BFRP 錨桿研究現(xiàn)狀探討

譚思蓉

（廣西民族大學(xué)建筑工程學(xué)院；武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院）

0 引言

巖土工程中地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性和工程受力的不確定性，易造成巖土體的裂縫、破碎和崩塌，進(jìn)而影響工程質(zhì)量，因此對(duì)碎裂巖土體的加固支護(hù)成為工程事故防治的重點(diǎn)。有效的加固方法包括錨固支護(hù)，即通過在地層中埋設(shè)錨桿或錨索（后統(tǒng)稱錨桿）緊密連接圍巖與穩(wěn)定巖體，形成整體結(jié)構(gòu)并承載受力變形，最終增強(qiáng)被加固巖土體的強(qiáng)度并使其變形處于可控的安全范圍之內(nèi)。目前錨固工程中一般采用抗拉強(qiáng)度較高的鋼材作為材料，而鋼材在工程應(yīng)用時(shí)容易腐蝕，嚴(yán)重威脅構(gòu)件的安全性和耐久性。為改善錨固工程的耐久性，可考慮采用纖維（如玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維及芳綸纖維等）和基底材料粘聚而成的纖維增強(qiáng)聚合物（Fiber Reinforced Polymer, FRP）代替鋼材。其中玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物（Basalt-FRP，BFRP）中的玄武巖纖維資源豐富，成本較低，產(chǎn)品壽命長(zhǎng)，在生產(chǎn)過程中不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，是一種性價(jià)比高的綠色材料[1]。BFRP 筋具備高抗拉強(qiáng)度、高抗剪強(qiáng)度和耐酸堿性，適用于易受腐蝕環(huán)境影響的受拉構(gòu)件，如抗浮錨桿、海洋工程等[2]。有研究表明在不考慮錨桿配件、運(yùn)輸、施工等情況下，BFRP 錨桿的性價(jià)比隨BFRP 強(qiáng)度或鋼筋錨桿價(jià)格的提高而提高，且其經(jīng)濟(jì)效益將隨工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展更加顯著[3]。綜上可知BFRP錨桿具備適用于錨固工程的力學(xué)條件和經(jīng)濟(jì)條件，可在工程領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。本文對(duì)BFRP 錨桿的力學(xué)性能試驗(yàn)和工程應(yīng)用分別進(jìn)行研究現(xiàn)狀綜述，并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討研究，以期推動(dòng)BFRP 錨桿技術(shù)的發(fā)展。

1 BFRP 錨桿性能研究進(jìn)展

國內(nèi)外對(duì)BFRP 錨桿的研究已有相當(dāng)規(guī)模，許多學(xué)者根據(jù)BFRP 錨桿的工程應(yīng)用情況對(duì)BFRP 錨桿的各項(xiàng)力學(xué)性能開展研究。針對(duì)BFRP 錨桿錨固過程中易折斷、易咬傷等問題，武曉雷等[4]對(duì)解決上述問題的粘結(jié)式錨索進(jìn)行研究，通過對(duì)BFRP 錨索進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)分析了環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)介質(zhì)、錨固形式和索體束數(shù)對(duì)錨索力學(xué)性能與破壞形式的影響。研究結(jié)果表明：BFRP 粘結(jié)式錨索錨固端錨固效果的主要影響因素為環(huán)氧樹脂粘結(jié)介質(zhì)的抗壓強(qiáng)度與彈性模量；錨桿進(jìn)行削細(xì)縮徑處理后無法改善剪滯效應(yīng)，并會(huì)降低錨索的極限承載力；在發(fā)生炸斷破壞的情況下，BFRP 粘結(jié)式錨索的極限承載力經(jīng)過組合后發(fā)生效率折減?？紤]到工程實(shí)踐中不同工程地質(zhì)條件與支護(hù)方式下錨桿處于不同拉力和剪切的聯(lián)合作用，張書博等[5]研究了BFRP 錨桿的錨固節(jié)理，以研究粗糙度、錨固傾角和法向強(qiáng)度等因素對(duì)錨桿的剪切強(qiáng)度-位移曲線、抗剪強(qiáng)度、錨桿失效特征和錨桿內(nèi)力變化等特征的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了BFRP 錨桿受剪切力的失效破壞過程和模式，以及錨桿的錨固節(jié)理面抗剪強(qiáng)度受錨固傾斜角度影響的程度，為實(shí)際工程根據(jù)地質(zhì)選擇支護(hù)錨桿材料提供依據(jù)。

