合口和錨頭嚙合，副螺旋錨片的直徑為150mm。
5.2  下錨工藝
    下錨扭矩通過下錨鋼管和連接件傳遞到錨頭，將錨頭和錨桿組件(圖1)擰到設(shè)計(jì)深度后，反旋松開嚙合口，并借助副螺旋葉片退出，該裝置還可在退出過程中借助下錨鋼管實(shí)施灌漿。
    下錨過程如遇到較大的礫石可用帶副錨片的鋼制引錨工具引錨，以防玻璃鋼錨片破壞。引錨和下錨扭矩的設(shè)計(jì)值為1000N?m。圖5為手動(dòng)下錨過程。
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6  結(jié)  語
    玻璃鋼螺旋錨可自旋進(jìn)放較深土層，在無灌漿的條件下，因撓動(dòng)土的觸變性，靜置一段時(shí)間后就具有一定的抗拔力，如對(duì)撓動(dòng)圓樁土體實(shí)施灌漿可望進(jìn)一步提高抗拔力。玻璃鋼螺旋錨有如下幾個(gè)特點(diǎn)：
    (1)錨頭端部采用漸開不等徑螺旋葉片，在下錨過程中砂礫等能逐漸從葉片邊緣排開，容易達(dá)到設(shè)計(jì)下錨長度，并且這種螺旋葉片的型式對(duì)土層的擾動(dòng)較小。
    (2)采用強(qiáng)質(zhì)比很高的玻璃鋼代替金屬制成的錨桿，材料的抗拉強(qiáng)度大、無蠕變變形，具有一定的柔韌性，可以成卷運(yùn)輸，同時(shí)，錨桿的長度和瓣數(shù)可根據(jù)實(shí)際下錨情況錄活截取，能滿足不同土質(zhì)邊坡的錨固需要，此外，在不灌漿的情況下，空心錨桿可排除坡內(nèi)水分。
    (3)玻璃鋼錨桿不易產(chǎn)生電腐蝕和化學(xué)腐蝕，后期維護(hù)費(fèi)用低，且不易老化，能用于永久工程。
    (4)玻璃鋼螺旋錨可以根據(jù)設(shè)計(jì)抗拔力的大小確定是否采用灌漿，故單根螺旋錨抗拔力的取值變化區(qū)間較大，能適應(yīng)不同錨固需要。
    (5)下錨鋼管可兼作灌漿管使用，使下錨和灌漿一次完成。玻璃鋼螺旋錨及護(hù)坡結(jié)構(gòu)采用裝配式，能實(shí)行生產(chǎn)工業(yè)化和施工機(jī)械化(需研制下錨機(jī)械)，從而減少施工工序，加快施工速度。