玻璃纤维（GFRP）筋替代钢筋在基坑支护桩中的应用

赵升峰，黄广龙，章 新，赵小飞，马世强

（1. 南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210019；2. 南京工业大学交通运输工程学院，江苏 南京 210009）

玻璃纤维（GFRP）筋替代钢筋在基坑支护桩中的应用

赵升峰1,2，黄广龙2，章 新1，赵小飞1，马世强1

（1. 南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210019；2. 南京工业大学交通运输工程学院，江苏 南京 210009）

玻璃纤维筋（GFRP）具有抗拉强度高、重量轻、耐腐蚀等良好特性，工程实践中常用于替代结构中的钢筋。以南京某基坑工程为例，探讨了GFRP筋替代钢筋用于基坑支护结构时存在的设计与施工问题，介绍了GFRP筋的基本特性、GFRP筋与支护桩冠梁的连接、GFRP筋自身的连接与搭接、GFRP筋笼制作方法以及浇筑混凝土时GFRP筋笼上浮的处理措施。GFRP筋在实际工程中应用表明：基坑土方开挖施工过程中，支护结构变形及周边地面沉降值均控制在允许范围内，基坑安全可靠。

玻璃纤维（GFRP）筋；支护结构； GFRP筋笼制作；GFRP筋连接

0　引　言

GFRP（Glass Fiber Reinforced Polymer）筋俗称玻璃纤维筋，其具有耐腐蚀、强度高、重量轻、抗电磁辐射、抗疲劳等诸多良好的特性，在土木工程中已得到了相应的应用与研究。当前对GFRP筋的研究主要集中在其自身的抗拉强度［1～2］、抗压强度［3］等特性及GFRP筋应用于建筑物主体结构中的混凝土性能［4］等方面。在基坑工程中，GFRP筋已用于地铁端头井的地下连续墙［5～6］以及土钉墙中［7］。在同等条件下，GFRP筋用于灌注桩相比于钢筋用于灌注桩，其造价降低5%～10%，但GFRP筋替代钢筋应用于基坑工程中的钻孔灌注支护桩时，GFRP筋与支护桩混凝土冠梁的连接、GFRP筋自身的连接、GFRP筋笼的制作以及灌注桩浇筑混凝土时GFRP筋笼上浮等问题，未得到有效地解决。

本文以江苏省食品药品监督局科研大楼基坑工程的设计和实施为背景，针对上述问题作了较详细的介绍，并分析了其应用效果。

1　GFRP玻璃纤维筋性能简介

1.1GFRP 筋基本特征及制作工艺

GFRP筋是一种有机非金属（树脂）与无机非金属（无机纤维）复合的塑料基复合材料，其包含基体和增强体两部分。通过拉挤工艺把纤维和树脂两种不同形态和性质的组合材料复合在一起，固化形成的复合材料。其中树脂是GFRP筋的基体，是一种有机非金属热固性塑料，起粘结作用，占总重量的65%～75%；连续的无机纤维称为增强体，在复合材料中起增强作用，是主要的承力组分。GFRP筋具体外形详见图1。

图1　GFRP 筋实物照片

1.2GFRP筋物理力学特性

GFRP筋是一种各向异性材料，其力学性能受拉挤、编织、纤维类型及含量、树脂类型、纤维空间布置方位、缠绕方式［8］、GFRP筋尺寸和制造工艺、加载速率［2］及所处环境［9］等因素的影响。

表1列出了纤维体积含量约75%，并按照美国有关GFRP材料试验的标准，在温度为23±3 ℃，相对湿度为50%±l0%的标准试验环境下制作试样、储存试样、调节试样和进行试验所测得的GFRP筋物理力学特性。

表1　GFRP筋物理力学特性表［10］

由表1可看出，GFRP筋具有较高的抗拉强度，较低的抗剪强度和弹性模量。这些性能与HRB400级钢筋相比，其抗拉强度约为钢筋的2.5～4.0倍；抗剪强度约为钢筋的0.43～0.74倍；弹性模量约为钢筋的0.2倍，这表明GFRP筋和HRB400级钢筋存在较大的性能差异。张志强等［11］通过研究表明，GFRP筋混凝土梁与钢筋混凝土梁的最大挠度之比为1.5～2.5；初裂承载力之比为0.53～0.69；GFRP筋混凝土梁界限相对受压区高度为0.17～0.20。这进一步说明，GFRP筋替代钢筋用于混凝土结构与钢筋混凝土结构存在较大的差异。

2　GFRP筋在支护桩中的应用分析

2.1GFRP筋与支护桩冠梁的连接

为了保证支护桩与冠梁的可靠连接，支护桩应嵌入混凝土冠梁不小于50 mm，且支护桩主筋在冠梁内的锚固长度应符合设计要求。因此，在混凝土浇筑过程采用超灌的方式，以保证支护桩桩顶设计标高以下部分桩身混凝土强度满足要求。