由于實(shí)際工程中環(huán)境的復(fù)雜性，將BFRP 錨桿置于真實(shí)巖土層中進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)易反映在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況。針對(duì)BFRP 錨桿和傳統(tǒng)鋼筋錨桿的材料力學(xué)屬性不同進(jìn)而影響受力錨桿的力學(xué)傳遞效率、桿體及多界面黏結(jié)破壞特征的情況，王洋[6]建立了拉拔荷載下土層BFRP 錨桿的錨固界面受力傳遞的控制方程，提出可描述彈性、塑性以及黏結(jié)滑移破壞的本構(gòu)模型，并依托現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)研究不同直徑和錨固長(zhǎng)度的BFRP 錨桿的力學(xué)性能（包括加載端荷載位移曲線、桿體軸力分布和剪應(yīng)力分布狀態(tài)），為BFRP 錨桿的實(shí)際應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于傳統(tǒng)的拉拔試驗(yàn)無法測(cè)量BFRP 錨固系統(tǒng)第二界面的剪應(yīng)力分布的情況，王寶祥[7]針對(duì)這一問題采用埋置土壓力計(jì)法收集BFRP 錨固系統(tǒng)拉力試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該方法有效且并比理論計(jì)算結(jié)果更符合工程的實(shí)際情況。

因巖土體易受地震作用發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，所以亟需研究地震狀態(tài)下BFRP 錨桿的施工措施及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究。李慈航等[8]采用云南省昭通市魯?shù)榭h的地震波形作用于BFRP 錨索框架加固邊坡振動(dòng)臺(tái)模型，定量地分析邊坡坡面的動(dòng)力響應(yīng)；王秋懿等[9]以功東高速響水河邊坡為原型設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究BFRP 錨桿錨固邊坡在不同峰值加速度地震波作用下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；賴天文等[10]通過大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究BFRP錨索加固高邊坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。上述研究結(jié)果均表明BFRP 錨固系統(tǒng)可有效提高邊坡的整體穩(wěn)定性，減小震動(dòng)產(chǎn)生的損害，具有良好的抗震性能。

數(shù)值模擬因其成本低、效率高且便于重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為研究BFRP 錨桿錨固支護(hù)效果的重要手段之一。俞晨暉[11]通過建立BFRP 錨桿錨固公路邊坡的模型，計(jì)算和對(duì)比腐蝕作用下邊坡錨固工程中BFRP 錨桿和鋼錨桿的應(yīng)力數(shù)值的變化情況。結(jié)果表明BFRP 錨桿的腐蝕速率隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸降低，和鋼錨桿相反，因此得出結(jié)論：BFRP 錨桿可以替換鋼錨桿作為邊坡的永久型支護(hù)構(gòu)件。Zheqi Peng 等[12]通過等效軸對(duì)稱的方法將FRP錨桿的錨固端簡(jiǎn)化為同心圓模型并建立3D 有限元模型，基于此模型并輸出1600 個(gè)樣本以訓(xùn)練反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并建立了一個(gè)FRP 錨桿錨固系統(tǒng)的可靠性評(píng)估框架。結(jié)果表明影響因素根據(jù)靈敏性排序?yàn)榭v向抗拉強(qiáng)度＞加載端部荷載傳遞組件的厚度≈加載端部荷載傳遞組件的彈性模量＞層間剪切強(qiáng)度＞其他。

