BFRP 锚杆研究现状探讨

谭思蓉

（广西民族大学建筑工程学院；武汉理工大学土木工程与建筑学院）

0 引言

岩土工程中地质构造的复杂性和工程受力的不确定性，易造成岩土体的裂缝、破碎和崩塌，进而影响工程质量，因此对碎裂岩土体的加固支护成为工程事故防治的重点。有效的加固方法包括锚固支护，即通过在地层中埋设锚杆或锚索（后统称锚杆）紧密连接围岩与稳定岩体，形成整体结构并承载受力变形，最终增强被加固岩土体的强度并使其变形处于可控的安全范围之内。目前锚固工程中一般采用抗拉强度较高的钢材作为材料，而钢材在工程应用时容易腐蚀，严重威胁构件的安全性和耐久性。为改善锚固工程的耐久性，可考虑采用纤维（如玄武岩纤维、玻璃纤维、碳纤维及芳纶纤维等）和基底材料粘聚而成的纤维增强聚合物（Fiber Reinforced Polymer, FRP）代替钢材。其中玄武岩纤维增强聚合物（Basalt-FRP，BFRP）中的玄武岩纤维资源丰富，成本较低，产品寿命长，在生产过程中不会产生有害物质，是一种性价比高的绿色材料[1]。BFRP 筋具备高抗拉强度、高抗剪强度和耐酸碱性，适用于易受腐蚀环境影响的受拉构件，如抗浮锚杆、海洋工程等[2]。有研究表明在不考虑锚杆配件、运输、施工等情况下，BFRP 锚杆的性价比随BFRP 强度或钢筋锚杆价格的提高而提高，且其经济效益将随工业技术的不断发展更加显著[3]。综上可知BFRP锚杆具备适用于锚固工程的力学条件和经济条件，可在工程领域中推广应用。本文对BFRP 锚杆的力学性能试验和工程应用分别进行研究现状综述，并对其未来发展趋势进行探讨研究，以期推动BFRP 锚杆技术的发展。

1 BFRP 锚杆性能研究进展

国内外对BFRP 锚杆的研究已有相当规模，许多学者根据BFRP 锚杆的工程应用情况对BFRP 锚杆的各项力学性能开展研究。针对BFRP 锚杆锚固过程中易折断、易咬伤等问题，武晓雷等[4]对解决上述问题的粘结式锚索进行研究，通过对BFRP 锚索进行静载拉伸试验分析了环氧树脂胶粘结介质、锚固形式和索体束数对锚索力学性能与破坏形式的影响。研究结果表明：BFRP 粘结式锚索锚固端锚固效果的主要影响因素为环氧树脂粘结介质的抗压强度与弹性模量；锚杆进行削细缩径处理后无法改善剪滞效应，并会降低锚索的极限承载力；在发生炸断破坏的情况下，BFRP 粘结式锚索的极限承载力经过组合后发生效率折减。考虑到工程实践中不同工程地质条件与支护方式下锚杆处于不同拉力和剪切的联合作用，张书博等[5]研究了BFRP 锚杆的锚固节理，以研究粗糙度、锚固倾角和法向强度等因素对锚杆的剪切强度-位移曲线、抗剪强度、锚杆失效特征和锚杆内力变化等特征的影响。实验结果反映了BFRP 锚杆受剪切力的失效破坏过程和模式，以及锚杆的锚固节理面抗剪强度受锚固倾斜角度影响的程度，为实际工程根据地质选择支护锚杆材料提供依据。

由于实际工程中环境的复杂性，将BFRP 锚杆置于真实岩土层中进行力学性能试验易反映在实际工程中的应用情况。针对BFRP 锚杆和传统钢筋锚杆的材料力学属性不同进而影响受力锚杆的力学传递效率、杆体及多界面黏结破坏特征的情况，王洋[6]建立了拉拔荷载下土层BFRP 锚杆的锚固界面受力传递的控制方程，提出可描述弹性、塑性以及黏结滑移破坏的本构模型，并依托现场拉拔试验研究不同直径和锚固长度的BFRP 锚杆的力学性能（包括加载端荷载位移曲线、杆体轴力分布和剪应力分布状态），为BFRP 锚杆的实际应用提供了数据基础。由于传统的拉拔试验无法测量BFRP 锚固系统第二界面的剪应力分布的情况，王宝祥[7]针对这一问题采用埋置土压力计法收集BFRP 锚固系统拉力试验的数据，发现该方法有效且并比理论计算结果更符合工程的实际情况。

因岩土体易受地震作用发生崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，所以亟需研究地震状态下BFRP 锚杆的施工措施及稳定性评价研究。李慈航等[8]采用云南省昭通市鲁甸县的地震波形作用于BFRP 锚索框架加固边坡振动台模型，定量地分析边坡坡面的动力响应；王秋懿等[9]以功东高速响水河边坡为原型设计振动台试验，研究BFRP 锚杆锚固边坡在不同峰值加速度地震波作用下的实验现象；赖天文等[10]通过大型振动台试验研究BFRP锚索加固高边坡在地震作用下的动力响应。上述研究结果均表明BFRP 锚固系统可有效提高边坡的整体稳定性，减小震动产生的损害，具有良好的抗震性能。