超灌的混凝土属于松散的混凝土浮浆，在绑扎冠梁钢筋时，须先进行清除，方可绑扎钢筋。GFRP筋属于脆性材料，抗剪力能力很低，较易被破坏，若GFRP筋直接锚固到冠梁里，那么，在浮浆清除过程，便把GFRP筋破坏，无法使支护桩和冠梁紧密连接。因此，在GFRP筋笼顶部绑扎钢筋，即每根GFRP筋绑扎一根相同直径的HRB400级钢筋，钢筋顶端按照设计要求的标高设置，钢筋底端应在有效桩顶以下2000 mm，具体绑扎范围详见图2，GFRP筋笼与冠梁连接示意图。

图2　GFRP筋笼与冠梁连接示意图

浮浆清除过程采用风炮机进行，一次破除高度应不超过50 cm。破除时不得损坏桩顶部绑扎的钢筋，不得对桩顶钢筋碾压或扭扯。破除至冠梁底部150 cm时，由人工清理打凿，避免破坏冠梁底部桩砼面，造成下部桩体受损。人工打凿至冠梁设计底标高时，对上部露出的钢筋进行校正，对有损坏的钢筋应补强或加筋。桩顶用高压水枪冲洗干净，保证桩体与冠梁的连接性能。

2.2GFRP筋自身的搭接与连接

因GFRP筋无法采用焊接连接，GFRP筋纵向主筋与桩顶位置的HRB400加强筋之间的连接及GFRP筋自身的连接，须采用非镀锌细钢丝绑扎，而且由于GFRP筋笼较长，GFRP筋纵向主筋上下段的连接还须采取钢卡扣件连接，方可避免GFRP筋笼产生过大变形。为了保证纵向主筋连接的稳定性与可靠性，每个接头须采用不少于2个钢丝卡扣件连接。卡扣件采用上下相隔一段各一个的布置形式，具体连接方式详见图3GFRP筋搭接与连接施工实景图。

图3　GFRP筋搭接与连接实景图

2.3GFRP筋笼的制作

郝庆多等［12］研究表明：GFRP筋与混凝土的粘结强度相比于钢筋与混凝土的粘结强度较低，约为钢筋与混凝土粘结强度的65～87%。GFRP筋的种类、表面处理方法、直径、肋高度、肋宽和肋间距度等因素对粘结强度的影响显著。因此，为了保证GFRP筋与混凝土之间的握裹力，不可采用表面光滑的GFRP筋。GFRP筋表面须缠绕成型并喷砂，以保证与混凝土的有效粘结，同时为了不降低GFRP筋的有效面积，缠绕深度不小于1.0 mm。使用的GFRP筋表面不得有结疤、裂纹或纤维出露，GFRP筋中纤维含量须控制在65～70%，且保证GFRP筋为无碱玻璃纤维粗纱，玻璃纤维中的树脂为环氧树脂。

GFRP筋笼成型在加工棚内或者底模上完成，其绑扎也在胎模具上进行，这与钢筋笼制作工艺基本一致，但如果整个配筋笼全部采用GFRP筋，则配筋笼极易产生变形，稳定性较差，因此应进行现场试验，必要时应采用GFRP筋与钢筋混搭配筋。即先采用3～5根钢筋按照钢筋笼的制作工艺制成骨架，使整个配筋笼稳定性极大地提高，变形减小，然后进行GFRP筋的绑扎。

GFRP筋主要由多股玻璃纤维胶合而成，常见纤维丝外露，因此，在搬运、堆放过程中操作人员须戴手套。GFRP筋的切割可利用细齿锯或者金刚石锯片，但切割时应佩戴口罩。图4 为GFRP筋笼制作现场照片。

图4　GFRP筋笼制作过程实景图

由于GFRP筋弹性模量和延性较低，且抗剪性能较差，GFRP筋笼起吊过程中最大的风险是部分GFRP筋发生受力不均匀而折断。在起吊过程中若发生折断现象，立即采取多余的GFRP筋根据折断长度进行搭接加固，然后方可进行下道施工工序。

2.4浇筑混凝土时GFRP筋笼上浮问题

因GFRP筋笼自身重量轻，在混凝土灌注过程，操作不当会产生GFRP筋笼上浮。混凝土灌注是确保成桩的关键工序，灌注前应做好一切准备，保障混凝土灌注的连续紧凑进行。开灌前导管居中，安装入孔，导管底距离孔底控制在200 mm左右。导管连接要平直可靠，密封性好。混凝土灌注过程中导管应始终埋在混凝土中，严禁将导管提出混凝土面。导管埋入混凝土面的深度始终在2.0～4.0m。必要时应采取笼底挂重物等其它措施，避免GFRP筋笼上浮。

2.5GFRP筋与支护桩质量保证措施

钻孔灌注桩中的主筋采用GFRP筋时，宜采用整根筋材。GFRP筋箍筋和加强筋应按照设计的规格、形状、尺寸在工厂加工定制成形，在接头处开口，并留足设计的搭接长度。为了保证GFRP筋的混凝土保护层，采用C30圆形砂浆垫块定位，在加劲箍四周±20 cm位置每隔2米设置1组，每组4个。

