玻璃纤维筋（GFRP）在我国地下工程应用的研究进展

柯宅邦 ，高坤 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230032）

1 玻璃纤维增强复合材料筋简介

玻璃纤维増强复合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer，简称GFRP）是基于髙分子材料、金属或陶瓷等作为基体，与玻璃纤维材料结合，通过挤压成形工芝制作而成的功能各异的实也棒体或空也管体，外壁通常为光滑或螺纹类型[1]。GFRP材料具有轻质、髙强、抗疲劳、耐腐蚀性、可设计、易加工等诸多优点，可以合理代替钢材[2]。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》[3]中“重点研究开发满足国民经济基础产业发展需求的髙性能复合材料”列为优先主题之一，“材料服役寿命与环境的相互作用、性能演变、失效机制及寿命预巧原理”被确定为国家重大战略需求的基础研究之一。作为新型的绿色环保材料，GFRP筋代替钢筋，可节约工程造价、降低资源浪费并保护环境，符合国家发展战略，具有广阔应用前景。

2 研究应用现状

国内最早对纤维增强塑料（FRP）的研究是在90年代的中后期。1997年，我国开展碳纤维布补强加固钢筋混凝土构件的研究工作，之后，有许多高等院校和科研单位也进行了碳纤维的研究。在规范编制方面，中国工程建设标准化协会标准《碳纤维布加固修复混凝土结构技术规程》已完成。对FRP开展研究与应用的主要是CFRP和GFRP用于补强加固混凝土构件。随后，对CFRP和GFRP补强加固钢筋混凝土构件开展了一些研究工作，得到了一些成果：①外贴CFRP和GFRP布增强了钢筋混凝土梁，柱的抗弯和抗剪性能；②由于FRP布对混凝土的约束,使得混凝土构件的延性得以提高；③在循环荷载作用下，FRP包裹的柱延性明显提高；④提出了数值计算方法和实用计算方法[4-7]。

国内己经有部分院校在研究纤维筋增强混凝土结构，1995年，在水利部水利科技基金的资助下，同济大学的薛伟辰等在国内率先开展了GFRP筋混凝土结构的探索性研究，研制生产了国内首批GFRP螺纹筋和光圆筋，研究了GFRP筋在不同环境介质中的粘结锚固性能和GFRP筋混凝土梁的受力性能等。

近年来，逐步有研究学者将GFRP筋应用于地下工程中，本文从以下几种具体应用阐述GFRP筋在地下工程的应用进展。

3 玻璃纤维筋在地下工程应用进展

3.1 玻璃纤维筋作为土钉锚杆的研究进展

复合材料锚杆的出现，为岩土锚固增添了新的手段，特别是复合材料优异的耐腐蚀性和介电性，解决了困扰岩土锚固耐久性的难题。对GFRP锚杆的研究也从锚杆的破坏特征、粘结滑移、杆体应力传递、剪应力分布、锚固体应力及锚具研发等方面展开。

在我国FRP筋作为锚杆替代钢筋锚杆方面的研究较晚，目前已有以下研究：薛伟辰[8]首次在国内开展FRP锚杆的试验研究；高丹盈[9]利用18根拉拔试件得到了FRP筋与混凝土粘结性能的试验研究，探讨了FRP筋直径、锚固长度、混凝土强度、混凝土浇筑深度对界面粘结性能的影响，分析了FRP筋与混凝土之间的应力传递机理，提出了FRP筋锚固长度的计算公式；张向东[10]基于纤维硬塑复合材料的正交试验结果，研究了锚杆直径和固化时间对锚杆杆体强度的影响，详细分析了FRP锚杆杆体的损伤机理；高丹盈[11]提出了粘结-滑移的连续曲线本构模型，随后对FRP锚杆锚具的设计问题进行了研究[12]；基于BOTDR技术，黄志怀[13]对GFRP锚杆轴向应变进行分布式监测。

原位GFRP锚杆试验研究方面，黄志怀[14]系统分析了不同围岩条件下GFRP锚杆的承载特性，验证GFRP锚杆的可行性；彭衡和[15]通过GFRP锚杆加固某红砂岩边坡工程实例证明了GFRP锚杆应用于边坡加固工程的可行性；刘颖浩[16]通过全螺纹GFRP锚杆的拉拔试验，测试分析GFRP锚杆在锚固工程中与围岩的粘结性能，并提出抗拔承载力计算公式和各参数确定办法。

在锚具研究方面，詹界东[17]总结了国内外预应力FRP筋的锚具研究成果；吕国玉[18]设计研究了非金属锚具以避免金属锚具的腐蚀；吕志涛[19]介绍了FRP拉索斜拉桥的锚具为套筒粘结型锚具；孙志刚[20]研究了夹片式锚具和一种改进的粘结式锚具组装件的抗疲劳锚固性能；孙玉宁[21]设计一种端锚可回收的树脂锚杆应用于巷道加固；黄志怀[22]研制了长度80mm的螺纹耦合对开钢夹具；詹界东[23]提出一种预应力CFRP筋夹片-套筒型锚具；张夏辉[24]设计了一种新型的弹簧夹片式锚具；李季[25]设计了一种由锚头、螺栓和高纤维布组成的自锁式锚具。

