玻璃纤维筋锚杆在基坑工程中的应用

2022-08-09王海成刘志平

岩土工程技术 2022年4期

王卫王海成刘志平

（中机三勘岩土工程有限公司，湖北武汉 430030）

0 引言

可持续发展理念在建筑业已深入人心，推进绿色发展已经成为建筑业的着力点。城市建设与地下空间的开发利用使得深基坑工程日益增多，基坑支护设计专业也得到了蓬勃地发展。作为一项临时性工程，基坑工程的可持续性技术和绿色施工必定会成为以后的发展方向。目前，一些绿色施工工艺如可回收锚杆技术[1]、装配式型钢支撑[2]、工法桩[3]等得到了快速发展。其中可回收锚杆可有效解决刚性支护结构不能出红线的问题，但该技术尚不成熟，存在回收困难和抗拉承载力不足的问题。因此一种新型锚杆杆体材料即玻璃纤维增强复合材料（GFRP）在基坑工程中应运而生。

本文主要介绍玻璃纤维筋的物理力学性能指标，并结合武汉某工程实例阐述玻璃纤维筋作为锚杆与支护桩结合在基坑中的应用。该支护方案充分考虑场地的岩土工程条件，经济合理，有效地保证了项目的顺利进行，可为类似工程提供参考。

1 概述

玻璃纤维增强复合材料（GFRP）是纤维增强复合材料中的一种。常见的纤维增强复合材料[1]（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）分为玻璃纤维增强复合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer，简称GFRP）、碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）以及芳纶纤维增强复合材料（Aramid Fiber Reinforced Polymer，简称AFRP）、玄武岩纤维增强复合材料（Basalt Fiber Reinforced Polymer，简称BFRP）[4]。

玻璃纤维增强复合材料在基坑工程中使用的形态基本有两种。一种是单根玻璃纤维筋，常用直径有22 mm、25 mm、28 mm、32 mm，与钢筋相似（见图1）；另一种是多股玻璃纤维筋复合而成的玻璃纤维平行锚索，常见的型号有7φ6.5等效直径19.5 mm和7φ7.2等效直径22.0 mm，与钢绞线相似（见图2）。玻璃纤维筋在性能上和钢筋、钢绞线基本相似，与混凝土有很好的黏结性。同时玻璃纤维增强复合材料具有抗腐蚀、抗拉强度高[5]、耐疲劳和耐久等优点[6]。其主要力学性能指标见表1。

图1 玻璃纤维单筋

图2 玻璃纤维平行锚索

玻璃纤维筋代替钢筋在基坑工程围护墙中的应用早有先例。京沈客专京冀段十三标地下连续墙工程的盾构接收站2#竖井采用地下连续墙围护结构，墙宽1.2 m，墙高69 m，局部采用玻璃纤维筋代替普通钢筋，有效解决了钢筋笼超重吊装的问题[7]。昆明地铁4#线菊华站在盾构始发站洞口处，用玻璃纤维筋代替普通钢筋，避免了穿越地下连续墙时需要进行的凿除洞门、切断钢筋等繁琐的预处理工作[8−9]。

2 工程概况

本工程位于武汉市硚口区，东临东方花城小区，南临古田路，西临古画路，北为老建筑民宅。项目包括1栋48层住宅楼、1栋42层住宅楼、2栋34层住宅楼、3栋21～24层还建房、1栋3层幼儿园、1栋物业管理用房、若干1～2层商业裙楼，设置满铺两层地下室。

本基坑开挖深度约8.7～10.2 m，基坑开挖面积约38000 m2，周长约800 m。基坑形状近似矩形，南北向跨度约246 m，东西向跨度约150 m。利用空间效应在四个阴角处采用排桩+钢筋混凝土角撑支护、没有角撑覆盖的地方均采用排桩+玻璃纤维锚杆支护。场地及周边环境见图3。

图3 基坑周边环境图

3 工程地质条件及水文地质条件

3.1 工程地质条件

本场地在勘探深度范围内的地层除表层分布有杂填土(Q4ml)外，其下主要为第四系全新统冲积成因的黏性土层和砂土层(Q4al)，其整体具有从上而下颗粒逐渐变粗的沉积韵律。各土层空间分布及主要特性见表2。

