BFRP筋锚杆土质边坡支护应用研究*

赵 文 王 浩 陈 云 胡 熠

ZHAO Wen① WANG Hao① CHEN Yun② HU Yi②



BFRP筋锚杆土质边坡支护应用研究*

赵 文①王 浩①陈 云②胡 熠②

论文通过拉伸试验、抗剪试验、耐腐蚀试验、与水泥基黏结强度试验，研究了BFRP筋力学性能，表明BFRP筋抗拉强度大于890MPa，耐酸碱强度保留率大于92%，抗剪强度略小于普通钢筋，与水泥基类黏结强度大于4.5MPa。参照《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS 22：2005)，结合BFRP力学性能参数，对BFRP锚杆支护土质边坡进行设计。BFRP筋作为锚杆，其抗拉强度设计值取750MPa，与砂浆黏结强度取2.0MPa。通过BFRP筋材和钢筋锚杆加固土坡的现场对比试验，分析了BFRP锚杆加固土质边坡的效果，表明两种锚杆受力和边坡变形类似，验证了BFRP筋作为岩土支护锚杆的适用性。

BFRP锚杆 支护 对比试验 土质边坡

ZHAO Wen①WANG Hao①CHEN Yun②HU Yi②

0 引 言

锚杆材料一般选用屈服强度较高的精轧螺纹钢，而锚杆破坏失效主要原因是锚杆材料遭受腐蚀而破坏。虽然在锚杆工程中可采用锚杆支架、注浆浆液中掺入膨胀剂等防腐技术措施，但某些边坡工程地质条件复杂，地下水丰富并含有对金属具有腐蚀性化学物质，锚杆的防腐技术没有从根本上解决问题。玄武岩纤维复合筋(BFRP)具有耐腐蚀、强度高、质量轻、与注浆体黏结性能良好等优点(刘志勇等， 2005； Baena, 2009; 霍宝荣等， 2011； 吴刚等， 2014)。利用BFRP筋作为锚杆材料，能解决岩土锚固工程的锚杆腐蚀问题，对结构的安全性和耐久性提供保障。

目前针对BFRP筋材的研究多集中在其物理力学性能(顾兴宇等， 2010； 霍宝荣等， 2011)及工程结构应用(Okelo， 2005; Li， 2010)。也有学者针对BFRP筋材用作锚杆的适宜性进行了研究，表明其为锚杆在工艺上可行，在性能上能满足相关要求，适宜应用于岩土锚固工程(郭成鹏等， 2012)。

本文结合BFRP力学性能试验获得关键设计参数，对BFRP锚杆支护土质边坡进行设计，通过BFRP锚杆加固土质边坡，并与传统锚杆加固土坡进行对比，得到边坡支护锚杆受力及边坡变形特征，对比BFRP筋锚杆与钢筋锚杆加固土坡受力机制，研究BFRP筋锚杆支护土质边坡的可行性。

1 BFRP筋材基本性能

1.1 BFRP筋材拉伸性能

通过拉伸试验测试BFRP筋材的抗拉强度、弹性模量和延伸率。试验材料为四川航天五源复合材料有限公司生产的BFRP螺旋状筋材，试验筋材直径为6mm、8mm、10mm、12mm、14mm，每组4个试样，试验结果(表1)。试验表明，BFPR筋抗拉强度大于890MPa，平均延伸率为2.1%～2.4%，弹性模量约50.1～62.4GPa。

表1 BFRP筋材拉伸强度

Table1 Tensile strength of BFRP

BFRP直径平均强度/MPa平均延伸率/%弹模均值/GPa6mm12922.1062.48mm11192.1154.610mm10672.4050.112mm8912.2554.714mm9172.3753.6

1.2 BFRP筋材耐腐蚀性能

通过试验研究BFRP筋长期处于酸、碱性环境中的强度保留率。选用直径为6mm、8mm、10mm的BFRP筋材各4根，分别放在酸碱溶液中。酸性溶液为0.025mol·L-1的硫酸，碱性溶液是浓度为2.5g·L-1的Ca(OH)2。每日对溶液进行一次搅拌，并测量pH值，确保pH值大小不变。对酸碱浸泡1个月后的筋材进行强度测试(表2)。试验表明，BFRP筋材耐酸碱腐蚀能力高，耐酸强度保留率大于92%，耐碱强度保留率大于94%。

表2 BFRP筋耐腐蚀强度

Table2 Corrosion resistance of BFRP

筋材直径/mm酸溶液碱溶液平均强度/MPa保留率/%平均强度/MPa保留率/%6119092.1121794.28106094.7108196.610102796.3104597.9

