玻璃纖維筋（GFRP）在我國(guó)地下工程應(yīng)用的研究進(jìn)展

柯宅邦 ，高坤 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230032）

1 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋簡(jiǎn)介

玻璃纖維増強(qiáng)復(fù)合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱GFRP）是基于髙分子材料、金屬或陶瓷等作為基體，與玻璃纖維材料結(jié)合，通過(guò)擠壓成形工芝制作而成的功能各異的實(shí)也棒體或空也管體，外壁通常為光滑或螺紋類型[1]。GFRP材料具有輕質(zhì)、髙強(qiáng)、抗疲勞、耐腐蝕性、可設(shè)計(jì)、易加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以合理代替鋼材[2]。在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）》[3]中“重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的髙性能復(fù)合材料”列為優(yōu)先主題之一，“材料服役壽命與環(huán)境的相互作用、性能演變、失效機(jī)制及壽命預(yù)巧原理”被確定為國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的基礎(chǔ)研究之一。作為新型的綠色環(huán)保材料，GFRP筋代替鋼筋，可節(jié)約工程造價(jià)、降低資源浪費(fèi)并保護(hù)環(huán)境，符合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，具有廣闊應(yīng)用前景。

2 研究應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)最早對(duì)纖維增強(qiáng)塑料（FRP）的研究是在90年代的中后期。1997年，我國(guó)開(kāi)展碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固鋼筋混凝土構(gòu)件的研究工作，之后，有許多高等院校和科研單位也進(jìn)行了碳纖維的研究。在規(guī)范編制方面，中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《碳纖維布加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》已完成。對(duì)FRP開(kāi)展研究與應(yīng)用的主要是CFRP和GFRP用于補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土構(gòu)件。隨后，對(duì)CFRP和GFRP補(bǔ)強(qiáng)加固鋼筋混凝土構(gòu)件開(kāi)展了一些研究工作，得到了一些成果：①外貼CFRP和GFRP布增強(qiáng)了鋼筋混凝土梁，柱的抗彎和抗剪性能；②由于FRP布對(duì)混凝土的約束,使得混凝土構(gòu)件的延性得以提高；③在循環(huán)荷載作用下，F(xiàn)RP包裹的柱延性明顯提高；④提出了數(shù)值計(jì)算方法和實(shí)用計(jì)算方法[4-7]。

國(guó)內(nèi)己經(jīng)有部分院校在研究纖維筋增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)，1995年，在水利部水利科技基金的資助下，同濟(jì)大學(xué)的薛偉辰等在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)的探索性研究，研制生產(chǎn)了國(guó)內(nèi)首批GFRP螺紋筋和光圓筋，研究了GFRP筋在不同環(huán)境介質(zhì)中的粘結(jié)錨固性能和GFRP筋混凝土梁的受力性能等。

近年來(lái)，逐步有研究學(xué)者將GFRP筋應(yīng)用于地下工程中，本文從以下幾種具體應(yīng)用闡述GFRP筋在地下工程的應(yīng)用進(jìn)展。

3 玻璃纖維筋在地下工程應(yīng)用進(jìn)展

3.1 玻璃纖維筋作為土釘錨桿的研究進(jìn)展

復(fù)合材料錨桿的出現(xiàn)，為巖土錨固增添了新的手段，特別是復(fù)合材料優(yōu)異的耐腐蝕性和介電性，解決了困擾巖土錨固耐久性的難題。對(duì)GFRP錨桿的研究也從錨桿的破壞特征、粘結(jié)滑移、桿體應(yīng)力傳遞、剪應(yīng)力分布、錨固體應(yīng)力及錨具研發(fā)等方面展開(kāi)。

在我國(guó)FRP筋作為錨桿替代鋼筋錨桿方面的研究較晚，目前已有以下研究：薛偉辰[8]首次在國(guó)內(nèi)開(kāi)展FRP錨桿的試驗(yàn)研究；高丹盈[9]利用18根拉拔試件得到了FRP筋與混凝土粘結(jié)性能的試驗(yàn)研究，探討了FRP筋直徑、錨固長(zhǎng)度、混凝土強(qiáng)度、混凝土澆筑深度對(duì)界面粘結(jié)性能的影響，分析了FRP筋與混凝土之間的應(yīng)力傳遞機(jī)理，提出了FRP筋錨固長(zhǎng)度的計(jì)算公式；張向東[10]基于纖維硬塑復(fù)合材料的正交試驗(yàn)結(jié)果，研究了錨桿直徑和固化時(shí)間對(duì)錨桿桿體強(qiáng)度的影響，詳細(xì)分析了FRP錨桿桿體的損傷機(jī)理；高丹盈[11]提出了粘結(jié)-滑移的連續(xù)曲線本構(gòu)模型，隨后對(duì)FRP錨桿錨具的設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了研究[12]；基于BOTDR技術(shù)，黃志懷[13]對(duì)GFRP錨桿軸向應(yīng)變進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè)。