2 BFRP 錨桿工程應(yīng)用研究現(xiàn)狀

已有大量文獻(xiàn)探究BFRP 錨桿的力學(xué)性能，表示其適用于錨固工程，但也需充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)反映其在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況。高先建等[13]研究了非預(yù)應(yīng)力BFRP錨桿的力學(xué)性能（拉伸性能、與水泥砂漿的黏結(jié)性能、耐腐蝕性、剪切性能）和探究BFRP 錨桿用于支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算和取值（邊坡加固力、安全系數(shù)、抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、錨桿長(zhǎng)度），并將研究結(jié)果應(yīng)用在某土質(zhì)邊坡錨固的設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)，表明可采用等強(qiáng)度替代鋼筋的方法將BFRP 錨桿應(yīng)用于邊坡支護(hù)。趙明等[14]探究了BFRP 錨桿在邊坡支護(hù)工程中的施工工藝（包括BFRP 錨桿的制作、錨桿錨具粘結(jié)和錨桿施工應(yīng)用），發(fā)現(xiàn)通過BFRP 錨桿錨固的邊坡整潔穩(wěn)定并在后續(xù)基坑工程施工期間能保持整體穩(wěn)定，表明BFRP 錨桿適用于邊坡支護(hù)工程。地質(zhì)工況的復(fù)雜性和多樣性對(duì)BFRP 錨桿的力學(xué)性能提出更高的要求。李秀智等[15]就BFRP 錨桿錨固類似貴州省地區(qū)土質(zhì)邊坡地質(zhì)開展應(yīng)用探究，分別進(jìn)行工程設(shè)計(jì)（包括計(jì)算BFRP 錨桿的錨固力、錨桿間距和安設(shè)角度、錨桿體直徑和錨桿長(zhǎng)度并設(shè)計(jì)混凝土噴射方式）和施工應(yīng)用（包括探究BFRP 錨桿的施工流程、監(jiān)測(cè)錨固效果），發(fā)現(xiàn)BFRP 錨桿能夠有效替代鋼錨桿應(yīng)用于土質(zhì)邊坡中，提高工程穩(wěn)定性并有效降低工程成本。

已有大量文獻(xiàn)驗(yàn)證BFRP 錨桿在錨固工程的適用性，但由于工程使用周期較長(zhǎng)，需要工程監(jiān)測(cè)從安全性、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益等方面驗(yàn)證BFRP 錨桿的長(zhǎng)期有效性和可靠性。王安福等[16]基于現(xiàn)行《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》將BFRP 錨桿應(yīng)用于汕揭高速公路路段部分巖土體邊坡，測(cè)試BFRP 筋材與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度并用于設(shè)計(jì)支護(hù)設(shè)計(jì)方法和參數(shù)取值，通過長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果證明BFRP 錨桿在公路巖質(zhì)邊坡支護(hù)是可行且具備經(jīng)濟(jì)效益，可按照等強(qiáng)度原則通過BFRP 錨桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)錨桿(錨索)進(jìn)行邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)。黃代茂等[17]結(jié)合數(shù)值分析和實(shí)際工程監(jiān)測(cè)，研究BFRP 錨桿加固?hào)|環(huán)高速公路巖質(zhì)邊坡工程，提出BFRP 錨桿巖質(zhì)邊坡加固設(shè)計(jì)方法、制作和施工工藝和加固邊坡的變形監(jiān)測(cè)方法。結(jié)果表明BFRP 錨桿和等拉拔力的鋼材相比具備著輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕及和注漿體粘結(jié)緊密的優(yōu)點(diǎn)，且BFRP 錨桿具備經(jīng)濟(jì)方便的優(yōu)點(diǎn)，宜在邊坡加固工程中推廣使用。

3 結(jié)語與展望

BFRP 錨桿可以有效提升錨固巖土系的穩(wěn)定性和整體性，具備經(jīng)濟(jì)性和適用性，是一種值得在工程領(lǐng)域推廣的優(yōu)良材料。但在應(yīng)用中存在以下問題：

⑴由于工程使用周期較長(zhǎng)，目前大多數(shù)研究還沒有特別注意錨桿的防腐問題。

⑵若錨桿已達(dá)到使用極限，應(yīng)考慮回收或處理。但BFRP 錨桿作為復(fù)合材料，難以進(jìn)行材料分類，回收成本高且回收利用率低。若將其作為垃圾直接處理，自然降解的周期較長(zhǎng)甚至可達(dá)數(shù)十年，掩埋和焚燒的處理方式會(huì)污染環(huán)境[18]。因此建議對(duì)BFRP 錨桿在服役期間的耐久性以及后期的回收和再利用進(jìn)行研究，同時(shí)在國內(nèi)外已有成果的基礎(chǔ)上，大力推進(jìn)BFRP 錨桿在理論研究和工程應(yīng)用方面的發(fā)展和創(chuàng)新，促進(jìn)擴(kuò)大和發(fā)展BFRP 錨桿的應(yīng)用范圍和適用領(lǐng)域。