1.3 BFRP筋抗剪强度试验

使用三点剪切试验法，通过万能试验机进行试验。将试件穿过钢套管，并将整个支架放在万能试验机上，进行抗剪试验。当试验试件受力开始出现下降的时候，表明达到最大剪切应力，试验结束，筋材剪断面较为平整，剪切均匀。

试验选用3种不同直径的筋材，分别为直径10mm、12mm、14mm。BFRP筋材抗剪强度试验结果(表3)。

表3 BFRP筋材抗剪强度

Table3 Shear strength of BFRP

筋材直径剪断荷载/N抗剪强度/MPa实测值平均值14mm51502167.418762712203.858404189.812mm42722189.018943952194.445022199.139608175.210mm24330155.015920226128.828858183.826310167.6

试验表明，不同直径的玄武岩纤维筋材的抗剪强度稍有不同，而直径越大，抗剪强度越大。BFRP筋材抗剪强度略小于普通钢筋抗剪强度。

1.4 BFRP筋与水泥基类黏结性能

在岩土锚固工程中，BFRP筋是否能替代钢筋锚杆，BFRP筋与水泥基类(特别是砂浆)的黏结性能是一个重要参数。试验参考了《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152-92)及相关文献(吴芳， 2009； 张绍逸， 2013)。共制备17组68个BFRP筋的砂浆及混凝土立方体试件 (图1)。

图1 与水泥基黏结强度试验试件

由试验可知，筋材型号不同，与水泥基类的黏结强度也稍有不同(表4)。总体来看，直径为4mm的BFRP筋材表现出来的黏结强度最大，由于筋材表面经过喷砂处理，筋材直径越小，其表面喷砂体现出来粗糙程度越大，黏结强度越大。而对于工程常用锚杆(一般直径10mm以上)，与水泥基类的黏结强度随筋材直径的变化并不大。其次，水泥基强度越高，黏结强度也越高，BFRP筋材与纯水泥浆黏结强度最低，约2～3MPa，与砂浆黏结强度稍高，大于4.5MPa，与混凝土黏结强度最高，大于7.5MPa。作为岩土工程锚杆，一般采用M20或M30砂浆，且锚杆一般直径大于10mm，其黏结强度普遍大于4.5MPa，在锚杆设计时，BFRP筋材锚杆与砂浆的黏结强度标准值可取4.0MPa，设计值可取2.0MPa。

表4 BFRP筋材与水泥基类黏结强度/MPa

Table4 Bond strength between BFRP and mortar/MPa

筋材直径/mm纯水泥浆M20M30C30C404—8.2012.2326.33—83.015.035.979.23-102.464.804.777.94-122.285.176.398.5118.11142.24————

2 BFRP锚杆支护设计

BFRP力学性能试验表明，BFRP抗拉强度高，抗剪强度与普通钢筋相近，与水泥基类黏结强度高，具耐腐蚀性能良好，具备替代钢筋作为岩土支护锚杆的力学性能。通过实际工程BFRP锚杆支护试验，验证BFRP锚杆的适用性。

2.1 试验场地地质概况

试验场地位于在建的成都“绿地中心”的8号地块西侧，场地地层从上到下依次为素填土(1.3m)和黏土(>5m)，地层剖面及土层力学参数(图2)。现场试验边坡是一个长40m的基坑边坡，边坡高5.5m，坡度为1︰1， 采用锚杆+喷射混凝土支护。

图2 场地地层剖面

2.2 锚固力计算

根据边坡在暴雨工况下发生深层滑动的工况来计算锚固力，采用极限平衡法，当作用于圆弧剪切面上的抗滑力矩大于使边坡发生破坏的力矩时，边坡处于稳定状态。锚固力的计算公式如下：

(1)

式中，ΔN为一条垂直的土条重量对剪切面的法向分力；f为土层的摩擦系数；C为土层的黏聚力；r为剪切面半径； ΔL为一条剪切面的长度； ∑ΔT为作用于剪切面上的切向力总和。

边坡的稳定系数m，可由下列关系式求出：

(2)

当存在锚固力作用于剪切面时，锚固力的法向分力Pn和切向分力Pt有助于边坡的稳定，因此锚固边坡的安全系数m′可由式(3)计算。

(3)

当锚杆轴线与剪切面的垂直线呈φ角度时，锚固力可由式(4)～(6)计算。

(4)

(5)

前捷克洛伐克Hobst认为，可把角度ψ的最优值作为摩擦角的余角，即：

(6)

根据式(6)可计算得锚固力与剪切面垂线的最优夹角ψ=52°。考虑施工的方便，参照规范，可取锚杆轴线与水平方向成15°，即ψ=33°。

通过式(2)可计算出未锚固边坡的稳定系数m=0.892，又因边坡安全等级是3级，根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2002)边坡的安全系数m′=1.20，由式(5)计算得到每延米边坡所需要的锚固力P=87.65kN。