表2 土层参数一览表

3.2 水文地质条件

本场地地下水可分为二种类型：上层为主要赋存于杂填土层中的上层滞水，其水位、水量随季节变化，主要受大气降水、生活排放水渗透补给，上层滞水稳定水位埋深0.7～1.9 m，其标高为22.10～23.84 m；下层为赋存于下部砂土层中的承压水，与汉江有一定的水力联系，其水位变化受汉江水位变化影响，水量较丰富，上下层地下水之间因黏性土阻隔而无水力联系。勘察期间孔测得承压水水头埋藏深度为5.4 m，其对应承压水头标高为19.45 m，根据武汉市地区经验，武汉市承压水年变化幅度为3～4 m。典型工程地质剖面见剖面见图4。

图4 典型地层剖面示意图

4 基坑支护设计方案

4.1 支护方案总体设计思路

本基坑周边环境紧张，地下室轮廓线距离用地红线最近约3.0～4.0 m，南侧及西侧红线外是市政道路人行道，东侧红线外紧邻已建东方花城小区。无论是已建小区还是市政道路及管线，都不允许出现较大的沉降。严格控制基坑变形是本基坑支护设计的重点及难点。

本基坑东西方向跨度较大，约150 m。两个方向跨度差别较大，满布支撑方案虽能有效控制变形，但不适用于本基坑，且满布支撑方案支撑体量太大，对施工进度影响较大。用地红线距离较近，双排桩支护空间不够。综合考虑经济、安全因素，最终选用桩撑、桩锚联合支护。由于武汉地区限制刚性支护结构出红线，锚杆采用玻璃纤维筋(GFRP)为杆芯。基坑侧壁采用水泥土搅拌桩止水，坑内设置中深井进行疏干降水。（见图5）

图5 基坑支护平面布置图

4.2 基坑支护设计方案

排桩采用钻孔灌注桩，桩径900 mm，桩长16.0～18.0 m。桩撑支护段桩间距1.3 m，桩锚支护段桩间距1.5 m。桩顶放坡高度2.0 m，坡率1∶0.8，采用土钉挂网喷射混凝土护面。支撑布置在冠梁上，与冠梁同时浇筑。支撑主撑截面尺寸为750 mm×800 mm，连杆尺寸为550 mm×650 mm。锚杆布设两排，第一排设置在冠梁上，第二排设置在支护桩桩间，与第一排锚杆竖向间距2.5 m。采用成孔注浆黏结型锚杆，成孔直径200 mm，锚固体分两次注浆，设计强度M20。杆体采用直径20 mm的玻璃纤维筋，每根锚杆采用3根玻璃纤维筋进行绑扎。锚杆长度13.0～20.0 m。锚杆采用全长注浆，直接在端部浇筑钢筋混凝土围檩，不施加预应力，无需张拉锁定。经计算，锚杆拉力设计值为200～280 kN（见图6）。

图6 基坑桩锚支护剖面图（单位：mm）

5 锚杆连接及抗拔承载力检测

锚杆的抗拔力检测能否达到设计要求，决定了本基坑能否成功。玻璃纤维单筋之间的连接环节和玻璃纤维筋锚杆的端头检测环节是锚杆抗拔力检测的关键。玻璃纤维单筋由于不能盘圆，运输过程中有长度限制的问题，设计长度一般不宜超过17 m。若设计长度超过17 m，现场多用植筋胶进行连接，接头一般无法做到等强。此时建议用玻璃纤维锚索作杆芯材料。

由于玻璃纤维筋抗剪强度较低，尤其在应力集中处易发生由部分纤维丝断裂导致玻璃纤维筋整体断裂，所以采用一般的钢绞线夹片式锚具不能满足锚固要求。要实现对玻璃纤维锚杆的检测[5]，一般采用两种方法。

第一种是使用专用FRP锚具[10−14]。现有FRP筋锚具具有以下缺点：①锚具的可靠性差；②锚具的通用性差, FRP筋的种类很多,现有的FRP筋锚具不能很好的匹配GFRP筋；③锚具的制作工艺较复杂、造价也较高。

第二种是在玻璃纤维筋端部用专用连接器转换为钢绞线，对钢绞线进行张拉（见图7）。该种方法能将钢绞线控制在用地红线以内，可靠度高，通用性强。对于基坑这种对腐蚀性要求不高的临时性工程较适用。