原位GFRP錨桿試驗(yàn)研究方面，黃志懷[14]系統(tǒng)分析了不同圍巖條件下GFRP錨桿的承載特性，驗(yàn)證GFRP錨桿的可行性；彭衡和[15]通過(guò)GFRP錨桿加固某紅砂巖邊坡工程實(shí)例證明了GFRP錨桿應(yīng)用于邊坡加固工程的可行性；劉穎浩[16]通過(guò)全螺紋GFRP錨桿的拉拔試驗(yàn)，測(cè)試分析GFRP錨桿在錨固工程中與圍巖的粘結(jié)性能，并提出抗拔承載力計(jì)算公式和各參數(shù)確定辦法。

在錨具研究方面，詹界東[17]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外預(yù)應(yīng)力FRP筋的錨具研究成果；呂國(guó)玉[18]設(shè)計(jì)研究了非金屬錨具以避免金屬錨具的腐蝕；呂志濤[19]介紹了FRP拉索斜拉橋的錨具為套筒粘結(jié)型錨具；孫志剛[20]研究了夾片式錨具和一種改進(jìn)的粘結(jié)式錨具組裝件的抗疲勞錨固性能；孫玉寧[21]設(shè)計(jì)一種端錨可回收的樹(shù)脂錨桿應(yīng)用于巷道加固；黃志懷[22]研制了長(zhǎng)度80mm的螺紋耦合對(duì)開(kāi)鋼夾具；詹界東[23]提出一種預(yù)應(yīng)力CFRP筋?yuàn)A片-套筒型錨具；張夏輝[24]設(shè)計(jì)了一種新型的彈簧夾片式錨具；李季[25]設(shè)計(jì)了一種由錨頭、螺栓和高纖維布組成的自鎖式錨具。

數(shù)值模擬方面，朱海堂[26]利用遞推計(jì)算和數(shù)值迭代方法實(shí)現(xiàn)GFRP錨桿的計(jì)算模擬；張鋼琴[27]提出一種FRP錨桿錨固性能分析的數(shù)值計(jì)算方法；白金超[28]建立了FRP錨桿的精細(xì)化有限元模型；胡斌[29]采用有限差分軟件FLAC3D并結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)研究了FRP錨桿改良膨脹土的可行性和效果。

綜上所述，國(guó)內(nèi)學(xué)者近20年側(cè)重于對(duì)GFRP筋混凝土構(gòu)件方面的研究，對(duì)GFRP錨桿的可行性、承載特性、粘結(jié)特性、破壞機(jī)制、桿體應(yīng)力分布、錨具設(shè)計(jì)及研發(fā)等方面進(jìn)行了研究，取得了一系列的成果。

3.2 玻璃纖維筋在地下連續(xù)墻中研究與應(yīng)用進(jìn)展

玻璃纖維筋在我國(guó)地下連續(xù)墻的應(yīng)用案例較少，如1999年香港西鐵的地下連續(xù)墻中將GFRP筋應(yīng)用于盾構(gòu)洞圈范圍內(nèi)；2001年上海軌道4號(hào)線宜山路站將GFRP筋應(yīng)用于地下連續(xù)墻，2002年上海復(fù)興路隧道將GFRP筋應(yīng)用于地下連續(xù)墻，兩項(xiàng)工程中GFRP筋均僅放置于地下連續(xù)墻鋼筋籠的最下部；2006年武漢長(zhǎng)江隧道江南豎井的地下連續(xù)墻中，采用部分GFRP筋便于盾構(gòu)切削地下連續(xù)墻推進(jìn)；2017年南寧軌道交通1號(hào)線GFRP筋放置盾構(gòu)洞門處和昆明軌道交通6號(hào)線菊花綜合樞紐站GFRP筋用于超深地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)等工程案例。

工程應(yīng)用方面，朱繼紅[30]介紹了盾構(gòu)始發(fā)直接切削地下連續(xù)墻推進(jìn)所采用的GFRP筋和施工規(guī)范及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以及在地下連續(xù)墻鋼筋籠加工、吊裝過(guò)程中的主要施工技術(shù)方法。彭慧[31]通過(guò)有限元的理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析了GFRP筋代替鋼筋的地下墻鋼筋籠，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值；隨后方衛(wèi)[32]研究了GFRP筋在超長(zhǎng)地下連續(xù)墻鋼筋籠中的應(yīng)用和籠體吊裝施工。

