玻璃纖維錨桿在隧道加固技術中的應用

趙曉峰 張長國

(中鐵二十三局集團第八工程有限公司，四川成都 610091)

1 概述

近年來我們大興土木，各類基礎交通設施蓬勃發展，由此帶來了大量的隧道工程，而當下普遍采用的隧道新奧法施工主要理念為錨噴支護，進一步帶來了數額巨大的錨桿需求市場，同時，由于我國幅員遼闊，各地區地質水文條件復雜、區域差異性大，這就對普通金屬錨桿的抗腐蝕性提出了很高的要求。目前在許多國家已經成熟使用的玻璃纖維錨桿在滿足力學性能要求的情況下，能很好地克服地下水腐蝕這一致命缺陷。

與傳統的金屬材料相比，玻璃纖維錨桿具有高比剛度、高比強度、耐腐蝕、耐疲勞、易成形等優點(見圖1)。玻璃纖維錨桿的成形工藝主要包括手糊工藝、模壓工藝和拉擠工藝，并依據增強體和基體的種類以及成形方法不同，其抗拉強度為300 MPa～2 000 MPa，能夠滿足錨桿在隧道工程中的力學要求，玻璃纖維錨桿的加強纖維一般為普通E-glass玻璃纖維，基體材料為不飽和聚酯樹脂或乙烯基樹脂。

圖1 玻璃纖維錨桿

2 玻璃纖維錨桿力學實驗

2.1 抗拉強度

參照ASTM相關試驗標準，將玻璃纖維錨桿桿體隨機截取60 cm長的試件，將錨桿兩端各25 cm用植筋膠粘結在與之匹配的鋼管內，鋼管內壁刻槽(槽深1.1 mm，寬3 mm，槽間距10 mm)使粘結強度大于桿體抗拉強度，在萬能試驗機上做破壞試驗，分級加載進行抗拉強度測定，每一級荷載持續1 min，試驗結果見表1。

由試驗結果可以看出，φ25/12中空錨桿和φ20實心錨桿的試驗抗拉強度均能達到500 MPa以上，和20MnSi鋼相當，試驗加載到極限荷載的70%左右后，錨桿開始出現咔咔響聲(錨桿外圈纖維開始斷裂)，之后響聲頻率逐漸變大，最后自由段縱向纖維斷裂后劈裂破壞。

2.2 彈性模量

圖2～圖4描述了φ20聚酯錨桿、φ20乙烯基錨桿和φ25/12乙烯基錨桿在拉伸過程中典型的應力—應變關系，可以看出:3種錨桿桿體在拉力荷載作用下，應力—應變特征一致，拉伸破壞前基本上處于彈性階段，沒有明顯的屈服階段，達到強度極限后，承載力很快喪失，屬于脆性破壞。

表1 錨桿抗拉試驗結果

圖2 φ20聚酯錨桿應力—應變曲線

2.3 抗剪強度

將錨桿桿體截成20 cm長的試件，將試件放入剪切專用夾具中，在萬能材料試驗機上以10 kN/min～29 kN/min的速度雙面剪切破壞，根據上述試驗結果可得:乙烯基樹脂錨桿和聚酯錨桿抗剪強度基本相同，空心錨桿抗剪強度低于實心錨桿。錨桿剪切破壞的過程中，其剪切力主要由樹脂承擔;實心桿體直接剪切破壞;空心桿體為先將中孔壓擠后剪切破壞。

試驗數據見表2。

圖3 φ20乙烯基錨桿應力—應變曲線

圖4 φ25/12乙烯基錨桿應力—應變曲線

表2 錨桿抗剪試驗結果

2.4 玻璃纖維錨桿與砂漿粘結強度

為減小砂漿試塊在拉拔試驗中的劈裂對粘結強度的影響，制作1.8 m×1.5 m×0.2 m砂漿塊，采用普通425號水泥，砂漿配比為 C∶S∶W=357∶1 472∶258，砂漿標號 M20。制作砂漿振搗的同時，將若干纖維錨桿(φ20 mm和φ25/12 mm)和HRB335螺紋鋼筋(φ20 mm)植入砂漿中，植入深度20 cm，測試砂漿28 d強度時錨桿的拉拔力。試驗采用錨桿拉拔計算，結果如表3所示。