数值模拟因其成本低、效率高且便于重复等优点，已经成为研究BFRP 锚杆锚固支护效果的重要手段之一。俞晨晖[11]通过建立BFRP 锚杆锚固公路边坡的模型，计算和对比腐蚀作用下边坡锚固工程中BFRP 锚杆和钢锚杆的应力数值的变化情况。结果表明BFRP 锚杆的腐蚀速率随时间增长逐渐降低，和钢锚杆相反，因此得出结论：BFRP 锚杆可以替换钢锚杆作为边坡的永久型支护构件。Zheqi Peng 等[12]通过等效轴对称的方法将FRP锚杆的锚固端简化为同心圆模型并建立3D 有限元模型，基于此模型并输出1600 个样本以训练反向传播神经网络，并建立了一个FRP 锚杆锚固系统的可靠性评估框架。结果表明影响因素根据灵敏性排序为纵向抗拉强度＞加载端部荷载传递组件的厚度≈加载端部荷载传递组件的弹性模量＞层间剪切强度＞其他。

2 BFRP 锚杆工程应用研究现状

已有大量文献探究BFRP 锚杆的力学性能，表示其适用于锚固工程，但也需充分的试验数据反映其在实际工程中的应用情况。高先建等[13]研究了非预应力BFRP锚杆的力学性能（拉伸性能、与水泥砂浆的黏结性能、耐腐蚀性、剪切性能）和探究BFRP 锚杆用于支护设计参数的计算和取值（边坡加固力、安全系数、抗拉强度标准值、锚杆长度），并将研究结果应用在某土质边坡锚固的设计、施工和监测，表明可采用等强度替代钢筋的方法将BFRP 锚杆应用于边坡支护。赵明等[14]探究了BFRP 锚杆在边坡支护工程中的施工工艺（包括BFRP 锚杆的制作、锚杆锚具粘结和锚杆施工应用），发现通过BFRP 锚杆锚固的边坡整洁稳定并在后续基坑工程施工期间能保持整体稳定，表明BFRP 锚杆适用于边坡支护工程。地质工况的复杂性和多样性对BFRP 锚杆的力学性能提出更高的要求。李秀智等[15]就BFRP 锚杆锚固类似贵州省地区土质边坡地质开展应用探究，分别进行工程设计（包括计算BFRP 锚杆的锚固力、锚杆间距和安设角度、锚杆体直径和锚杆长度并设计混凝土喷射方式）和施工应用（包括探究BFRP 锚杆的施工流程、监测锚固效果），发现BFRP 锚杆能够有效替代钢锚杆应用于土质边坡中，提高工程稳定性并有效降低工程成本。

已有大量文献验证BFRP 锚杆在锚固工程的适用性，但由于工程使用周期较长，需要工程监测从安全性、经济效益、社会效益等方面验证BFRP 锚杆的长期有效性和可靠性。王安福等[16]基于现行《公路路基设计规范》将BFRP 锚杆应用于汕揭高速公路路段部分岩土体边坡，测试BFRP 筋材与砂浆粘结强度并用于设计支护设计方法和参数取值，通过长期监测结果证明BFRP 锚杆在公路岩质边坡支护是可行且具备经济效益，可按照等强度原则通过BFRP 锚杆代替传统锚杆(锚索)进行边坡支护设计。黄代茂等[17]结合数值分析和实际工程监测，研究BFRP 锚杆加固东环高速公路岩质边坡工程，提出BFRP 锚杆岩质边坡加固设计方法、制作和施工工艺和加固边坡的变形监测方法。结果表明BFRP 锚杆和等拉拔力的钢材相比具备着轻质高强、耐腐蚀及和注浆体粘结紧密的优点，且BFRP 锚杆具备经济方便的优点，宜在边坡加固工程中推广使用。

3 结语与展望

BFRP 锚杆可以有效提升锚固岩土系的稳定性和整体性，具备经济性和适用性，是一种值得在工程领域推广的优良材料。但在应用中存在以下问题：

⑴由于工程使用周期较长，目前大多数研究还没有特别注意锚杆的防腐问题。

⑵若锚杆已达到使用极限，应考虑回收或处理。但BFRP 锚杆作为复合材料，难以进行材料分类，回收成本高且回收利用率低。若将其作为垃圾直接处理，自然降解的周期较长甚至可达数十年，掩埋和焚烧的处理方式会污染环境[18]。因此建议对BFRP 锚杆在服役期间的耐久性以及后期的回收和再利用进行研究，同时在国内外已有成果的基础上，大力推进BFRP 锚杆在理论研究和工程应用方面的发展和创新，促进扩大和发展BFRP 锚杆的应用范围和适用领域。