趙 文 王 浩 陳 云 胡 熠

ZHAO Wen① WANG Hao① CHEN Yun② HU Yi②

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BFRP筋錨桿土質(zhì)邊坡支護應用研究*

趙 文①王 浩①陳 云②胡 熠②

論文通過拉伸試驗、抗剪試驗、耐腐蝕試驗、與水泥基黏結強度試驗，研究了BFRP筋力學性能，表明BFRP筋抗拉強度大于890MPa，耐酸堿強度保留率大于92%，抗剪強度略小于普通鋼筋，與水泥基類黏結強度大于4.5MPa。參照《巖土錨桿(索)技術規(guī)程》(CECS 22：2005)，結合BFRP力學性能參數(shù)，對BFRP錨桿支護土質(zhì)邊坡進行設計。BFRP筋作為錨桿，其抗拉強度設計值取750MPa，與砂漿黏結強度取2.0MPa。通過BFRP筋材和鋼筋錨桿加固土坡的現(xiàn)場對比試驗，分析了BFRP錨桿加固土質(zhì)邊坡的效果，表明兩種錨桿受力和邊坡變形類似，驗證了BFRP筋作為巖土支護錨桿的適用性。

BFRP錨桿 支護 對比試驗 土質(zhì)邊坡

ZHAO Wen①WANG Hao①CHEN Yun②HU Yi②

0 引 言

錨桿材料一般選用屈服強度較高的精軋螺紋鋼，而錨桿破壞失效主要原因是錨桿材料遭受腐蝕而破壞。雖然在錨桿工程中可采用錨桿支架、注漿漿液中摻入膨脹劑等防腐技術措施，但某些邊坡工程地質(zhì)條件復雜，地下水豐富并含有對金屬具有腐蝕性化學物質(zhì)，錨桿的防腐技術沒有從根本上解決問題。玄武巖纖維復合筋(BFRP)具有耐腐蝕、強度高、質(zhì)量輕、與注漿體黏結性能良好等優(yōu)點(劉志勇等， 2005； Baena, 2009; 霍寶榮等， 2011； 吳剛等， 2014)。利用BFRP筋作為錨桿材料，能解決巖土錨固工程的錨桿腐蝕問題，對結構的安全性和耐久性提供保障。

目前針對BFRP筋材的研究多集中在其物理力學性能(顧興宇等， 2010； 霍寶榮等， 2011)及工程結構應用(Okelo， 2005; Li， 2010)。也有學者針對BFRP筋材用作錨桿的適宜性進行了研究，表明其為錨桿在工藝上可行，在性能上能滿足相關要求，適宜應用于巖土錨固工程(郭成鵬等， 2012)。

本文結合BFRP力學性能試驗獲得關鍵設計參數(shù)，對BFRP錨桿支護土質(zhì)邊坡進行設計，通過BFRP錨桿加固土質(zhì)邊坡，并與傳統(tǒng)錨桿加固土坡進行對比，得到邊坡支護錨桿受力及邊坡變形特征，對比BFRP筋錨桿與鋼筋錨桿加固土坡受力機制，研究BFRP筋錨桿支護土質(zhì)邊坡的可行性。

1 BFRP筋材基本性能

1.1 BFRP筋材拉伸性能

通過拉伸試驗測試BFRP筋材的抗拉強度、彈性模量和延伸率。試驗材料為四川航天五源復合材料有限公司生產(chǎn)的BFRP螺旋狀筋材，試驗筋材直徑為6mm、8mm、10mm、12mm、14mm，每組4個試樣，試驗結果(表1)。試驗表明，BFPR筋抗拉強度大于890MPa，平均延伸率為2.1%～2.4%，彈性模量約50.1～62.4GPa。

表1 BFRP筋材拉伸強度

Table1 Tensile strength of BFRP

BFRP直徑平均強度/MPa平均延伸率/%彈模均值/GPa6mm12922.1062.48mm11192.1154.610mm10672.4050.112mm8912.2554.714mm9172.3753.6

1.2 BFRP筋材耐腐蝕性能

通過試驗研究BFRP筋長期處于酸、堿性環(huán)境中的強度保留率。選用直徑為6mm、8mm、10mm的BFRP筋材各4根，分別放在酸堿溶液中。酸性溶液為0.025mol·L-1的硫酸，堿性溶液是濃度為2.5g·L-1的Ca(OH)2。每日對溶液進行一次攪拌，并測量pH值，確保pH值大小不變。對酸堿浸泡1個月后的筋材進行強度測試(表2)。試驗表明，BFRP筋材耐酸堿腐蝕能力高，耐酸強度保留率大于92%，耐堿強度保留率大于94%。

