纤维砂浆增强锚索锚固作用的机理分析

纤维砂浆增强锚索锚固作用的机理分析
□天津港建设公司矫捷
摘要：随着高边坡高速公路的发展，对锚固的要求越来越高。

在一定配比的砂浆中掺入一定量的聚丙烯纤维所得到的聚丙烯纤维砂浆能够改善锚固段的受力变形特征，提高锚杆的锚固能力，其工程性能优于现在常用的灌浆材料—普通砂浆。

关键词：灌浆材料聚丙烯纤维预应力锚索锚固能力
1 纤维砂浆基体的增强作用机制
1.1纤维对砂浆基体结构特性的改善作用
1.1.1乱向支撑效应
混凝土在硬化产生强度的过程中，由于化学反应和自由水分的蒸发引起体积收缩和干缩。

由此产生的应力在某个时期超出了水泥基体的抗拉强度而在其内部引起微裂缝，这些微裂缝不可避免地存在于混凝土内的骨料和水泥凝胶体的局部接触面处以及凝胶体自身内部。

聚丙烯纤维无重力作用，能够均匀地分散在砂浆中，迅速而轻易地与混凝土材料混合，这些纤维重重叠叠，在混凝土（砂浆）内部构成一种均匀的乱向支撑体系，从而产生一种有效的二级加强效果。

微裂缝在发展的过程中必然遭遇到纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展，从而阻断裂缝达到抗裂的作用。

1.1.2 纤维的增稠效应
纤维加入混凝土砂浆可以减少浆液的离析、沉淀，减少泌水，从而改善砂浆凝固体系结构和力学性能。

混凝土的密实度在一定程度上得到了改善，粘聚性更好；水泥基体水化反应更均匀彻底，从而使混凝土的质量从根本上得到改善。

1.1.3 界面效应
纤维极大的比表面积，能使其与砂浆/混凝土基体增大接触面积，使砂浆与纤维的牢固结合共同承担荷载。

实验表明，在相同的条件下，纤维混凝土/砂浆试件的破坏情况与普通试件大不相同：普通的混凝土为脆性破坏，完全断裂；而纤维混凝土试件仅有两条不同方向的可见短裂缝，试件仍保持完整。

由此可见纤维能与基体中的骨料较好地粘接在一起共同承担外部荷载，从而改善了混凝土/砂浆原有的受力性状，大大提高混能土的抗裂能力和韧性，克服混凝土的脆性，使其延性增强减少劈裂的产生。

1.1.4 砂浆凝固时阻裂效应
研究表明，多数裂缝同荷载无关，塑性收缩、干缩、温度变化等开裂因素才是混凝土众多问题的根源。

聚丙烯纤维独特的表面处理工艺使得纤维可以和水泥基料紧密地结合在一起，在混凝土内部形成的乱向支撑体系有效阻碍骨料的离析，保证早期均匀的泌水性，从而阻碍沉降裂缝的形成，截断并防止微裂缝的发展，极大地保持了混凝土的整体强度。

混凝土受到冲击时纤维吸收了大量能量，从而提高了混凝土的断裂韧性，增强了混凝土的抗冲击及抗震能力。

试验表明，同普通混凝土相比，体积掺量0.05%（约0.5kg/m3）的聚丙烯纤维混凝土抗裂能力提高近70%。

1.2 纤维对砂浆基体力学特性的改善作用
纤维能够提高和改善混凝土/砂浆的抗压、抗拉、抗折等力学强度主要由于以下两种作用引起。

1.2.1 聚丙烯纤维对水泥基体裂缝的约束作用
图1-1（a）所示模型可以说明水泥土中掺入纤维后强度提高的原因。

图1-1（a）所示为连续纤维沿拉力方向按棋盘状分布与基体中（间距s），现假设裂缝（半长a）存在于4根纤维所围成的区域中心，那么由拉伸应力所产生的粘结应力 就分布在纤维的裂缝端部附近[见图1-1（b）]，对裂缝尖端产生反向的应力场，降低裂缝尖端的应力集中程度，约束裂缝的发展。

使得裂缝端部的扩展力减少，纤维水泥土的抗裂强度得以增加。

图1-1 纤维对脆性材料基体中的裂缝约束机理
1.2.2 复合作用
1.2.2.1纤维的物理力学性能分析
聚丙烯纤维对酸、碱都有极强的抵御能力，经过特别的抗紫外线处理的纤维，具有一定的抗紫外线老化能力，可以保证其在混凝土中长期发挥功效，保持混凝土优良的性能。

