玻璃纤维增强聚合物锚杆研究进展

玻璃纤维增强聚合物锚杆研究进展
发布时间：2021-04-23T08:52:18.111Z 来源：《防护工程》2021年3期作者：温先虎陈凡
[导读] 同时不易分解，避免了对地下土层造成污染，是新型环保的土木建筑材料。

大成科创基础建设股份有限公司湖北省武汉市 433200
摘要：玻璃纤维增强聚合物(GFRP)锚杆是从非金属锚杆中发展出的新型复合增强材料锚杆，它将玻璃纤维丝浸泡在基体材料(如环氧树脂)中，高温高压下一次拉挤成型，具有自重轻、抗拉强度高、造价低、抗腐蚀性能好、抗电磁干扰能力强等优点。

关键词：玻璃纤维增强聚合物锚杆研究进展
前言：与以螺纹钢筋作为锚筋的传统锚杆相比，GFRP锚杆在满足底板抗拉需求的同时(抗拉强度最高可达1800MPa)，较好地解决了因钢筋锈蚀而导致的结构耐久性降低问题；同时不易分解，避免了对地下土层造成污染，是新型环保的土木建筑材料。

一、研究背景及意义
随着城市建(构)筑物基础埋深的增加与地下空间的开发，建(构)筑物的抗浮问题显得格外重要。

目前，工程中常见的抗浮措施有压重法、降排水法、抗拔桩和抗浮锚杆等。

其中，抗浮锚杆因具有地层适应性强、单点受力小、施工方法简便、工期短、造价低等优点而被广泛应用。

钢筋通常是抗浮锚杆材料的首选，但抗浮工程通常位于软弱破碎的不良地质环境中，由于腐蚀性介质、干湿交替、永久浸泡、密闭潮湿、杂散电流、双金属作用等不利因素的存在，致使岩土中钢筋抗浮锚杆不断锈蚀、老化，进而耐久性降低，影响建筑物的安全。

一种叫做玻璃纤维增强塑料(GFRP)的新型材料被引入到基坑支护及结构加固等工程中，并且逐渐受到各类科研机构和工程建设单位的青睐。

GFRP锚杆以玻璃纤维为增强材料，合成树脂为基体材料，经固化、挤拉、缠绕等工艺一次成型。

它具有抗拉强度高、质量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、易切割等优点，被认为是替代钢筋锚杆的佳选。

二、玻璃纤维增强聚合物锚杆研究进展
1.黏结锚固性能研究。

锚杆锚固对处于地下水位较高的建筑基础结构稳固意义重大。

而锚杆要充分发挥其锚固潜能需杆体与混凝土有效黏结后共同受力，探究锚杆黏结锚固特性为锚杆研究的重点工作之一。

GFRP锚杆锚固体系的破坏主要分为锚杆杆体破坏、锚杆杆体与锚固界面处发生黏结滑移破坏(剪切破坏)、锚固体系整体从岩土层拔出三种破坏情况。

除去由与杆体自身抗拉或抗剪强度不足造成的劈裂、断裂破坏以及由于锚固地层力学性能过低造成的锚固体系整体拔出外。

国内外学者往往将研究目光放于GFRP锚杆与混凝土锚固处黏结滑移破坏这种破坏形式上。

对锚固在中风化花岗岩中的GFRP锚杆进行现场拉拔试验后分析提出，GFRP锚杆锚固体系多发生锚杆杆体剪切破坏及与混凝土锚固处黏结滑移破坏，随着施加荷载增大。

杆体与混凝土间黏结应力峰值向锚固段深处移动，锚杆孔口附近黏结应力迅速降低，同时零值点也随之向锚固深处转移。

对于发生黏结滑移破坏的GFRP锚杆：当荷载目前对GFRP锚杆与混凝土间黏结强度的研究较少，现存其他类型FRP锚杆与混凝土黏结强度的研究结论是否适用于GFRP锚杆还有待验证。

针对GFRP锚杆黏结强度的研究主要停留在不同种类混凝土对GFRP锚杆黏结强度的影响及对其破坏机理的分析上，未能提出合适的黏结强度计算理论。

2.与其他FRP筋锚杆类似，GFRP锚杆与混凝土锚固黏结力由混凝土中的水泥化学胶黏力、杆体与锚固体间的摩擦力及杆体表面与混凝土问的机械咬合力共同提供，在岩土锚固中，杆体表面与混凝土间机械咬合力起主要作用。

对GFRP锚杆黏结锚固性能进行的大量研究分析表明，其主要影响因素有：(1)GFRP锚杆表面形态在将GFRP锚杆应用于岩土锚固之初，人们就考虑过杆体表面形态对锚固效果的影响。