表2 BFRP筋耐腐蝕強度

Table2 Corrosion resistance of BFRP

筋材直徑/mm酸溶液堿溶液平均強度/MPa保留率/%平均強度/MPa保留率/%6119092.1121794.28106094.7108196.610102796.3104597.9

1.3 BFRP筋抗剪強度試驗

使用三點剪切試驗法，通過萬能試驗機進行試驗。將試件穿過鋼套管，并將整個支架放在萬能試驗機上，進行抗剪試驗。當試驗試件受力開始出現(xiàn)下降的時候，表明達到最大剪切應力，試驗結束，筋材剪斷面較為平整，剪切均勻。

試驗選用3種不同直徑的筋材，分別為直徑10mm、12mm、14mm。BFRP筋材抗剪強度試驗結果(表3)。

表3 BFRP筋材抗剪強度

Table3 Shear strength of BFRP

筋材直徑剪斷荷載/N抗剪強度/MPa實測值平均值14mm51502167.418762712203.858404189.812mm42722189.018943952194.445022199.139608175.210mm24330155.015920226128.828858183.826310167.6

試驗表明，不同直徑的玄武巖纖維筋材的抗剪強度稍有不同，而直徑越大，抗剪強度越大。BFRP筋材抗剪強度略小于普通鋼筋抗剪強度。

1.4 BFRP筋與水泥基類黏結性能

在巖土錨固工程中，BFRP筋是否能替代鋼筋錨桿，BFRP筋與水泥基類(特別是砂漿)的黏結性能是一個重要參數(shù)。試驗參考了《混凝土結構試驗方法標準》(GB 50152-92)及相關文獻(吳芳， 2009； 張紹逸， 2013)。共制備17組68個BFRP筋的砂漿及混凝土立方體試件 (圖1)。

圖1 與水泥基黏結強度試驗試件

由試驗可知，筋材型號不同，與水泥基類的黏結強度也稍有不同(表4)?？傮w來看，直徑為4mm的BFRP筋材表現(xiàn)出來的黏結強度最大，由于筋材表面經(jīng)過噴砂處理，筋材直徑越小，其表面噴砂體現(xiàn)出來粗糙程度越大，黏結強度越大。而對于工程常用錨桿(一般直徑10mm以上)，與水泥基類的黏結強度隨筋材直徑的變化并不大。其次，水泥基強度越高，黏結強度也越高，BFRP筋材與純水泥漿黏結強度最低，約2～3MPa，與砂漿黏結強度稍高，大于4.5MPa，與混凝土黏結強度最高，大于7.5MPa。作為巖土工程錨桿，一般采用M20或M30砂漿，且錨桿一般直徑大于10mm，其黏結強度普遍大于4.5MPa，在錨桿設計時，BFRP筋材錨桿與砂漿的黏結強度標準值可取4.0MPa，設計值可取2.0MPa。

表4 BFRP筋材與水泥基類黏結強度/MPa

Table4 Bond strength between BFRP and mortar/MPa

筋材直徑/mm純水泥漿M20M30C30C404—8.2012.2326.33—83.015.035.979.23-102.464.804.777.94-122.285.176.398.5118.11142.24————

2 BFRP錨桿支護設計

BFRP力學性能試驗表明，BFRP抗拉強度高，抗剪強度與普通鋼筋相近，與水泥基類黏結強度高，具耐腐蝕性能良好，具備替代鋼筋作為巖土支護錨桿的力學性能。通過實際工程BFRP錨桿支護試驗，驗證BFRP錨桿的適用性。

2.1 試驗場地地質(zhì)概況

試驗場地位于在建的成都“綠地中心”的8號地塊西側(cè)，場地地層從上到下依次為素填土(1.3m)和黏土(>5m)，地層剖面及土層力學參數(shù)(圖2)?，F(xiàn)場試驗邊坡是一個長40m的基坑邊坡，邊坡高5.5m，坡度為1︰1， 采用錨桿+噴射混凝土支護。

圖2 場地地層剖面

2.2 錨固力計算

根據(jù)邊坡在暴雨工況下發(fā)生深層滑動的工況來計算錨固力，采用極限平衡法，當作用于圓弧剪切面上的抗滑力矩大于使邊坡發(fā)生破壞的力矩時，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。錨固力的計算公式如下：