1.2.2.2水泥物理力学性能分析
混凝土(砂浆)受到长期荷载后，由于温度变化或水分吸收而引起混凝土的收缩。

水泥的收缩变形是影响聚丙烯纤维和混凝土粘结性能的主要因素。

1.2.2.3纤维与基体（水泥）界面的应力分析
当荷载作用于复合材料时，荷载直接施加于基体材料，然后通过纤维—基体（水泥）的界面传递给纤维。

纤维约束了基体的变形，从而提高了基体的力学性
2 砂浆与锚索相互作用机理
2.1 影响锚索体与砂浆之间粘结力的主要因素
岩层锚索的抗拔力和最小锚固长度一般取决于砂浆的粘结力。

研究表明，锚索与砂浆之间的粘结锚固能力可以有以下四种途径：
（1）化学作用
钢筋与混凝土接触面上化学吸附作用力，这种力一般很小，当接触面发生相
对滑移时，该力即行消失。

（2）摩擦作用
混凝土收缩，将钢筋紧紧握故而产生摩擦力。

钢筋和混凝土之间挤压力越大、接触面的粗糙程度越大，则摩擦力就越大。

（3）握裹力作用
钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机械咬合作用力，也称握裹力。

这种机械咬合作用往往很大，是变形钢筋黏结能力的主要来源。

（4）锚索钢筋受拉对砂浆挤压力作用
当锚索的钢筋受拉时由于钢筋与砂浆界面的不规则性，在两者的接触面上产生了轴向和径向的分力，这两个力反作用于砂浆，使砂浆中产生了径向挤压应力和环向应力。

2.2 粘结破坏形式
2.2.1 剪切破坏型
在这种破坏形式中，影响锚索抗拔能力的主要因素是砂浆的粘结能力，而砂浆对于钢筋的粘结力取决于砂浆与钢筋之间的抗剪强度。

当外部作用产生的拉力应力大于锚索与砂浆之间的抗剪强度时，锚索将沿着接触面发生剪切滑移，锚索最终被拔出。

2.2.2劈裂破坏型
如果采取一定的措施增加了砂浆与钢筋之间的抗剪强度，锚索的抗拔力取决于砂浆内部的抗剪力，也就是砂浆本身的抗剪强度。

在现场试验中多次出现了砂浆胶结体由于内部应力超过了其最大抗剪强度而发生开裂破坏。

2.3 锚索抗拔力的控制因素
假定孔壁与围岩的接触面能够提供足够的抵抗力，在这种情况下，锚索的抗拔力必须同时满足以下三个条件。

（1）锚固段的砂浆对于钢拉杆的粘结力需能承受极限拉力；
（2）作为粘接体的砂浆应具有承受极限荷载的能力；
（3）钢筋或钢绞线需能承受极限拉力。

在锚索的设计中，应对钢筋或钢绞线与砂浆的粘结力和砂浆本身的抗剪强度进行比较，取其中较小者确定锚索的极限承载力。

3 砂浆与孔壁围岩相互作用机理
3.1 砂浆与孔壁围岩之间粘结应力的作用机制
3.1.1 化学作用
无论是水泥浆或是化学浆液，都具有能产生胶结力的化学反应，把分开的岩石或土体与浆液连接在一起，从而使岩土体的整体结构得到加强。

浆液在化学反应的过程中，某些化学剂能与岩土中的元素进行离子交换从而形成具有更加优良性质的新材料。

3.1.2 摩擦作用
当锚固段受力时，拉力首先通过钢拉杆周边的砂浆握固力传递到砂浆中，然后再通过锚固段钻孔周边的地层摩阻力传递到锚固的地层中，因此，钢拉杆受到的拉力，由锚固段地层对于砂浆的摩擦力抵抗。

