土层BFRP锚杆现场拉拔试验研究

吕敬富

摘要：新型BFRP锚杆作为一种抗拉强度高、质量轻、耐腐蚀性强、抗震性与疲劳性俱佳的玄武岩纤维锚杆，现已走入土木工程的支护结构，有逐渐替换传统钢性锚杆的趋势。但其第一、二界面的力学传递性能研究还不够完善，针对这一问题，本文将从不同直径、不同成孔方式、是否带扩大头三方面展开研究，得出以下结论：①直径越大极限拉拔力越大。当锚杆较细时放置过程中容易出现偏心情况，且锚固体完整程度越差；②相同直径下不带扩大头，极限拉拔力挤风1#>取3#>挤1#，但是三种者差距很小，说明在考虑第一界面破坏的情况下成孔方式对BFRP锚杆极限拉拔力对基本没有影响；③对比挤密成孔和风钻成孔，第一界面强度带扩大头的锚杆要高于不带扩大头11～16%左右，风钻成孔下的第一界面强度无论锚杆是否带扩大头均大于挤密成孔；④挤密成孔条件下，由于锚固长度只有1m，且孔壁较光滑，第一界面的强度是第二界面强度的2.5～3倍，建议工程中适当加大锚固长度，采用高压注浆来增大第二界面的强度；（5）根据锚固体上的裂缝分布和破坏情况，从上至下依次将其分为拔出裂缝、应力集中裂缝和低强度裂缝。

Abstract： As a kind of basalt fiber anchor with high tensile strength， light weight， strong corrosion resistance， good shock resistance and fatigue resistance， the new BFRP anchor has now entered the support structure of civil engineering and has the trend of gradually replacing the traditional steel anchors. However， the study of the mechanical transfer performance of the first and second interfaces is not perfect enough. In view of this problem， this paper studies from different diameters， different pore-forming methods and whether have enlarged head， and draws the following conclusions： ① The larger the diameter， the greater the ultimate pull force. When the anchor rod is thin， the eccentricity is likely to occur during the placement process， and the integrity of the anchor is worse； ②Without the enlarged head at the same diameter， the sequence of ultimate drawing force is the wind 1#> take 3#> squeezes 1#， but the difference among the three is small， indicating that the hole forming method has no effect on the ultimate drawing force of the BFRP bolt by in consideration of the first interface failure； ③Comparing the compacted holes and wind drilled hole， the anchor whose first interface strength with enlarged head is higher 11～16% than that without enlarged head， and the first interface strength under the wind drilled hole is no matter whether the anchor has enlarged heads are larger than the compacted holes； ④Under the condition of compacted holes， since the anchoring length is only 1m and the wall of the hole is smooth， the strength of the first interface is 2.5～3 times of the strength of the second interface. It is recommended to increase the anchoring length appropriately in the project and uses high pressure grouting to increase the strength of the second interface； ⑤according to the distribution and damage of the crack on the anchor， it is divided into the extraction crack， the stress concentration crack and the low strength crack from top to bottom.

關键词：BFRP锚杆；拉拔试验；极限拉拔力

Key words： BFRP anchor；drawing test；ultimate pulling force

中图分类号：TU476 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）30-0142-07

0 引言

锚杆支护技术在土木工程中广泛应用，其安全度与耐久度是支护工程中的核心问题。许多永久支护结构采用钢锚杆，其耐久性在自然环境中遭受着极大考验，虽然采用了各种方法来防腐蚀，结果却都是差强人意。BFRP锚杆（Basalt Fiber Reinforced Polyme）是一种玄武岩纤维增强復合材料，具有抗拉强度高、耐腐蚀性强、质量轻、抗震性和抗疲劳性俱佳、来源广泛等优点，在土木工程领域具有广阔的应用前景[1-4]。

赵文等[5]研究了BFRP锚杆与水泥基材料的粘结性能；沈新等[6]进行了BFRP筋材与混凝土的粘结性能试验；单炜等[7]提出了BFRP筋与混凝土的粘结-滑移本构关系；Cheng.Y.M等[8]先后在香港、韩国和澳大利亚等地对GFRP、CFRP 锚杆进行了大量试验，试验结果得出在不同地质条件下使用这种新方法加固边坡的优点，并研究了这些材料在不同地质条件下的适用性和耐久性。ZHU H H等[9]对FRP筋进行了研究，其中包括抗拔性能，水泥砂浆的粘结强度以及在碱性环境中的长期强度和耐久性；另外一些学者[10-13]也进行了一些玄武岩纤维筋拉伸力学性能试验研究；赵文、杨国梁等[14-15]进行了BFRP筋锚杆土质边坡支护应用研究。