2.3 锚杆布置

根据边坡工程地质条件以及每延米边坡所需要的锚固力，布设锚杆间排距以及锚固角度。锚杆间距过大，则锚杆需要承受的拉力较大； 锚杆间距过小会引起“群锚效应”，使锚杆的极限抗拔力降低，因此《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS 22：2005)规定锚杆水平间距不宜小于1.5m，使用多层锚杆时，竖向间距不宜小于2.0m。锚杆锚固段的上覆土层厚度不宜小于4.5m。锚杆的倾角宜避开与水平向成-10°～+10°的范围。综合上述因素以及锚固力、锚固角计算结果，设置锚杆水平间距为1.5m，沿坡面的排距2m，共三排； 锚杆安设角与水平方向呈15°。锚杆布置剖面图(图3)。

图3 边坡锚杆布设剖面图(单位：mm)

2.4 锚杆直径

每延米边坡所需要的锚固力为87.65kN，则每1.5m宽边坡所需要的锚固力为131.47kN。由此确定三排锚杆锚固力的设计值分别为：第1、2排50kN、第3排40kN。

边坡锚固体抗拔安全系数K取1.4，BFRP筋材的抗拉安全系数Kt为1.25，锚固体的直径为100mm。设计采用BFRP筋材为锚杆材料，根据试验得到BFRP筋材的极限抗拉强度得其抗拉强度标准值fyk为750MPa。锚筋的直径As可由式(7)确定：

(7)

式中，Kt为锚杆杆体的抗拉安全系数；Nt为锚杆轴向拉力设计值(kN)。

根据式(7)计算得到锚筋的横截面积As=83.33mm2，锚杆直径ds=10.30mm。因此可取锚杆直径ds≥12mm。

2.5 锚杆长度

锚杆长度是锚固段长度、自由段长度以及锚头长度之和。锚固段长度可由式(8)、式(9)确定。

(8)

(9)

式中，K为锚杆锚固体抗拔安全系数；Nt为锚杆或单元锚杆轴向拉力设计值(kN)；La为锚固段长度；fmg为锚固段灌浆体与地层间黏结强度标准值(kPa)；fms为锚固段灌浆体与筋体间黏结强度标准值(MPa)；D为锚杆锚固段钻孔直径(mm)；d为筋材直径(mm)；ξ为采用两根或两根以上筋材时，界面黏结强度降低系数，取0.6～0.85；φ为锚固长度对黏结强度的影响系数；n为筋材根数。

根据BFRP筋材与砂浆黏结强度试验，M20、M30砂浆与BFRP筋材黏结强度标准值为4.0～5.0MPa，设计时取锚杆与砂浆的黏结强度fms为2.0MPa。边坡为黏性土层，且土IL=0.1为硬塑状态，因此锚固段灌浆体与地层间黏结强度标准值fmg可取65～80kPa； φ可取1.0～1.3。

通过式(8)和式(9)的计算，取其中的最大值为锚固段长度。可得到各排锚杆锚固段的长度分别为：第1、2排2.48m，第3排1.98m。

锚杆自由段长度主要应根据被加固边坡潜在滑面的产状、深度和锚杆设计位置来确定，同时应穿过潜在滑裂面不小于1.5m，且不应小于5.0m。根据边坡锚杆布设剖面图可得第1、2、3排锚杆所对应的滑面深度为3.64m、4.18m、3.99m。即理论上各排锚杆自由段长分别为：第1排5.14m、第2排5.68m、第3排5.49m。

锚头段BFRP锚杆与普通钢筋不同，普通钢筋锚杆预留弯起钢筋与面网焊接或绑扎，而BFRP不能弯折，需要采用特制锚头，即BFRP筋材无预留锚头长度段，则理论上BFRP锚杆总长度分别为：第1排7.62m、第2排8.16m、第3排7.47m。

为方便锚杆制作和施工，最终采用的BFRP锚杆支护设计参数如下：BFRP锚杆直径为14mm，第1排锚杆长8m，第2、3排锚杆长9m，水平间距1.5m，纵向间距2.0m。

2.6 锚头及面网设计

由于BFRP筋材不能弯折，为了与面网筋连接，采用特制锚头。锚头采用30cm长无缝钢管，锚具钢管内径为20mm，外径为25mm，通过管内糙化并每5cm钳制锥形口等工艺，并采用高强度A级植筋胶与BFRP筋黏结。特制锚具外焊接4根长0.6m的Φ8 HRB335钢筋，焊接长度为0.3m，剩余0.3m弯折与面网筋绑扎连接，锚具如图4 所示。喷射混凝土强度为C15，喷射厚度为100mm，面网采用直径6mm BFRP筋材，面网间距为150mm。