3.1.3 嵌固力作用
砂浆进入灌浆孔后，填充在岩石裂隙及土体的孔隙中，随后浆液发生凝固，凝固体嵌入岩石裂隙或土体孔隙中，形成镶嵌结构。

因围岩或土体与砂浆具有不同程度的刚性，砂浆嵌固作用改变了岩层及土体对外力的反应机制。

3.1.4 挤压力作用
锚索钢筋受拉时通过砂浆胶凝体将外力传递到砂浆与围岩的接触面上，在接触面上产生作用力和反作用力，由前面的分析可知，作用力可分解为沿着锚索轴向和径向的两个分力，正是由于这两个力的作用对砂浆产生了挤压效应，在接触面上形成抵抗外力的作用力。

3.2 粘结破坏机理分析
3.2.1 锚固段孔壁的抗剪强度
在风化层和土层中，锚索的钻孔直径，有效锚固长度和砂浆与孔壁周边的抗剪强度是直接影响锚索抗拔能力的主要因素，同时锚索的抗力还受到锚索所处的埋藏深度、锚索类型和施工灌浆等许多复杂因素的影响。

影响锚索孔壁与砂浆接触面的抗剪强度的因素有：
（1）岩层锚索孔壁的摩阻力
在较完整的岩层中，最危险剪裂面往往不在孔壁附近，而是发生在沿钢筋周边的握裹力作用面上。

也就是说岩层锚索孔壁的摩阻力一般均大于砂浆对钢筋的握裹力。

（2）土层锚索孔壁的摩阻力
土层的强度一般是低于砂浆强度的，因此如果施工灌浆的工艺良好，土层锚
索孔壁对于砂浆的摩阻力应取决于岩接触面外围的土层的抗剪强度。

以下分别阐
述两种常见的锚索破坏形式。

3.2.2 剪切破坏型
当围岩发生风化或完整性较差时，砂浆与围岩接触面的粘结力成为控制锚索
极限承载力的主要因素。

当对试验锚索施加张拉力时，锚索出现沿围岩与砂浆接
触面滑动的现象，如继续加荷锚索被整体拔出。

这种破坏形式说明，锚索的极限
抗拔能力取决于锚固段地层对于锚固段砂浆所能产生的最大摩阻力。

3.2.3 劈裂破坏型
实验中出现了砂浆发生劈裂破坏而最终导致锚索失效的破坏形式。

这一破坏
形式表明，当岩层与孔壁的摩阻力小于砂浆的握裹应力时，锚索的抗拔力取决于
孔壁的粘结力，如果采取一定的措施增加了砂浆与围岩接触面的抗剪强度，锚索
的抗拔力则取决于砂浆内部的抗剪力，也就是砂浆本身的抗剪强度。

3.3 影响砂浆与孔壁土体界面之间粘结应力的主要因素
影响砂浆与孔壁土体界面之间粘结应力的主要因素包括水泥强度、岩土介质、孔壁接触特征等。

3.4 纤维砂浆预应力锚索受力特点
3.4.1削弱应力集中效应
大量试验结果表明，纤维砂浆由于韧性增强，抗裂性能明显提高，在极限荷
载之后不会立即全部开裂破坏，存在有残余应力，从而在一定程度上减缓了应力
集中的危害。

3.4.2应力重新分布
随着锚索预应力增加，无论是砂浆和锚索，还是砂浆与孔壁的应力，在常规
砂浆内部幅值点和零点逐渐下移，其分布长度会缓慢增加，但有一定的极限长度。

而纤维砂浆在受载后，由于残余强度作用，零点位置不动或移动距离减少，从而
提高应力分布范围，使锚固力提高。

3.4.3 分散外部荷载
当纤维砂浆受荷载作用时，先期在极限荷载作用下破坏的砂浆段仍存在残余
强度，残余强度的发挥可以部分消除传来的外部荷载，因此在荷载逐步向锚固段
后方传递的过程中，荷载被逐渐削弱，应力幅值逐渐减小，从而使得参与抵抗外
部荷载的砂浆段长度增加。

当采用同样长度的内锚固段时，由于纤维砂浆的积极
作用，使得锚索的强度储备得到提高。

4 结论与建议
通过上面的分析可以得出以下结论：纤维砂浆应用于预应力锚固能够大大提高传统砂浆的物理力学性能，增大锚固力，在预应力锚固设计计算中可减少锚固段长度，降低工程成本。

纤维砂浆对锚杆锚固能力的增强作用与岩体的性质、锚杆类型和砂浆的性质有关，因此在应用于实际工程中时应先进行试验以确定锚固效果，并在施工时加强观测。

■。