上面的一些学者都是基于第一界面的研究并未考虑到第二界面强度的影响，且对锚固体的破坏形式研究较少。基于此本文将针对一定数量的拉拔试验对BFRP锚杆展开第一界面和第二界面的研究，包括对不同的锚杆直径、不同的成孔方式、是否带扩大头进行分组试验。

1 拉拔试验设计及分组

1.1 BFRP锚杆拉拔试验设计

本次试验现场位于甘肃省兰州市中国中铁滑坡工程实验室及西部环境岩土与场地修复技术省级实验室。该场地地貌单元属山前冲洪积扇与阶地后缘交汇复合地貌，场地地形起伏较小，有三级耕地平台，每级平台高2.0m左右。区内地层较为简单，为第四系松散沉积物，土层主要成分为砂质黄土，含有有少量杂填土，具体土层参数见表1。试验中BFRP锚杆相关物理/机械性能具体参数见表2。

根据不同直径、不同的成孔方式、是否带扩大头进行试验分组，用来分析第一界面和第二界面强度的研究。水泥砂浆均采用M20，保养期大概在40天左右，BFRP锚杆均为竖直放置，成孔方式分为三种：取土器成孔、挤密成孔、风钻成孔。目的是研究不同成孔方式对第一、二界面强度的影响，其中取土器和挤密成孔孔径都是130mm，风钻成孔由于控制孔径困难，遇到软弱的地层孔径大，坚硬地层孔径较小，本次试验只控制相同孔深，即1m的锚固长度，具体参数见表3，并对其进行了编号。图1为三种方式成孔的过程。

试验中提到的扩大头，就是沿着BFRP锚杆每隔30cm放置一个矿泉水瓶，使用环氧树脂将锚杆跟矿泉水瓶粘结在一起。由于设置的锚固长度为1m，锚杆全长布置三个扩大头。目的之一是由于锚固段只有1m，很容易被拔出，得出的数据点较少，能增加数据点的采集。其二是用来研究带扩大头和不带扩大头第一界面强度的差距。本次试验中带扩大头试验装置仅仅是锚杆上布置了三个扩大头，其余部分与不带扩大头的试验完全一样，具体试验装置如图2所示。其中锚杆顶部外套钢管，目的保护锚杆不被夹断，因为BFRP锚杆虽然抗拉强度很高，但是其抗剪和抗压能力较差，锁具如果直接作用在锚杆上，其结果就是把锚杆夹断，致使试验失败。图3是扩大头示意图。

1.2 BFRP锚杆拉拔试验分组

根据锚杆不同直径、不同成孔方式、是否带扩大头对整个拉拔试验进行分组，对第一、第二界面的受力破坏模式、裂缝分布情况及成因进行分析研究，具体分组情况见表4。

2 拉拔试验现象及结果分析

拉拔试验过程采用的是分级加载的方式，每级荷载为0.5MPa，当百分表稳定或者相对稳定时，再施加下一级荷载，直至油压表压力值不再增加或者百分表持续不停的急速旋转为止，上一级荷载作为BFRP锚杆的极限拉拔力。试验装置通过千斤顶油压表和锚索测力计同时测定BFRP锚杆的极限拉拔力，以便相互校核。整个试验的过程如图4所示。

2.1 不同直径下的拉拔试验

本组试验是分析三种不同直径下锚杆的极限拉拔力，均是取土器成孔，均不带扩大头。

当加载时，所有组试验都能明显听到断断续续的“砰”的响声，这是由于锚杆与锚固体相对滑移的结果，同时也是锚固体破裂的时发出的声音，加载到最后时，无论任何一组试验都无一例外听到特别明显的“咚”的一声，此时锚杆被拔出，千斤顶压力表指针归零，百分表急速转动直到失灵，整个试验过程结束。

取1#（12mm）试验时很容易拔出来，这是由于其直径小肋深浅，最后通过开挖可知，注浆完成后，锚杆放置出现明显的偏心情况，使得其没有完全发挥锚固能力，如图5所示。凿开锚固体清晰可见锚杆相对滑移时留在砂浆体上的擦痕，图6所示。

取2#（16mm）试验，极限拉拔力比取1#的大一些，但是仍然出现了明显的偏心问题，如图7所示。同样锚固体上留下较明显的擦痕，如图8所示。

取3#（25mm）试验，极限拉拔力要较前两者有显著的提升，通过开挖可以发现25mm的BFRP锚杆的未出现偏心问题，且整个锚固体保存良好，试验效果较为成功，如图9所示。凿开锚固体可清楚看到明显的擦痕，见图10。

