碳纤维布在土木工程中的应用综述

（聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252000）

0 前言

目前关于CFRP 片材加固和修复技术的研究多集中于混凝土结构，而岩土抗滑桩结构的CFRP 应用还尚不多见，且参考文献资料较少。从研究方法上主要分为三种：（1）理论分析；（2）试验研究；（3）数值模拟，本文主要通过上述三种方法分别进行对岩土抗滑桩结构、混凝土结构及碳纤维布加固构件技术综合论述。此外，国内外对碳纤维布加固修复抗滑桩的粘贴方案及不同粘贴方案性能效果的研究较少，因此该论文有很大的改善空间。滑坡是在一定的地质条件下，周围岩土体的力学平衡破坏，在重力或动力的作用下，土体沿着某一软弱面、带向下滑动的现象。除洪水灾害和地震灾害，滑坡灾害是最为严重的地质灾害之一，滑坡发生后灾害现场，如图1所示。

近年来，在土木工程领域中关于碳纤维材料的研究受到里众多学者的关注，新型碳纤维加固修复技术有着其自身的优势：强度大、耐腐蚀、使用范围大、操作简单等优点，主要应用于结构物出现的裂缝及破损部位的修补和加固，已经在交通工程，水利工程和建筑基础工程中广发应用和推广。经调查研究与阅读文献发现，关于碳纤维布加固修复技术的研究主要集中于混凝土结构，而碳纤维布加固修复抗滑桩的应用历史较短，而且目前新型高效的加固技术理论体系尚不完善远远滞后于工程应用。

图1 灾害现场

1 碳纤维在土木工程中的应用研究现状

1.1 理论研究

碳纤维布抗滑桩是在普通抗滑桩基础上发展起来的新型支挡结构，因而其计算理论均源于传统的弹性地基梁理论，碳纤维布抗滑桩与普通抗滑桩最大的区别就是碳纤维布与抗滑桩利用相互之间的粘结特性，形成一个新的复合体，共同承担外界荷载，改变了碳纤维布与桩体的荷载分担比，大大提高了桩体的承载力。

申永江[1]团队提出双排抗滑桩滑坡推力的计算公式。其理论计算结果与实际工程中的监测结果相对比，证明该方法的正确性和适用性。完善了悬臂式双排桩的设计理论体系；王建锋[2]基于前人研究的基础上，提出更加先进的抗滑桩阻力的计算理论公式，并提出了抗滑阻力的上、下限计算方法，该方法可直接用于实际工程中的阻力计算；王士川团队提出抗滑桩弹塑性设计模式，通过分析弹塑性区的稳定性，推导出了抗滑桩在锚固段弹塑性区临界深度的计算公式。

微型桩作为一种新型的滑坡支挡结构，其边坡防治性能优于普通抗滑桩，正逐渐代替普通抗滑桩。为此，许多学者针对微型桩展开了一系列的研究。

鲜飞[3]在温克勒弹性地基理论的基础上建立了物理模型，并进行试验测试，依据测试数据计算内力，绘出内力图，分析微型桩在边坡加固中的作用机理、抗滑效果；吴文平[4]针对分析组合结构的微型桩破坏特性，提出更加简化的力学计算公式，并同时提出了两种以用来估算微型桩内力的方法；姬栋宇[5]分析桩体在土体等效集中荷载、桩侧土体摩擦力和土体自重应力外载作用的内力分布特征，推导出桩体剪力和弯矩的解析式。并依据桩体复合裂纹的分布特征，还得到了桩体结构的KI 和KII 应力强度因子解析式和裂纹张开位移COD 计算式。

1.2 试验研究

试验研究主要有两种形式：1）室内试验；2）室外试验。通过物理模型试验所得的结论比较有说服力而且也是解决实际问题的主要有效方式。其中，室内物理模型试验与室外现场试验相比较成本低、操作简易；室外现场试验所得的的结论更加贴近实际工程问题，但室外现场试验的开展所要考虑的因素多，比如：场地的选取、试验经费、试验所采用的器械、模型的制作、人员的安排、荷载的施加方式等因素。

我国对土木结构方面的碳纤维研究起步比较晚，在二十世纪九十年代才开始。目前的研究主要集中在碳纤维加固和修复钢筋混凝土桥、梁结构，且该技术已广泛应用，理论体系上愈加成熟，施工技术也越来越完善。