(1)

式中，ΔN為一條垂直的土條重量對剪切面的法向分力；f為土層的摩擦系數(shù)；C為土層的黏聚力；r為剪切面半徑； ΔL為一條剪切面的長度； ∑ΔT為作用于剪切面上的切向力總和。

邊坡的穩(wěn)定系數(shù)m，可由下列關系式求出：

(2)

當存在錨固力作用于剪切面時，錨固力的法向分力Pn和切向分力Pt有助于邊坡的穩(wěn)定，因此錨固邊坡的安全系數(shù)m′可由式(3)計算。

(3)

當錨桿軸線與剪切面的垂直線呈φ角度時，錨固力可由式(4)～(6)計算。

(4)

(5)

前捷克洛伐克Hobst認為，可把角度ψ的最優(yōu)值作為摩擦角的余角，即：

(6)

根據(jù)式(6)可計算得錨固力與剪切面垂線的最優(yōu)夾角ψ=52°?？紤]施工的方便，參照規(guī)范，可取錨桿軸線與水平方向成15°，即ψ=33°。

通過式(2)可計算出未錨固邊坡的穩(wěn)定系數(shù)m=0.892，又因邊坡安全等級是3級，根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB 50330-2002)邊坡的安全系數(shù)m′=1.20，由式(5)計算得到每延米邊坡所需要的錨固力P=87.65kN。

2.3 錨桿布置

根據(jù)邊坡工程地質(zhì)條件以及每延米邊坡所需要的錨固力，布設錨桿間排距以及錨固角度。錨桿間距過大，則錨桿需要承受的拉力較大； 錨桿間距過小會引起“群錨效應”，使錨桿的極限抗拔力降低，因此《巖土錨桿(索)技術規(guī)程》(CECS 22：2005)規(guī)定錨桿水平間距不宜小于1.5m，使用多層錨桿時，豎向間距不宜小于2.0m。錨桿錨固段的上覆土層厚度不宜小于4.5m。錨桿的傾角宜避開與水平向成-10°～+10°的范圍。綜合上述因素以及錨固力、錨固角計算結果，設置錨桿水平間距為1.5m，沿坡面的排距2m，共三排； 錨桿安設角與水平方向呈15°。錨桿布置剖面圖(圖3)。

圖3 邊坡錨桿布設剖面圖(單位：mm)

2.4 錨桿直徑

每延米邊坡所需要的錨固力為87.65kN，則每1.5m寬邊坡所需要的錨固力為131.47kN。由此確定三排錨桿錨固力的設計值分別為：第1、2排50kN、第3排40kN。

邊坡錨固體抗拔安全系數(shù)K取1.4，BFRP筋材的抗拉安全系數(shù)Kt為1.25，錨固體的直徑為100mm。設計采用BFRP筋材為錨桿材料，根據(jù)試驗得到BFRP筋材的極限抗拉強度得其抗拉強度標準值fyk為750MPa。錨筋的直徑As可由式(7)確定：

(7)

式中，Kt為錨桿桿體的抗拉安全系數(shù)；Nt為錨桿軸向拉力設計值(kN)。

根據(jù)式(7)計算得到錨筋的橫截面積As=83.33mm2，錨桿直徑ds=10.30mm。因此可取錨桿直徑ds≥12mm。

2.5 錨桿長度

錨桿長度是錨固段長度、自由段長度以及錨頭長度之和。錨固段長度可由式(8)、式(9)確定。

(8)

(9)

式中，K為錨桿錨固體抗拔安全系數(shù)；Nt為錨桿或單元錨桿軸向拉力設計值(kN)；La為錨固段長度；fmg為錨固段灌漿體與地層間黏結強度標準值(kPa)；fms為錨固段灌漿體與筋體間黏結強度標準值(MPa)；D為錨桿錨固段鉆孔直徑(mm)；d為筋材直徑(mm)；ξ為采用兩根或兩根以上筋材時，界面黏結強度降低系數(shù)，取0.6～0.85；φ為錨固長度對黏結強度的影響系數(shù)；n為筋材根數(shù)。

根據(jù)BFRP筋材與砂漿黏結強度試驗，M20、M30砂漿與BFRP筋材黏結強度標準值為4.0～5.0MPa，設計時取錨桿與砂漿的黏結強度fms為2.0MPa。邊坡為黏性土層，且土IL=0.1為硬塑狀態(tài)，因此錨固段灌漿體與地層間黏結強度標準值fmg可取65～80kPa； φ可取1.0～1.3。