光滑表面、带肋表面、喷砂表面为GFRP锚杆常见表面形态。

通过改变喷砂黏度、砂砾级配、肋间间距、肋高等，都可以不同程度地增大锚杆杆体与混凝土间的机械咬合力．从而增加GFRP锚杆的黏结强度[52j6I。

对27根不同表面形态的GFRP锚杆进行黏结性试验后证实，加大锚杆表面螺纹螺距、增加肋高或增大肋宽都可提高杆体与灌浆体间的机械咬合力。

(2)GFRP锚杆直径在一定锚固长度下，随着GFRP锚杆直径的增加，锚杆杆体与锚固体接触面积也随之增大，但黏结强度会随之减小，存在明显的尺寸效应。

锚杆直径的增加导致锚杆横截面上应力分布不均，即尺寸效应导致剪切滞后效应，使黏结强度降低。

(3)锚固长度在实际工程中选择合适的锚固长度对提高工程安全性、控制成本有着重要意义。

证实GFRP锚杆存在临界锚固长度，超过该长度后继续增加锚固长度也不会提升锚杆的极限抗拔承载力，同时通过自行设计拉拔试验证实。

在一定范围内，当外锚固段锚固长度翻倍时，GFRP锚杆广义平均黏结强度降低20％．40％。

在实际岩土工程中一般选择混凝土作为灌浆体，但在配制灌浆混凝土时可改变水泥添加剂或选用特种混凝土以改变锚固系统的黏结强度。

发现其黏结强度反而下降．证实GFRP锚杆与混凝土强度间并非简单的线性关系。

GFRP锚杆在实际工程中使用环境较为复杂．围岩强度、地下水位变化、岩土层酸碱程度、环境温度变化等都会对锚杆性能造成影响．但在GFRP锚杆室内模拟试验中主要体现在对锚固土层、温度的控制上黏结强度没有明显降低，而在80℃的温度下。

GFRP锚杆与锚固体间黏结强度最大降低14％。

3. GFRP锚杆的耐久性。

与钢筋相比，GFRP锚杆的弹性模量较小．长期荷载作用下易产生蠕变。

研究锚杆蠕变对其服役寿命的影响在工程应用中意义重大。

计算锚杆蠕变应力应变关系时．通常会用到高分子聚合物的耐久与耐碱性普遍较差，GFRP筋材属于该类聚合物，故其耐久性、耐碱性能均需进一步研究检验。

目前对GFRP锚杆的耐久性、耐腐蚀性及腐蚀后性能退化机理的研究成果如下：GFRP锚杆在碱溶液腐蚀情况下的力学性能退化机理。

认为GFRP锚杆在遭受碱溶液侵蚀时．OH一离子的侵人造成纤维丝降解，导致锚杆力学性能下降而
发生破坏。

不同于仅嵌固于混凝土板中作为结构加固用的GFRP筋服役环境较为单一GFRP锚杆锚固于岩土层内部。

存在着含量、成分变化较多的渗流水。

可能会发生冻融循环等加速其腐蚀速率的情况．所以研究多种因素耦合下GFRP锚杆的抗腐蚀性能对锚杆的发展意义重大。

三、未来研究展望
GFRP锚杆因其质轻且抗拉强度高、不易锈蚀且抗杂散电流效果好、低价环保而受到工程界的青睐。

越来越多的锚固工程选择使用GFRP锚杆，虽然GFRP锚杆发展日益成熟，但还存在一些不足：(1)目前没有明确的GFRP锚杆与锚固体周围土层中力学传递机制，相关规范的制定及修订应引起重视：(2)GFRP锚杆耐久性研究方面还不够充分：GFRP锚杆在侵蚀环境中没有较为完善的强度退化机理，不能对服役期GFRP锚杆的长期承载力进行准确预测：(3)GFRP锚杆抗浮、支护理论还有待完善：在一些特殊环境下使用GFRP锚杆是否能够达到理想效果还有待考究，如何将理论研究准确应用到实际工程将面临巨大的挑战：(4)GFRP锚杆服役期间监测系统不够完善：不同于普通钢筋锚杆检测其锈蚀状况，GFRP锚杆应综合考虑其机械性能与化学耐久性、耐老化性能变化．缺少配套的监测系统。

考虑到岩土锚固方向的发展，结合工程实际的需求，GFRP锚杆在某些面值得我们进行更加深入的研究：(1)提高GFRP锚杆的抗碱腐蚀性能：我国大部分地区地层都为弱碱性属性。

为应提高GFRP锚杆的抗碱性．如考虑在其表层增加耐腐蚀镀层或开发其他形式的锚杆等：(2)研发推广新型FRP锚杆：不单单局限于GFRP锚杆的发展，改变纤维种类，开发强度更高、耐久性更好的纤维增强型锚杆，比如BFRP锚杆的抗碱性能与GFRP锚杆相比有显著提高：
近年来在边坡支护、岩土锚固等方面有着大量应用。

本文对国内外关于GFRP锚杆的黏结锚固、应力传递、耐久性等方面的研究进行归纳总结。

参考文献：
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[3] 刘颖浩，袁勇．全螺纹GFRP筋与混凝土粘结应力分布模型[J]．地下空间与工程学报，2018，7(增刊)：1353-1363．。