GFRP筋在深基坑邊坡支護中的應用

摘 要：土釘支護在我國基坑邊坡支護工程中已廣泛使用。但是，常用的土釘材料（如鋼筋、錨索等）有不易切斷、難以回收、對后續臨近工程的實施具有潛在影響等顯著缺點；而近年來邊坡支護中出現的自鉆式土釘等材料又具有價格昂貴、后期回收過程中對邊坡穩定性及基坑內工程造成干擾等不利影響。由樹脂和玻璃纖維復合組成的新型材料（GlassFiberReinforcedPolymer，以下簡稱GFRP）具有高強、耐久、輕質等優點。其中，玻璃纖維增強樹脂筋（GFRPbar）是鋼筋的新型優良的代用材料。采用GFRP筋制作新型GFRP節能環保土釘代替鋼筋，可以顯著減少鋼筋生產所帶來的能源消耗，也避免了生產鋼筋所產生的污染，符合建設節約型社會和節能減排的新能源政策。文章采用了鄭州市軌道交通某單項工程的工程實例，驗證了高邊坡土釘支護中采用玻璃纖維筋的經濟性和適用性。

關鍵詞：土釘支護 土釘材料 玻璃纖維筋 設計與應用

一、引言

隨著城市交通、市政等基礎設施建設步伐的加快，城市地下隧道等地下工程建設項目越來越多，多數建設項目周邊環境十分復雜，主要體現在建設項目周邊建（構）筑物密集、距離近等。在市區市政、交通工程的邊坡支護工程中，受施工場地的限制，多采用土釘支護。但目前國內常用的土釘材料，如鋼筋、錨索等，具有不易切斷、難以回收、對鄰近后期實施的工程存在影響等缺點。由樹脂和玻璃纖維復合組成的新型材料（GlassFiberReinforcedPolymer，簡稱GFRP）具有高強、耐久、輕質等優點，可作為普通鋼筋的有效替代產品，因此迅速成為近期學術研究的重點。

徐新生、宋時言[1]等人對玻璃纖維筋的力學性能進行了實驗研究，測試了玻璃纖維筋的抗拉強度、彈性模量及延伸率等主要力學性能指標，并對其實驗過程、實驗方法、破壞形態進行了詳細介紹，通過對實驗結果進行處理，提出了勇于構件設計的力學性能指標。另外，古傳耀[2]則通過實驗方式驗證了玻璃纖維筋的橫向抗剪力。

羅毅、鄭樂怡[3]等人從材料力學和鋼筋混凝土結構的設計理論出發，假設混凝土先受壓破壞，引入修正系數，得到了修正后的玻璃纖維鋼筋混凝土構件抗彎、抗剪設計理論，由此考察了玻璃纖維混凝土構件的脆性破壞機理和特征，最后通過一個玻璃纖維筋用于剪力墻結構的工程實例，初步驗證了修正后的設計理論的實用性、科學性和安全性。

王曉璜[4]則通過吸取近幾年在國內地鐵工程建設中玻璃纖維筋應用于端頭井及圍護樁的施工經驗，結合廣州市番禺區漢溪下穿隧道工程施工1標的特點，在明挖式隧道基坑支護樁中將規劃盾構范圍內以玻璃纖維筋代替普通鋼筋，實現盾構直接切割混凝土及筋材，為盾構預留了通道，避免了后期對支護樁的處理。

由以上研究可知，玻璃纖維筋作為一種新興材料，已經在理論上成熟，并在工程實踐上得到了成功的應用。但是，目前國內玻璃纖維筋的應用多局限于做為明挖基坑樁撐支護中鋼筋籠的替代材料，而對于其作為高邊坡支護工程中土釘材料的研究則相對較少，本文結合鄭州地鐵某基坑支護工程的實例對其加以研究及分析。

二、GFRP土釘支護設計及施工要點

（一）材料

1）GFRP土釘規格及外觀標準：

GFRP土釘表面質地應均勻，無氣泡、裂紋；

形狀為左旋或右旋螺紋，牙距應整齊；

GFRP土釘直徑宜采用25mm、28mm、30mm、32mm、36mm。

2）密度

密度為1.9g（€？.1g）/cm3。

3）力學性能

GFRP土釘的力學性能應符合下表的要求：

當GFRP土釘使用于高溫、腐蝕性等特殊環境時，其力學性能指標應進行試驗確定。

4）注漿材料宜采用水泥漿或水泥砂漿，強度等級不宜小于M15。

5）GFRP土釘與水泥漿或水泥砂漿粘結強度標準值應不低于1.5MPa。

（二）設計

1、一般要求

基坑支護結構應采用以分項系數表示極限狀態設計表達式進行設計。

基坑支護結構應按下列兩種極限狀態進行設計：

承載能力極限狀態：對應于支護結構達到最大承載能力或土體失穩、過大變形導致支護結構失效或基坑周邊環境破壞；正常使用極限狀態：對應于支護結構的變形或地下水作用已妨礙地下結構施工或影響基坑周邊環境的正常使用功能。

基坑支護結構設計應根據表2選用相應的側壁安全等級及重要性系數。

2、設計要點

1）土釘支護設計的計算在平直段可取單位支護長度并按平面應變問題進行分析；在轉角段可按空間問題進行三維數值分析。

2）土釘支護設計應考慮的荷載除土體自重外，還應包括地表荷載如車輛、材料堆放和起重運輸造成的荷載，以及附近地面建筑物基礎和地下構筑物所施加的荷載并按荷載的實際作用值作為標準值。當地表荷載小于20kN/m2時則按20kN/m2取值。此外，當施工或使用過程中有地下水時還應計入水壓對支護穩定性、土釘內力和噴混凝土面層的作用。