通过对取1#（12mm）、取2#（16mm）、取3#（25mm）三种不同直径的BFRP锚杆的拉拔试验，试验对比结果见表5。由于取1#锚杆较细且锚固长度只有1m，试验过程中缺少数据无法做出准确的BFRP锚杆位移-拉力曲线，但是最终破坏时前一级的拉拔力是49kN，图11中只做出了取2#和取3#的曲线，从图中可知两者的变化趋势基本一致，都有一个台阶变化，在两者相交之前拉力值取3#大于取2#，前三个点对应的拉力值基本相等，两者的曲线非常相近，而且第二个点和第三个点的斜率相等，说明在刚开始拉的时候二者的作用机理完全一样，但是由于锚杆直径的不同，在相交点之后二者出现差距，拉力不断增大下取2#迅速破坏，取3#的位移曲线还有一小段变缓的过程，最后开始出现陡坡，直至破坏。

从表5中可知，25mm直径的锚杆第一界面强度比12mm的增大将近148%，比16mm的增大108%。16mm的锚杆比12mm的大16%，即直径越大极限拉拔力越大。三种直径的锚杆在试验过程中的共同点其一是由于取土器成孔的方式，孔壁（即第二界面）较为光滑，如图12所示。其二是锚固体上都具有明显的擦痕。对比图13可知当锚杆较细时放置过程中容易出现偏心情况，且锚固体完整程度越差。

2.2 相同直径下不带扩大头的拉拔试验

本组试验都是在直径为25mm的情况下进行的，均不带扩大头，试验过程中的现象与2.1中描述的基本一致。

风1#（25mm）试验结束后，通过开挖锚固体发现其底部锚杆移动了大概有22cm左右的距离，如图14所示。整个锚杆未出现偏心情况，擦痕清晰可见，如图15所示，试验整体效果较好。挤1#与风1#现象基本一致，这里不再赘述。

由于成孔方式的不同，风钻成孔与取土器成孔和挤密成孔有明显的不同，见图16、图17、图18。取土器和挤密成孔锚固体虽外形相近，基本是等径的圆柱体，但两者的土体强度却不一样，挤密孔围压较大，孔壁的摩擦强度大，即第二界强度挤密成孔要大于取土器成孔。风钻成孔锚固体是变径的柱体，形状不规则，锚固体根部形成比其他部位直径更大的柱体，可知风钻成孔更加有助于增强第二界面的强度。

如图19所示，对比取3#（25mm）、风1#（25mm）和挤1#（25mm）拉拔试验结果可知：三者的变化趋势大致相同，其中挤1#在拉拔力下率先破坏，风1#和取3#基本在是同步破坏，最终被拔出来的时候三者的极限拉力值基本是一样的。风1#的极限拉拔力比挤1#强度增加1.7%，取3#比挤1#增加1.4%，风1#比挤1#增加0.2%，说明在考虑第一界面破坏的情况下成孔方式对BFRP锚杆极限拉拔力对基本没有影响，三者的区别应该是在第二界面上。

2.3 相同直径下带扩大头的拉拔试验

本组试验都是在直径为25mm的情况下进行的，均带扩大头，主要是研究带扩大头对第一界面强度提高的影响。

风2#（25mm）和挤2#（25mm）试验现象与风1#基本一致，不同的是其极限拉拔力都要比风1#大一些，这是由于锚杆上带有扩大头的原因，锚杆底部未出现明显的滑动，未出现偏心现象，整个锚固体保存较为完整。图20所示为风1#和风2#锚固体对比示意图，从图中可知带扩大头的锚固体要比不带扩大头更加完整。

从图21可知，在挤2#到达91kN的时候，位移曲线近似线性变化，从91kN到相交点，出现变缓的趋势，之后锚杆出现了一段将近20mm的位移，拉拔力却增加的不大，只有10kN左右，表明此时的锚杆出现了被拔出的征兆，但是锚杆的强度并没有立刻降低，随着拉拔力的增大，锚杆最终被拔出。风2# 拉力值97kN之前曲线近似线性变化，这时拉拔力从第一个扩大头逐渐向锚固体深部传递，曲线从97kN到111kN开始出现变陡，这与挤2#的变缓正好相反，说明三个扩大头同时提供抗力，使得曲线变陡，随后曲线变缓，直至破坏。在相交点之前拉力挤2#总体大于风2#，变化趋势大致一致，相交点之后风2#大于挤2#，变化趋势不尽相同，挤2#有一段变化极缓的曲线，能够给试验提供一种信号，那就是锚杆即将被拔出，而风2#没有明显的变缓趋势，破坏时没有明显的征兆。单是从最终极限拉拔试验结果来看，两者差距大小基本可以忽略，但是挤2#在破坏前有一个明显的提示，风2#则无任何征兆下突然破坏，显然挤2#更加符合工程中的设计。风2#和挤2#拉拔试验与2.2中的试验区别在于锚杆上布置了扩大头，极限拉拔力风2#要比挤2#要大7kN左右，即增加了5%，二者的差距不大，但是都要比不带扩大的大，风2#比风1#增大了15.6%，挤2#比挤1#增大了11.7%，说明风钻成孔下的第一界面强度无论锚杆是否带扩大头均大于挤密成孔，具体见表6。