有限元分析方面，朱大宇[33]采用PLAXIS3D軟件對(duì)GFRP筋地下連續(xù)墻進(jìn)行施工全過(guò)程的有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)；葛以衡[34]對(duì)GFRP筋與鋼筋連接方法、起吊方式和措施、GFRP筋籠起吊及施工過(guò)程的變形與內(nèi)力等情況進(jìn)行了研究；錢茹瑩[35]對(duì)GFRP筋應(yīng)用到盾構(gòu)工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

室內(nèi)試驗(yàn)方面，朱大宇[36]通過(guò)GFRP筋地下連續(xù)墻混凝土板和鋼筋混凝土板的對(duì)比受彎試驗(yàn)，分析了兩者的受力-變形過(guò)程和破壞形態(tài),對(duì)比了兩者的撓度、開(kāi)裂荷載、極限荷載以及混凝土應(yīng)變。

總體來(lái)看，GFRP筋在地下連續(xù)墻中應(yīng)用時(shí)主要應(yīng)用于地下盾構(gòu)施工洞門周圍的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，便于盾構(gòu)切削，降低成本和施工工期；國(guó)內(nèi)目前僅有少量的室內(nèi)試驗(yàn)和有限元分析成果，但施工經(jīng)驗(yàn)較為豐富。

3.3 璃纖維增強(qiáng)筋在樁基礎(chǔ)中研究與應(yīng)用

隨著我國(guó)地下工程的發(fā)展，GFRP筋在地下盾構(gòu)施工中逐步應(yīng)用，主要應(yīng)用于盾構(gòu)洞門處圍護(hù)樁的應(yīng)用中，原因在于盾構(gòu)機(jī)可以直接切削圍護(hù)樁掘進(jìn)，避免了事前切斷鋼筋與鑿除洞門的工作，簡(jiǎn)化施工工藝，加快施工進(jìn)度，降低成本。

在地鐵基坑工程領(lǐng)域，主要有以下研究：宋旱云[37]以北京地鐵15號(hào)線一期工程大屯路東站為工程背景，對(duì)玻璃纖維筋和鋼筋搭接進(jìn)行承載力試驗(yàn)；王占海[38]等根據(jù)能量法原理闡述GFRP筋與預(yù)應(yīng)力鋼絞線組合技術(shù)在減小基坑支護(hù)水平位移方面的可行性；趙升峰[39]等以南京某基坑工程為例，探討了GFRP筋替代鋼筋用于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)存在的設(shè)計(jì)與施工問(wèn)題。

在我國(guó)特殊土地區(qū)，也有GFRP筋研究應(yīng)用的報(bào)道；楊果林[40]等進(jìn)行了GFRP樁在泥炭質(zhì)土中靜壓擠土效應(yīng)試驗(yàn)研究。隨后楊果林[41]又進(jìn)行GFRP靜壓樁擠土效應(yīng)模型試驗(yàn)研究，對(duì)表土隆起量和徑向擠土壓力進(jìn)行分析。鄧侖坤[42]進(jìn)行了泥炭質(zhì)土條件下GFRP管樁靜載荷模型試驗(yàn)研究，對(duì)樁側(cè)摩阻力和端阻力分布進(jìn)行分析。

此外，在我國(guó)廣泛分布的老黏土地區(qū)，郭楊[43]提出一種新型復(fù)合配筋（GFRP）預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，并進(jìn)行了抗彎和抗剪試驗(yàn)的研究。研究表明，GFRP筋可有效提高普通管樁的抗彎和抗剪承載力。

4 玻璃纖維筋的研究展望

在過(guò)去的幾十年的研究與應(yīng)用表明，玻璃纖維筋作為一種可替代鋼筋的新型筋材材料，在地下工程應(yīng)用中是可行的，且逐步受到設(shè)計(jì)、施工和研究人員的青睞，但應(yīng)用領(lǐng)域較為單一，使用量小。因此還需要從以下幾個(gè)方面開(kāi)展深入研究：①玻璃纖維筋預(yù)制樁的耐久性研究；②玻璃纖維筋預(yù)制樁的抗彎剪計(jì)算公式研究；③玻璃纖維筋盾構(gòu)施工的圍護(hù)結(jié)構(gòu)大型試驗(yàn)研究和管片材料研發(fā)；④玻璃纖維筋與海砂混凝土的機(jī)理研究；⑤國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和圖集的編制，以進(jìn)一步擴(kuò)大推廣其應(yīng)用。