表3 砂漿28 d強度時錨桿拉拔試驗結果

纖維錨桿和鋼筋在拉力荷載的作用下，首先克服桿體與砂漿之間的化學膠結力，其次再克服桿體與砂漿之間的摩擦力和機械咬合力，最后發生拉拔破壞。

由試驗結果可以看出:全螺紋纖維增強樹脂錨桿與砂漿的粘結強度基本與螺紋鋼筋相當，且能夠滿足錨桿規范中粘結強度標準值的要求。

3 玻璃纖維錨桿加固隧道數值模擬

3.1 錨桿加固圍巖的機理

錨桿桿體的彈性模量Eb遠高于巖體的彈性模量E，當錨桿隨巖體變形時，這種差異造成巖體等效變形模量的增加，可近似的表示為:

忽略巖體的泊松比的前后改變，則巖體的等效剪切模量可以近似的表示為:

隧道跨徑為5 m、埋深為30 m，圍巖級別為Ⅴ級圍巖，其物理力學參數為:變形模量 E=1.5 GPa、泊松比 γ =0.4、密度 ρ=1 850 kg/m3、粘聚力 C=0.1 MPa、摩擦角 φ =25°;玻璃纖維錨桿的物理參數為:彈性模量 E=40 GPa、泊松比 γ=0.35、密度 ρ=1 706 kg/m3、錨桿長度為3 m，采用φ25/12 mm的中空錨桿，錨桿的布置為1 m ×0.8 m。

玻璃纖維錨桿的長度為3 m，因此考慮3 m的加固圈，根據上述分析可得加固區的物理力學參數為:變形模量E=1.53 GPa，泊松比 γ =0.4，密度 ρ=1 850 kg/m3，粘聚力 C=0.171 MPa，摩擦角φ=25°，具體模型見圖5。

圖5 隧道及加固區圍巖單元

計算模型基于ANSYS有限元平臺，總共有2 543個單元，2 489個節點，模型左右寬90m，上下寬80m。邊界條件為左右邊水平方向約束，底邊垂直方向約束。然后加上重力場，采用彈塑性分析，屈服準則為D-P屈服準則。

3.2 計算結果分析

由圖6，圖7可見:玻璃纖維錨桿支護后，隧道塑性區明顯減小。

圖6 沒有加固區毛洞的塑性區

圖7 玻璃纖維錨桿加固后毛洞的塑性區

由圖8，圖9可見:玻璃纖維錨桿支護后，隧道的豎向位移明顯減小。

圖8 毛洞開挖后的圍巖豎向位移

圖9 玻璃纖維錨桿加固后的圍巖豎向位移

因此，采用玻璃纖維錨桿加固，能夠有效地控制圍巖變形和改善隧道受力情況。

4 結語

以上分析數據表明，全螺紋玻璃纖維錨桿是一種新型錨桿，它能克服金屬鋼錨桿易腐蝕的致命缺陷，是一種性能上的優化，只要解決好錨桿系統應用中的錨固、系統應力施加、灌漿飽滿等重要環節的問題，特別適用于特定條件下的地下支護工程，配合施工方法的改進，在煤礦、地鐵、隧道及其他地下工程支護中有著較大的應用前景。

同時，玻璃纖維錨桿的彈性模量約40 GPa，斷裂延伸率1% ～2%，且基本為脆性破壞，隧道工程中一般要求金屬系統錨桿的斷裂延伸率達到6%以上，這似乎限制了玻璃纖維錨桿在隧道系統錨桿支護中的應用，但國內外大量的隧道工程金屬系統錨桿監測數據表明，系統錨桿的最大受力僅達到設計強度的20%，即錨桿仍處于彈性階段，在彈性階段玻璃纖維錨桿的伸長量大于鋼錨桿(鋼筋彈性模量210 GPa)，說明其適應圍巖變形的能力更強。

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