膨脹土高邊坡FRP類錨桿支護對比研究★

劉 學 軍

(廣西建設職業技術學院，廣西 南寧 530007)

0 引言

CFRP是英文Carbon Fiber Reinforced Polymer的簡寫，中文是碳纖維增強聚合物；GFRP是英文Glass Fiber Reinforced Polymer的簡寫，中文是玻璃纖維增強聚合物，二者都是輕質高強復合材料,但在基坑或邊坡支護中，兩種材料做成的錨桿目前應用不多，主要原因在于工程人員對傳統的支護材料的性能和設計、施工工藝熟悉，另外，對FRP類材料錨桿替代鋼材錨桿的研究不多，經驗較缺乏。有必要對該類材料在支護工程中的應用多加試驗和對比研究，特別是膨脹土地區邊坡，各種支護形式在各方面的效果差別較大，對比研究有利于找到經濟、技術、安全更加合理的支護形式[1-3]。

1 試驗場地及方案

1.1 場地條件選擇

為了研究方便并使實驗具有一定的代表性，選擇本市郊外某開挖不久的膨脹土邊坡，坡體長度約30 m，高約5.5 m～6.0 m，坡度約76°。從中選擇一段長度為3.9 m，平均高度為5.7 m的土坡，該段膨脹土坡的土層分布及其物理力學性質如表1所示。

表1 場地土層分布及其物理力學性質

1.2 試驗方案制定

為了獲得具有可比性的研究結果，在上述所選的3.9 m長度范圍沿縱向布置兩個尺寸相同區域，一個區域為CFRP錨桿群，另一區域為GFRP錨桿群。兩區域中的錨桿按照矩形間距布置，錨桿水平間距為1.3 m，沿坡向間距1.6 m；錨桿直徑均為32 mm；砂漿中的水泥等級均為42.5 MPa。錨桿布置示意圖如圖1所示，錨桿長均為6 m，其中錨固段長度3.5 m，自由段長度2.5 m。

為描述方便，對圖1的錨桿進行研究時，以某編號表示某錨桿，例如，“C1”表示CFRP錨桿群中的1號錨桿，“G1”表示GFRP錨桿群中的1號錨桿，其余桿件的編號依此類推。在加載過程中，對錨固段中點應力和自由段中點應力進行記錄，兩次均在彈性階段，一次在破壞階段；在加載結束導致錨桿破壞時，記錄錨桿最終變形。采用分布式光纖和應力計測量錨桿的應力變化，采用液壓千斤頂及壓力表、測力計、位移計進行錨桿極限承載力試驗，循環加載、卸載、加載，直至錨桿達到極限承載力而破壞。

2 CFRP錨桿與GFRP錨桿試驗對比分析

2.1 錨桿彈性階段應力對比研究

在拉伸試驗過程中，當處于彈性變形階段時，為了能夠進行同條件對比，選擇各錨桿在彈性階段初期為5 mm時和彈性階段中期為10 mm時記錄整理得出相應的應力，見表2,表3。

表2 GFRP錨桿與CFRP錨桿應力對比(變形5 mm) MPa

表3 GFRP錨桿與CFRP錨桿應力對比(變形10 mm) MPa

如表2所示，在彈性階段的初期，錨固段中點應力，四根GFRP錨桿的平均應力比四根CFRP錨桿的平均應力稍大，前者平均值為18 MPa，后者平均值為17 MPa，相差很小；對于自由段中點應力而言有同樣結論。

如表3所示，在彈性階段的中期，錨固段中點應力，四根GFRP錨桿的平均應力與四根CFRP錨桿平均應力，前者平均值為54.75 MPa，后者平均值為39.25 MPa，前者是后者的1.39倍；對于自由段中點應力而言，前者平均值為128.25 MPa，后者平均值為95.5 MPa，前者平均值為后者平均值的1.34倍，GFRP錨桿應力與CFRP錨桿應力有較大差別。

2.2 錨桿極限位移對比研究

在拉伸試驗過程中，當處于破壞變形階段并且達到極限變形時，測得各錨桿的極限位移，見表4。

表4 GFRP錨桿與CFRP錨桿極限位移對比 mm

當各錨桿受拉經歷彈性階段、彈塑性階段和破壞階段，最后達到極限變形時，測得各錨桿的極限位移，從表4可以看出，各個GFRP錨桿極限位移平均值為84 mm，各個CFRP錨桿極限位移平均值為33 mm，前者與后者之比為2.55倍，差別顯著。

2.3 錨桿破壞階段極限應力對比研究

在拉伸試驗過程中，當處于破壞階段時，將各錨桿在極限變形時對應的受拉應力記錄整理得出表5所示結果。

表5 GFRP錨桿與CFRP錨桿極限應力對比 MPa

如表5所示，在破壞階段，與極限變形對應的錨固段中點應力，四根GFRP錨桿的平均應力為139 MPa，四根CFRP錨桿平均應力為95 MPa，前者是后者的1.46倍；對于自由段中點應力而言，前者平均值為266.25 MPa，后者平均值為186.75 MPa，前者平均值為后者平均值的1.43倍。破壞階段極限應力與承載力設計值有緊密關系，通過兩類錨桿破壞階段極限應力的比較，可以預知兩類錨桿承載力設計值的大小差別，即GFRP錨桿的承載力設計值與CFRP錨桿有較大差別。

3 結語

結合上述試驗結果及分析可知，在彈性階段的初期，GFRP錨桿與CFRP錨桿的應力差別很小，在彈性階段的中期，GFRP錨桿與CFRP錨桿的應力差別較大，如果按照保守概念來設計，只考慮在正常使用極限狀態，從力學效果而言GFRP錨桿優于CFRP錨桿；GFRP錨桿在破壞階段的極限位移比CFRP錨桿顯著增大，如果按照極限承載力概念來設計，考慮承載力極限狀態，從大變形預警效果而言GFRP錨桿優于CFRP錨桿；GFRP錨桿與CFRP錨桿的破壞階段極限應力差別較大，如果按照極限承載力概念來設計，考慮承載力極限狀態，從力學效果而言GFRP錨桿優于CFRP錨桿。另外，錨固段中點應力與自由段中點應力不同是因為錨固段與土體之間有砂漿粘結從而形成錨桿、砂漿、土體三者整體受力效應，錨桿錨固段中點分擔應力較小。