2007年，广西大学梁金福等人利用8 根矩形梁在不同的试验条件下，对试验梁的破坏形态、抗弯刚度、裂缝开展情况以及极限承载力进行了研究，提出了极限承载力计算公式；邢丽丽团队通过从FRP 加固形式、加固效果、影响因素及破坏机理等方面对混凝土梁的抗剪和抗弯性能两个方面进行了试验研究。并分别从抗剪、抗弯两个方面对FPR 加固混凝土梁的加固方式及加固效果进行了研究与对比。华东交通大学的李丽以初始损伤、加固长度等为主要研究因素，对碳纤维板加固已受损梁的受弯性能进行了研究分析，试验结果表明：加固后的损伤梁其承载力可以提高为20%～54%且嵌固长度对该试验有影响；同济大学的张伟平团队通过对粘贴碳纤维布加固后的梁进行受弯试验发现：纵向碳纤维布可补偿主筋面积锈损，横向U 型箍可抑制纵向碳纤维布的剥离；碳纤维布可以增强锈蚀梁的刚度和提高梁的整体性。

抗滑桩因其抗滑作用效果显著、实施安全简易等优势常应用于边坡加固中。因此，开展关于抗滑桩在土木工程中的研究探索，具有很大的社会价值。

陶志平等以具体实际工程案例为原型，建立试验模型，分别进行了三种室内模型试验，试验主要分析了坡体内部的压力和位移变化规律以及模型的受力情况。Nan Li 等进行了多次不同方案的振动台试验。试验结论表明，边坡中的微型桩能够有效提高抗震性，延缓地震滑坡灾害的发生，同时微桩加固后滑坡的坡面可以减小，特别是边坡脚趾。

1.3 数值模拟

数值模拟研究方法可以最大程度还原实际工况，相对于前两种研究方法，数值模拟更加有效率，更加节省成本。有限单元法和有限拆分法目前是解决岩土工程问题的主要数值模拟方法。

金爱兵等在论文中对悬臂式和埋入式两种类型的抗滑桩进行变形和受力分析，运用FLAC 有限差分软件对锚杆抗滑桩的受力进行数值模拟计算；申永江等建立双排抗滑桩有限元模型，采用有限元程序ANSYS 进行模态分析找出了最优的桩顶连接方式；俞文虎，袁海江借助plaxis 3D 建立有限元模型，分析了复杂边坡不同桩间距抗滑桩支护效果。计算结果表明：抗滑桩周边土体位移最大，桩间位移较小，说明桩间位移拱效应发生作用，防止了桩间土体发生较大的变形。

2 碳纤维加固构件的概述

2.1 碳纤维作用机理

通过利用环氧树脂将碳纤维复合材料粘贴在需要加固修复的结构表面上，混凝土具有良好的渗透性，碳纤维复合材料与结构将形成一个新的复合体结构，碳纤维布与结构的结合从而改善了两者之间的荷载分担比，碳纤维布先受力，并且碳纤维材料受到的力远远超过结构，通过改变结构所承受的荷载比值，从而提高混凝土结构的极限承载力。

2.2 碳纤维加固构件施工工艺

2.3 纤维加固构件构造要求

（1）构件拐角处外表面碳纤维布的曲率半径最小不低于20mm。

（2）当采用多条或多层碳纤维布粘贴时，碳纤维布的搭接长度应相互错开；且沿受力方向的搭接长度最小不低于100mm。

（3）为保证碳纤维布与混凝土更高效率的工作，必要时应采取附加加固措施，例如：锚杆锚索加固措施。

3 总结与展望

碳纤维加固混凝土结构作为一种新型的加固应用技术，在已经在交通工程，水利工程和建筑基础工程中广发应用和推广，并取得了良好的加固效果。但碳纤维材料不具备防火性能，一旦遇到突发火灾情况，胶体会受热融化发生结构破坏，碳纤维布脱离结构表面，复合体离散失去承载效果。因此，关于碳纤维材料防火性能的研究，也是下一步的研究工作重点。随着地质灾害防治理论和社会实践的发展，这样一种新型加固方式也将继续得到广泛推广使用，同时也将必对我国的社会主义现代化建设事业产生积极的作用。