2.4 一、二界面对比试验

上述试验都是针对第一界面的，基于此本组试验主要是测量第二界面的强度，以此对比一下第一、二界面的强度大小。成孔方式为挤密成孔，由于锚固长度只有1m，图22可知第二界面强度只有47kN，曲线变化最开始比较陡，这是因为摩擦力往深处传递，然后曲线变缓，由于是挤密成孔，钻孔周围土体在成孔过程中变的比之前更加密实，围压也就变的更大，锚固体和孔壁的摩擦力增大，所以才会曲线才会有一段变缓的过程，最后随着拉力的不断增大，第二界面的摩擦力逐渐被克服，直至整个锚固体被拔出。试验结束后，从图23可以看出锚固体整体被拔出，没有出现明显的破坏。由表7可知挤密成孔下不带扩大头第一界面强度为120kN，是第二界面强度的2.55倍，带扩大头第一界面强度是134kN，是第二界面强度是2.85倍，相比第一界面强度低很多。

2.5 锚固体上的裂缝分析

本小节主要是针对试验过程中锚固体上出现的裂缝展开论述，根据裂缝破坏形式，将其分为三类：拔出裂缝、应力集中裂缝、低强度裂缝。

如图24所示，拔出裂缝位于锚固体的顶部，顶部锚固体基本全部破坏，因为此处拉拔力大而且布置了扩大头容易出现应力集中的结果。

低强度裂缝，从图25可知从砂浆体底部到裂缝处长度为40cm，这段距离范围内没有锚杆，属于沉渣段，抗拉强度低，由于锚固长度为1m，低于西北黄土地区锚杆的极限锚杆长度，在试验过程中受拉断裂，形成一个“V”形裂缝。

应力集中裂缝，出现锚固体的中部，如图26所示，此处出现一个明显的“X”形裂缝， “X”形的裂缝其实也可以理解为正“V”形和倒“V”形的组合。图27中可见锚固体中部擴大头向下形成一个倒“V”形裂缝，然后裂缝逐渐开始向下扩大，直至裂缝闭合，裂缝的长度达到54cm，在裂缝闭合处其实是底部扩大头所在的位置，由于应力集中，裂缝汇集于此，图28中最后裂缝整体向下贯通至锚杆底部，长度约为22cm左右。试验中可以将扩大头的颠倒过来，这样可以减缓由于变径引起的应力集中。

试验结束后发现扩大头附近的锚杆与砂浆接触不好，出现了“悬空”现象，使得部分锚杆不能发挥作用，如图29所示，为减少这种情况扩大头曲径变化平滑一些。

3 结论

本文通过对不同直径、不同成孔方式、是否带扩大头的BFRP锚杆进行拉拔试验，来探讨分析锚杆的第一界面和第二界面强度，得出以下结论：

①直径越大极限拉拔力越大。当锚杆较细时放置过程中容易出现偏心情况，且锚固体完整程度越差。

②相同直径下不带扩大头，极限拉拔力挤风1#>取3#>挤1#，但是三种者差距很小，说明在考虑第一界面破坏的情况下成孔方式对BFRP锚杆极限拉拔力对基本没有影响。

③对比挤密成孔和风钻成孔，第一界面强度带扩大头的锚杆要高于不带扩大头11～16%左右，风钻成孔下的第一界面强度无论锚杆是否带扩大头均大于挤密成孔。

④挤密成孔条件下，由于锚固长度只有1m，且孔壁较光滑，第一界面的强度是第二界面强度的2.5～3倍，建议工程中适当加大锚固长度，采用高压注浆来增大第二界面的强度。

⑤根据锚固体上的裂缝分布和破坏情况，从上至下依次将其分为拔出裂缝、应力集中裂缝和低强度裂缝。

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