数值模拟方面，朱海堂[26]利用递推计算和数值迭代方法实现GFRP锚杆的计算模拟；张钢琴[27]提出一种FRP锚杆锚固性能分析的数值计算方法；白金超[28]建立了FRP锚杆的精细化有限元模型；胡斌[29]采用有限差分软件FLAC3D并结合室内土工试验研究了FRP锚杆改良膨胀土的可行性和效果。

综上所述，国内学者近20年侧重于对GFRP筋混凝土构件方面的研究，对GFRP锚杆的可行性、承载特性、粘结特性、破坏机制、杆体应力分布、锚具设计及研发等方面进行了研究，取得了一系列的成果。

3.2 玻璃纤维筋在地下连续墙中研究与应用进展

玻璃纤维筋在我国地下连续墙的应用案例较少，如1999年香港西铁的地下连续墙中将GFRP筋应用于盾构洞圈范围内；2001年上海轨道4号线宜山路站将GFRP筋应用于地下连续墙，2002年上海复兴路隧道将GFRP筋应用于地下连续墙，两项工程中GFRP筋均仅放置于地下连续墙钢筋笼的最下部；2006年武汉长江隧道江南竖井的地下连续墙中，采用部分GFRP筋便于盾构切削地下连续墙推进；2017年南宁轨道交通1号线GFRP筋放置盾构洞门处和昆明轨道交通6号线菊花综合枢纽站GFRP筋用于超深地下连续墙围护结构等工程案例。

工程应用方面，朱继红[30]介绍了盾构始发直接切削地下连续墙推进所采用的GFRP筋和施工规范及检验标准，以及在地下连续墙钢筋笼加工、吊装过程中的主要施工技术方法。彭慧[31]通过有限元的理论计算与实测数据的对比分析了GFRP筋代替钢筋的地下墙钢筋笼，具有很强的实用价值；随后方卫[32]研究了GFRP筋在超长地下连续墙钢筋笼中的应用和笼体吊装施工。

有限元分析方面，朱大宇[33]采用PLAXIS3D软件对GFRP筋地下连续墙进行施工全过程的有限元分析和现场监测；葛以衡[34]对GFRP筋与钢筋连接方法、起吊方式和措施、GFRP筋笼起吊及施工过程的变形与内力等情况进行了研究；钱茹莹[35]对GFRP筋应用到盾构工作井围护结构进行经济性评价。

室内试验方面，朱大宇[36]通过GFRP筋地下连续墙混凝土板和钢筋混凝土板的对比受弯试验，分析了两者的受力-变形过程和破坏形态,对比了两者的挠度、开裂荷载、极限荷载以及混凝土应变。

总体来看，GFRP筋在地下连续墙中应用时主要应用于地下盾构施工洞门周围的围护结构，便于盾构切削，降低成本和施工工期；国内目前仅有少量的室内试验和有限元分析成果，但施工经验较为丰富。

3.3 璃纤维增强筋在桩基础中研究与应用

随着我国地下工程的发展，GFRP筋在地下盾构施工中逐步应用，主要应用于盾构洞门处围护桩的应用中，原因在于盾构机可以直接切削围护桩掘进，避免了事前切断钢筋与凿除洞门的工作，简化施工工艺，加快施工进度，降低成本。

在地铁基坑工程领域，主要有以下研究：宋旱云[37]以北京地铁15号线一期工程大屯路东站为工程背景，对玻璃纤维筋和钢筋搭接进行承载力试验；王占海[38]等根据能量法原理阐述GFRP筋与预应力钢绞线组合技术在减小基坑支护水平位移方面的可行性；赵升峰[39]等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。

在我国特殊土地区，也有GFRP筋研究应用的报道；杨果林[40]等进行了GFRP桩在泥炭质土中静压挤土效应试验研究。随后杨果林[41]又进行GFRP静压桩挤土效应模型试验研究，对表土隆起量和径向挤土压力进行分析。邓仑坤[42]进行了泥炭质土条件下GFRP管桩静载荷模型试验研究，对桩侧摩阻力和端阻力分布进行分析。

此外，在我国广泛分布的老黏土地区，郭杨[43]提出一种新型复合配筋（GFRP）预应力混凝土管桩，并进行了抗弯和抗剪试验的研究。研究表明，GFRP筋可有效提高普通管桩的抗弯和抗剪承载力。

4 玻璃纤维筋的研究展望

在过去的几十年的研究与应用表明，玻璃纤维筋作为一种可替代钢筋的新型筋材材料，在地下工程应用中是可行的，且逐步受到设计、施工和研究人员的青睐，但应用领域较为单一，使用量小。因此还需要从以下几个方面开展深入研究：①玻璃纤维筋预制桩的耐久性研究；②玻璃纤维筋预制桩的抗弯剪计算公式研究；③玻璃纤维筋盾构施工的围护结构大型试验研究和管片材料研发；④玻璃纤维筋与海砂混凝土的机理研究；⑤国家标准和图集的编制，以进一步扩大推广其应用。