通過式(8)和式(9)的計算，取其中的最大值為錨固段長度?？傻玫礁髋佩^桿錨固段的長度分別為：第1、2排2.48m，第3排1.98m。

錨桿自由段長度主要應根據(jù)被加固邊坡潛在滑面的產(chǎn)狀、深度和錨桿設計位置來確定，同時應穿過潛在滑裂面不小于1.5m，且不應小于5.0m。根據(jù)邊坡錨桿布設剖面圖可得第1、2、3排錨桿所對應的滑面深度為3.64m、4.18m、3.99m。即理論上各排錨桿自由段長分別為：第1排5.14m、第2排5.68m、第3排5.49m。

錨頭段BFRP錨桿與普通鋼筋不同，普通鋼筋錨桿預留彎起鋼筋與面網(wǎng)焊接或綁扎，而BFRP不能彎折，需要采用特制錨頭，即BFRP筋材無預留錨頭長度段，則理論上BFRP錨桿總長度分別為：第1排7.62m、第2排8.16m、第3排7.47m。

為方便錨桿制作和施工，最終采用的BFRP錨桿支護設計參數(shù)如下：BFRP錨桿直徑為14mm，第1排錨桿長8m，第2、3排錨桿長9m，水平間距1.5m，縱向間距2.0m。

2.6 錨頭及面網(wǎng)設計

由于BFRP筋材不能彎折，為了與面網(wǎng)筋連接，采用特制錨頭。錨頭采用30cm長無縫鋼管，錨具鋼管內(nèi)徑為20mm，外徑為25mm，通過管內(nèi)糙化并每5cm鉗制錐形口等工藝，并采用高強度A級植筋膠與BFRP筋黏結。特制錨具外焊接4根長0.6m的Φ8 HRB335鋼筋，焊接長度為0.3m，剩余0.3m彎折與面網(wǎng)筋綁扎連接，錨具如圖4 所示。噴射混凝土強度為C15，噴射厚度為100mm，面網(wǎng)采用直徑6mm BFRP筋材，面網(wǎng)間距為150mm。

圖4 BFRP錨桿錨頭

3 邊坡變形與錨桿受力特性

通過現(xiàn)場對比試驗研究鋼筋錨桿和BFRP錨桿加固土坡的受力機制以及BFRP錨桿替代鋼筋錨桿加固土坡的可行性。對比試驗區(qū)的鋼筋錨桿采用HRB335Φ25鋼筋，試驗邊坡(圖5)。

圖5 試驗邊坡

3.1 監(jiān)測設計

監(jiān)測元件布置斷面如圖6 所示，在第二排的錨桿上，每隔5m取一根錨桿，采用鋼筋計監(jiān)測錨桿受力，共4根，其中兩根為鋼筋，兩根為BFRP筋材。每根錨桿上分別裝有4個鋼筋計。在坡頂和坡底并布設8根測斜管，監(jiān)測邊坡變形。

圖6 監(jiān)測點布置斷面圖(單位： mm)

3.2 錨桿受力分析

現(xiàn)場施工完成于2014年3月19日，至2014年11月底，共進行了8個月的監(jiān)測。其中鋼筋錨桿應力監(jiān)測元件分別編號為S1、S2，BFRP筋錨桿應力監(jiān)測元件編號分別為BFRP-1、BFRP-2。各應力監(jiān)測筋的受力隨時間曲線如圖7～圖10 所示。從圖中可以看出，鋼筋錨桿和BFRP錨桿受力曲線變化趨勢大體一致，兩種錨桿受到的力最大值差別不大。且S1、S2、BFRP-1、BFRP-2錨桿的拉力均在坡面端頭處最大。鋼筋錨桿受力最大值為18kN，BFRP錨桿受力最大值為15kN，受力均小于設計值，邊坡整體穩(wěn)定。采用直徑14mm BFRP筋代替直徑25mm鋼筋是可行的。