图4 BFRP锚杆锚头

3 边坡变形与锚杆受力特性

通过现场对比试验研究钢筋锚杆和BFRP锚杆加固土坡的受力机制以及BFRP锚杆替代钢筋锚杆加固土坡的可行性。对比试验区的钢筋锚杆采用HRB335Φ25钢筋，试验边坡(图5)。

图5 试验边坡

3.1 监测设计

监测元件布置断面如图6 所示，在第二排的锚杆上，每隔5m取一根锚杆，采用钢筋计监测锚杆受力，共4根，其中两根为钢筋，两根为BFRP筋材。每根锚杆上分别装有4个钢筋计。在坡顶和坡底并布设8根测斜管，监测边坡变形。

图6 监测点布置断面图(单位： mm)

3.2 锚杆受力分析

现场施工完成于2014年3月19日，至2014年11月底，共进行了8个月的监测。其中钢筋锚杆应力监测元件分别编号为S1、S2，BFRP筋锚杆应力监测元件编号分别为BFRP-1、BFRP-2。各应力监测筋的受力随时间曲线如图7～图10 所示。从图中可以看出，钢筋锚杆和BFRP锚杆受力曲线变化趋势大体一致，两种锚杆受到的力最大值差别不大。且S1、S2、BFRP-1、BFRP-2锚杆的拉力均在坡面端头处最大。钢筋锚杆受力最大值为18kN，BFRP锚杆受力最大值为15kN，受力均小于设计值，边坡整体稳定。采用直径14mm BFRP筋代替直径25mm钢筋是可行的。

图7 S1锚杆受力变化曲线

图8 S2锚杆受力变化曲线

图9 BFRP-1锚杆受力变化曲线

图10 BFRP-2锚杆受力变化曲线

3.3 BFRP锚杆支护边坡变形分析

1#～4#测斜管布置在坡脚前缘，深5m，其中1#、2#测斜管位于钢筋锚杆试验区， 3#、4#测斜管位于BFRP筋材锚杆试验区； 5#～8#测斜管布置在坡顶，深10～11m，其中5#、6#测斜管位于钢筋锚杆试验区， 7#、8#测斜管位于BFRP筋材锚杆试验区。坡顶和坡脚各取1处变形进行分析。图11～图14 分别表示钢筋锚杆区坡脚变形、BFRP锚杆区坡脚变形、钢筋锚杆区坡顶变形、BFRP锚杆区坡顶变形。

图11 2#测斜管变形曲线

图12 3#测斜管变形曲线

图13 6#测斜管变形曲线

图14 8#测斜管变形曲线

从图中可以看出，钢筋锚杆区坡脚地面变形最大1.4～2.0mm， BFRP筋材锚杆试验区坡脚地面变形最大1.2～2.2mm； 钢筋锚杆区坡顶变形最大3.2～5.5mm， BFRP筋材锚杆试验区坡顶变形最大约5.0mm左右。坡顶变形比坡脚变形大3mm左右，对应于筋材受力，夏季雨季之后，边坡产生了一定的变形，筋材受力也有明显的增加，边坡变形与支护系统受力是吻合的。

监测表明，钢筋锚杆区和BFRP筋材锚杆区坡顶、坡脚变形特征类似，表明采用BFRP锚杆与普通钢筋锚杆对边坡的支护效果类似。

4 结 论

(1)BFRP筋抗拉强度大于890MPa，耐酸碱强度保留率大于92%，抗剪强度略小于普通钢筋抗剪强度，与水泥基类黏结强度大于4.5MPa。

(2)BFRP适合作为岩土支护锚杆，并可按《岩土锚杆(索)技术规程》(CECS 22：2005)进行设计。BFRP锚杆设计关键参数为拉拔强度和砂浆黏结强度，其设计值分别取750MPa和2.0MPa。

(3)采用BFRP筋制作锚杆，无需焊接，但需特制钢管锚具，采用高强度植筋胶黏结筋材，并焊接直径8mm短钢筋与坡面挂面筋绑扎。

(4)现场应用试验表明，采用直径14mm BFRP筋材锚杆支护土质边坡，与采用直径25mm HRB335钢筋锚杆支护边坡效果相当，两种锚杆受力和边坡变形特征相似。

(5)锚杆受力低于设计值，边坡变形微小，边坡整体稳定。试验验证了BFRP筋材可替代钢筋作为锚杆支护边坡。

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JournalofEngineeringGeology工程地质学报 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.

赵文(1975-)，男，博士，副教授， 主要从事岩体力学及岩体工程研究. Email: wenzhao@swjtu.cn

U413.6

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