3）土釘錨固體與土體極限摩阻力參數宜以現場測試結果為依據。取值時應考慮地下水位和土體含水量變化的不利影響。

4）宜對土釘加固的復合土體參照重力式擋土墻進行承載能力、抗滑動、抗傾覆穩定性及基坑底抗隆起穩定性等驗算。

5）GFRP土釘的長度應通過穩定分析和抗拔力計算確定，一般可取開挖深度的1.0～2.0倍；GFRP土釘間距宜為1.2m～2.0m，局部軟弱土中可適當增加密度；GFRP土釘與水平面夾角宜為5€啊？0€埃鄙喜閫兩先砣跏保墑實痹齟笄憬牽庇鲇芯植空習鍤保市淼髡昕孜恢煤頭較頡？

6）應沿GFRP土釘全長設置居中支架，其間距1.5m～2.0m，土釘砂漿（或水泥漿）保護層不宜小于20mm。

7）第一層GFRP土釘覆土不應少于1000mm。

8）GFRP土釘鉆孔直徑宜為80mm～150mm。

9）噴射混凝土面層的厚度宜為80mm～150mm，混凝土強度等級不宜低于C20。

10）GFRP土釘必須采用配套螺母、鋼制托盤和混凝土面層有效連接，如圖1所示：

1—GFRP土釘2—鋼筋網片3—螺母4—墊塊5—鋼制托盤6—噴射混凝土面層

11）在基坑頂部宜設置寬度為1m～2m的噴射混凝土護面。

12）基坑坡頂和坡腳應設排水設施，坡面宜設置帶反濾層的泄水孔。

三、工程實例

（一）工程概況

鄭州市軌道交通1號線某區間出入段線位于正線延長線左右線隧道中間，采用明挖法施工，基坑放坡開挖；正線延長線隧道未實施，計劃采用盾構法施工，正線延長線下穿出入段線區間。正線延長線與出入段線區間的相互關系見圖2：

（二）工程地質與水文地質

本段區間隧道地層主要為富水砂層，根據鉆探、靜力觸探、標貫試驗結果，對場地巖土按巖性及力學特征進行分層，從上到下分別為：

第（1）層：雜填土，主要由粉土、磚塊、水泥塊等垃圾組成。

第（2）層：粉土，干強度低，韌性低。

第（3）層：粉土，含豆狀小姜石及蝸牛殼碎片，局部粘粒含量高。

第（4）層：粉土，含少量鐵質斑點，偶見豆狀小姜石及蝸牛殼碎片，砂感較強。

第（16）層：粉砂，顆粒成分由石英、長石、云母組成。

第（17）層：細砂，偶見蝸牛殼碎片、小姜石，顆粒級配不良，顆粒成分主要由石英、長石組成，含少量暗色礦物。

根據勘察資料，勘探深度范圍內對樁基礎、盾構隧道施工有影響的有兩層地下水，勘察期間上層潛水水位在地面下3.0m～4.0m左右，下層承壓水在地面下12.0m左右，具有微承壓性。抗浮設防水位為地面下1.5m。

（三）玻璃纖維筋土釘墻支護方案簡介

受場地條件限制，出入段線采用土釘墻支護，土釘與正線延長線隧道有沖突。為避免土釘支護對后期正線延長線盾構隧道有影響，設計采用玻璃纖維筋代替鋼筋作為土釘材料。土釘墻設計采用三級坡，坡度分別為1：0.6、1：0.8、1：1.0，土釘橫縱向間距均為1.5m，梅花形布置，與水平面夾角15€埃字本？20mm，網噴混凝土厚度80mm。土釘墻支護方案見圖3：

（四）施工監測及實施效果分析

由監測結果可知，土釘墻支護的環境監測、土釘應力值均滿足規范要求，玻璃纖維筋土釘墻支護的實施效果良好。工程實施后的監測結果如圖4、圖5所示：

四、結語

1）由工程實施經驗可知，玻璃纖維筋土釘支護基坑的穩定性較好，水平位移及土釘應力等均滿足相關規范，玻璃纖維筋作為土釘材料的實施效果良好。

2）玻璃纖維鋼筋的單位重量價格較高，但考慮到其密度只有約1.9g/cm3，僅為鋼材密度的約1/4，等面積替代后造價與鋼筋相當；另外，采用GFRP筋制作新型GFRP節能環保土釘代替鋼筋，可以顯著減少鋼筋生產所帶來的能源消耗，減少環境污染，如何國家節能減排的政策要求。

3）玻璃纖維筋的抗剪強度相對較低，易于處理，對后期工程的實施干擾不大，在有條件實施時建議進行推廣。

（楊捷1王小培單位：黃河勘測規劃設計有限公司；包宏濤單位：中鐵第五勘察設計院集團有限公司）

參考文獻：

[1]徐新生、宋時言等.FRP筋力學性能實驗研究.建筑結構學報（增刊）.全國第九屆混凝土結構基本理論及工程應用學術會議論文集，229～233

[1]古傳耀.玻璃纖維增強塑料筋的抗剪性能研究，科技咨詢導報，2007年，16期，57～58

[1]羅毅、鄭樂怡等.玻璃纖維筋混凝土構件的設計原理.華南理工大學學報，2004年10月，第32卷第10期，71～75