膨胀土高边坡FRP类锚杆支护对比研究★

刘 学 军

(广西建设职业技术学院，广西 南宁 530007)

0 引言

CFRP是英文Carbon Fiber Reinforced Polymer的简写，中文是碳纤维增强聚合物；GFRP是英文Glass Fiber Reinforced Polymer的简写，中文是玻璃纤维增强聚合物，二者都是轻质高强复合材料,但在基坑或边坡支护中，两种材料做成的锚杆目前应用不多，主要原因在于工程人员对传统的支护材料的性能和设计、施工工艺熟悉，另外，对FRP类材料锚杆替代钢材锚杆的研究不多，经验较缺乏。有必要对该类材料在支护工程中的应用多加试验和对比研究，特别是膨胀土地区边坡，各种支护形式在各方面的效果差别较大，对比研究有利于找到经济、技术、安全更加合理的支护形式[1-3]。

1 试验场地及方案

1.1 场地条件选择

为了研究方便并使实验具有一定的代表性，选择本市郊外某开挖不久的膨胀土边坡，坡体长度约30 m，高约5.5 m～6.0 m，坡度约76°。从中选择一段长度为3.9 m，平均高度为5.7 m的土坡，该段膨胀土坡的土层分布及其物理力学性质如表1所示。

表1 场地土层分布及其物理力学性质

1.2 试验方案制定

为了获得具有可比性的研究结果，在上述所选的3.9 m长度范围沿纵向布置两个尺寸相同区域，一个区域为CFRP锚杆群，另一区域为GFRP锚杆群。两区域中的锚杆按照矩形间距布置，锚杆水平间距为1.3 m，沿坡向间距1.6 m；锚杆直径均为32 mm；砂浆中的水泥等级均为42.5 MPa。锚杆布置示意图如图1所示，锚杆长均为6 m，其中锚固段长度3.5 m，自由段长度2.5 m。

为描述方便，对图1的锚杆进行研究时，以某编号表示某锚杆，例如，“C1”表示CFRP锚杆群中的1号锚杆，“G1”表示GFRP锚杆群中的1号锚杆，其余杆件的编号依此类推。在加载过程中，对锚固段中点应力和自由段中点应力进行记录，两次均在弹性阶段，一次在破坏阶段；在加载结束导致锚杆破坏时，记录锚杆最终变形。采用分布式光纤和应力计测量锚杆的应力变化，采用液压千斤顶及压力表、测力计、位移计进行锚杆极限承载力试验，循环加载、卸载、加载，直至锚杆达到极限承载力而破坏。

2 CFRP锚杆与GFRP锚杆试验对比分析

2.1 锚杆弹性阶段应力对比研究

在拉伸试验过程中，当处于弹性变形阶段时，为了能够进行同条件对比，选择各锚杆在弹性阶段初期为5 mm时和弹性阶段中期为10 mm时记录整理得出相应的应力，见表2,表3。

表2 GFRP锚杆与CFRP锚杆应力对比(变形5 mm) MPa

表3 GFRP锚杆与CFRP锚杆应力对比(变形10 mm) MPa

如表2所示，在弹性阶段的初期，锚固段中点应力，四根GFRP锚杆的平均应力比四根CFRP锚杆的平均应力稍大，前者平均值为18 MPa，后者平均值为17 MPa，相差很小；对于自由段中点应力而言有同样结论。

如表3所示，在弹性阶段的中期，锚固段中点应力，四根GFRP锚杆的平均应力与四根CFRP锚杆平均应力，前者平均值为54.75 MPa，后者平均值为39.25 MPa，前者是后者的1.39倍；对于自由段中点应力而言，前者平均值为128.25 MPa，后者平均值为95.5 MPa，前者平均值为后者平均值的1.34倍，GFRP锚杆应力与CFRP锚杆应力有较大差别。

2.2 锚杆极限位移对比研究

在拉伸试验过程中，当处于破坏变形阶段并且达到极限变形时，测得各锚杆的极限位移，见表4。

表4 GFRP锚杆与CFRP锚杆极限位移对比 mm

当各锚杆受拉经历弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，最后达到极限变形时，测得各锚杆的极限位移，从表4可以看出，各个GFRP锚杆极限位移平均值为84 mm，各个CFRP锚杆极限位移平均值为33 mm，前者与后者之比为2.55倍，差别显著。

2.3 锚杆破坏阶段极限应力对比研究

在拉伸试验过程中，当处于破坏阶段时，将各锚杆在极限变形时对应的受拉应力记录整理得出表5所示结果。

表5 GFRP锚杆与CFRP锚杆极限应力对比 MPa

如表5所示，在破坏阶段，与极限变形对应的锚固段中点应力，四根GFRP锚杆的平均应力为139 MPa，四根CFRP锚杆平均应力为95 MPa，前者是后者的1.46倍；对于自由段中点应力而言，前者平均值为266.25 MPa，后者平均值为186.75 MPa，前者平均值为后者平均值的1.43倍。破坏阶段极限应力与承载力设计值有紧密关系，通过两类锚杆破坏阶段极限应力的比较，可以预知两类锚杆承载力设计值的大小差别，即GFRP锚杆的承载力设计值与CFRP锚杆有较大差别。

3 结语

结合上述试验结果及分析可知，在弹性阶段的初期，GFRP锚杆与CFRP锚杆的应力差别很小，在弹性阶段的中期，GFRP锚杆与CFRP锚杆的应力差别较大，如果按照保守概念来设计，只考虑在正常使用极限状态，从力学效果而言GFRP锚杆优于CFRP锚杆；GFRP锚杆在破坏阶段的极限位移比CFRP锚杆显著增大，如果按照极限承载力概念来设计，考虑承载力极限状态，从大变形预警效果而言GFRP锚杆优于CFRP锚杆；GFRP锚杆与CFRP锚杆的破坏阶段极限应力差别较大，如果按照极限承载力概念来设计，考虑承载力极限状态，从力学效果而言GFRP锚杆优于CFRP锚杆。另外，锚固段中点应力与自由段中点应力不同是因为锚固段与土体之间有砂浆粘结从而形成锚杆、砂浆、土体三者整体受力效应，锚杆锚固段中点分担应力较小。