圖7 S1錨桿受力變化曲線

圖8 S2錨桿受力變化曲線

圖9 BFRP-1錨桿受力變化曲線

圖10 BFRP-2錨桿受力變化曲線

3.3 BFRP錨桿支護邊坡變形分析

1#～4#測斜管布置在坡腳前緣，深5m，其中1#、2#測斜管位于鋼筋錨桿試驗區(qū)， 3#、4#測斜管位于BFRP筋材錨桿試驗區(qū)； 5#～8#測斜管布置在坡頂，深10～11m，其中5#、6#測斜管位于鋼筋錨桿試驗區(qū)， 7#、8#測斜管位于BFRP筋材錨桿試驗區(qū)。坡頂和坡腳各取1處變形進行分析。圖11～圖14 分別表示鋼筋錨桿區(qū)坡腳變形、BFRP錨桿區(qū)坡腳變形、鋼筋錨桿區(qū)坡頂變形、BFRP錨桿區(qū)坡頂變形。

圖11 2#測斜管變形曲線

圖12 3#測斜管變形曲線

圖13 6#測斜管變形曲線

圖14 8#測斜管變形曲線

從圖中可以看出，鋼筋錨桿區(qū)坡腳地面變形最大1.4～2.0mm， BFRP筋材錨桿試驗區(qū)坡腳地面變形最大1.2～2.2mm； 鋼筋錨桿區(qū)坡頂變形最大3.2～5.5mm， BFRP筋材錨桿試驗區(qū)坡頂變形最大約5.0mm左右。坡頂變形比坡腳變形大3mm左右，對應于筋材受力，夏季雨季之后，邊坡產(chǎn)生了一定的變形，筋材受力也有明顯的增加，邊坡變形與支護系統(tǒng)受力是吻合的。

監(jiān)測表明，鋼筋錨桿區(qū)和BFRP筋材錨桿區(qū)坡頂、坡腳變形特征類似，表明采用BFRP錨桿與普通鋼筋錨桿對邊坡的支護效果類似。

4 結 論

(1)BFRP筋抗拉強度大于890MPa，耐酸堿強度保留率大于92%，抗剪強度略小于普通鋼筋抗剪強度，與水泥基類黏結強度大于4.5MPa。

(2)BFRP適合作為巖土支護錨桿，并可按《巖土錨桿(索)技術規(guī)程》(CECS 22：2005)進行設計。BFRP錨桿設計關鍵參數(shù)為拉拔強度和砂漿黏結強度，其設計值分別取750MPa和2.0MPa。

(3)采用BFRP筋制作錨桿，無需焊接，但需特制鋼管錨具，采用高強度植筋膠黏結筋材，并焊接直徑8mm短鋼筋與坡面掛面筋綁扎。

(4)現(xiàn)場應用試驗表明，采用直徑14mm BFRP筋材錨桿支護土質(zhì)邊坡，與采用直徑25mm HRB335鋼筋錨桿支護邊坡效果相當，兩種錨桿受力和邊坡變形特征相似。

(5)錨桿受力低于設計值，邊坡變形微小，邊坡整體穩(wěn)定。試驗驗證了BFRP筋材可替代鋼筋作為錨桿支護邊坡。

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JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學報 1004-9665/2016/24(5)- 1016- 06

LABORATORY AND FIELD TESTS USE OF BFRP ANCHOR BOLT IN SUPPORTING SOIL SLOPE

The mechanical properties of BFRP bar are studied by tensile test， shearing test， corrosion resistance test and bond strength test with cement-based materials. The result shows the following results. The tensile strength of BFRP is greater than 890MPa. The retention rate of acid and alkali resistance is greater than 92%.The shear strength is slightly smaller than that of ordinary steel bar. The bond strength of cement-based materials is greater than 4.5MPa. Referencing to the “Technical specification for grout anchors”(CECS 22：2005)，the BFRP anchor bolts supporting soil slope are designed with BFRP mechanical performance parameters. While the BFRP bar is designed as anchor bolt， the design value of tensile strength of BFRP is 750MPa， and the bond strength of BFRP with mortar is 2.0MPa. Through in-situ comparing test of BFRP anchor bolts and steel anchor bolts supporting soil slope， the effect of BFRP anchor reinforcement on soil slope is analyzed. The results show that it is similar in bolt stress and slope deformation with BFRP bolt and steel bolt. The applicability of BFRP bar as geotechnical supporting anchor bolt is verified．

BFRP anchor bolt， Supporting， Contrast test， Soil slope

10.13544/j.cnki.jeg.2016.05.032

2016-03-15;

2016-09-05.

趙文(1975-)，男，博士，副教授， 主要從事巖體力學及巖體工程研究. Email: wenzhao@swjtu.cn

U413.6

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