针对钻孔灌注桩易出现的其它质量问题，应从测量放线与桩位测设、护筒埋设及钻机定位、泥浆护壁钻进成孔、清孔等方面参照钢筋混凝土灌注桩的做法进行控制。

3　工程应用效果分析

3.1工程概况

工程位于南京市云龙山路以东，香山路以西，规四路以南。总用地面积13475 m²，场地形状近长方形，东西长约161 m，南北宽约85 m，设一层地下室。基坑面积约为8350 m²，周边延长约为390 m，挖深为6.05 m～6.95 m。整个基坑采用Φ800@1000钻孔灌注桩加一层混凝土内支撑，外侧采用Φ700@500双轴水泥土搅桩作为止水帷幕的支护形式，其中灌注桩主筋配为12Φ25（GFRP）加4Φ25（HRB）；箍筋采用Φ8@200（GFRP），具体基坑支护形式见图5。

图5　基坑支护示意图

3.2工程地质条件概况

场地属于长江现代漫滩地貌单元，地形较平坦，吴淞高程约为6.90～7.55 m，最大高差0.65 m，基坑开挖影响范围内的土层物理力学性质见表2。

表2　土层物理力学性质表

3.3工程应用效果分析

工程于2012年12月初浇筑冠梁和内支撑结构，从2013年3月1日开挖，于45d后开挖至基坑底部。开挖过程进行了基坑水平位移和道路沉降监测。

整个基坑开挖过程，水平位移最大实测值出现在测点CX8处约10.0 m深度的位置，其值为21.94 mm，略大于计算值，但小于设计报警值30 mm，水平位移变化在安全范围内。其中，图6为监测点CX8水平位移变化曲线，由图6可看出，随着基坑土方开挖，土体卸荷，坑边产生水平位移，且水平位移最大值对应的深度随着开挖面下移而下移。当基坑开挖至底部，水平位移趋于稳定，位移曲线呈“弓”形，发生在深度为6.0～10.0 m处。

图6　水平位移变化曲线

图7　道路沉降变化曲线

图7表示从3月2日开始至5月15日基础垫层施工完毕期间，基坑周边道路沉降变形曲线。限于篇幅，图7列举了具有代表性的5个测点的沉降值随时间的变化曲线。从图7可看出，在基坑开挖初期，道路沉降累计值较快地增大，土方开挖结束后道路沉降速率并未快速趋于稳定，这表明基坑周边的地面沉降不全由开挖引起，基坑降水施工是导致周边地面下沉的重要因素之一。

从监测数据可知，各观测点的累计沉降值都小于20 mm，表明支护结构对控制地面沉降起到了较好的作用。西侧云龙山路DL8～DL13的沉降量略大于北侧规四路DL1与DL4的沉降量，产生这种现象的原因是因为云龙山路为土方运输必经道路，重型卡车碾压导致沉降量大于北侧规四路。

4　结 论

（1）GFRP筋因其具有较多的优点，应用于基坑工程支护桩中可实现节能环保的目的，但GFRP筋替代钢筋用于支护桩的技术及其在基坑工程领域的应用仍处于探索阶段，诸多问题没有得到有效地解决。

（2）GFRP玻璃纤维筋可通过与钢筋相结合，提高GFRP筋在钻孔灌注支护桩中应用的可操作性，使GFRP筋笼的加工与制作、起吊与下放以及成桩质量得到较好地保证。

（3）通过工程实例现场监测数据反馈，整个基坑工程的进展是安全的，证明GFRP筋替代钢筋用于基坑支护灌注桩是可行的，针对存在的问题所做的相应技术措施发挥了较好的作用。

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Application of GFRP Bars in Supporting Structure of Excavation by Replacing Steel Bars

ZHAO Shengfeng1,2, HUANG Guanglong2, ZHANG Xin1, ZHAO Xiaofei1, MA Shiqaing1
（1. Nanjing Institute of Surveying, Mapping & Geotechnical Investigation Co., Ltd, Nanjing 210019, China；
2. College of Transportation Science & Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009）

GFRP bars possess fne characteristics, such as high tensile strength, light weight and superior corrosion resistance, thus are often used to replace the steel bars of structure in engineering projects. By taking a foundation pit excavation engineering in Nanjing as the example, problems in design and construction when using GFRP bars instead of steel bars in supporting structure are discussed. Furthermore, characteristics of GFRP bars, the joint between GFRP bars and top beam of supporting piles, connection and overlap among GFRP bars, manufacture of GFRP-bar cages and measures preventing cages floating upward during concrete casting are introduced. Applications of GFRP bars prove that if deformations of supporting structure and settlements of surrounding are both controlled within allowable ranges during construction, thus the foundation pit is safe and reliable.

glass fber reinforced polymer bars（GFRP）； supporting structure of excavation； manufacture of GFRP-bar cages； connection and overlap among GFRP bars

TU473

A

2095-8382（2016）04-055-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160412

2016-01-18

国家自然科学基金项目（41472283）；南京市测绘勘察研究院有限公司立项课题（2014RD06）

赵升峰（1986-），男，硕士研究生，主要从事岩土工程设计与科研工作。