碳纖維布在土木工程中的應用綜述

（聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252000）

0 前言

目前關于CFRP 片材加固和修復技術的研究多集中于混凝土結構，而巖土抗滑樁結構的CFRP 應用還尚不多見，且參考文獻資料較少。從研究方法上主要分為三種：（1）理論分析；（2）試驗研究；（3）數值模擬，本文主要通過上述三種方法分別進行對巖土抗滑樁結構、混凝土結構及碳纖維布加固構件技術綜合論述。此外，國內外對碳纖維布加固修復抗滑樁的粘貼方案及不同粘貼方案性能效果的研究較少，因此該論文有很大的改善空間。滑坡是在一定的地質條件下，周圍巖土體的力學平衡破壞，在重力或動力的作用下，土體沿著某一軟弱面、帶向下滑動的現象。除洪水災害和地震災害，滑坡災害是最為嚴重的地質災害之一，滑坡發生后災害現場，如圖1所示。

近年來，在土木工程領域中關于碳纖維材料的研究受到里眾多學者的關注，新型碳纖維加固修復技術有著其自身的優勢：強度大、耐腐蝕、使用范圍大、操作簡單等優點，主要應用于結構物出現的裂縫及破損部位的修補和加固，已經在交通工程，水利工程和建筑基礎工程中廣發應用和推廣。經調查研究與閱讀文獻發現，關于碳纖維布加固修復技術的研究主要集中于混凝土結構，而碳纖維布加固修復抗滑樁的應用歷史較短，而且目前新型高效的加固技術理論體系尚不完善遠遠滯后于工程應用。

圖1 災害現場

1 碳纖維在土木工程中的應用研究現狀

1.1 理論研究

碳纖維布抗滑樁是在普通抗滑樁基礎上發展起來的新型支擋結構，因而其計算理論均源于傳統的彈性地基梁理論，碳纖維布抗滑樁與普通抗滑樁最大的區別就是碳纖維布與抗滑樁利用相互之間的粘結特性，形成一個新的復合體，共同承擔外界荷載，改變了碳纖維布與樁體的荷載分擔比，大大提高了樁體的承載力。

申永江[1]團隊提出雙排抗滑樁滑坡推力的計算公式。其理論計算結果與實際工程中的監測結果相對比，證明該方法的正確性和適用性。完善了懸臂式雙排樁的設計理論體系；王建鋒[2]基于前人研究的基礎上，提出更加先進的抗滑樁阻力的計算理論公式，并提出了抗滑阻力的上、下限計算方法，該方法可直接用于實際工程中的阻力計算；王士川團隊提出抗滑樁彈塑性設計模式，通過分析彈塑性區的穩定性，推導出了抗滑樁在錨固段彈塑性區臨界深度的計算公式。

微型樁作為一種新型的滑坡支擋結構，其邊坡防治性能優于普通抗滑樁，正逐漸代替普通抗滑樁。為此，許多學者針對微型樁展開了一系列的研究。

鮮飛[3]在溫克勒彈性地基理論的基礎上建立了物理模型，并進行試驗測試，依據測試數據計算內力，繪出內力圖，分析微型樁在邊坡加固中的作用機理、抗滑效果；吳文平[4]針對分析組合結構的微型樁破壞特性，提出更加簡化的力學計算公式，并同時提出了兩種以用來估算微型樁內力的方法；姬棟宇[5]分析樁體在土體等效集中荷載、樁側土體摩擦力和土體自重應力外載作用的內力分布特征，推導出樁體剪力和彎矩的解析式。并依據樁體復合裂紋的分布特征，還得到了樁體結構的KI 和KII 應力強度因子解析式和裂紋張開位移COD 計算式。

1.2 試驗研究

試驗研究主要有兩種形式：1）室內試驗；2）室外試驗。通過物理模型試驗所得的結論比較有說服力而且也是解決實際問題的主要有效方式。其中，室內物理模型試驗與室外現場試驗相比較成本低、操作簡易；室外現場試驗所得的的結論更加貼近實際工程問題，但室外現場試驗的開展所要考慮的因素多，比如：場地的選取、試驗經費、試驗所采用的器械、模型的制作、人員的安排、荷載的施加方式等因素。

我國對土木結構方面的碳纖維研究起步比較晚，在二十世紀九十年代才開始。目前的研究主要集中在碳纖維加固和修復鋼筋混凝土橋、梁結構，且該技術已廣泛應用，理論體系上愈加成熟，施工技術也越來越完善。

2007年，廣西大學梁金福等人利用8 根矩形梁在不同的試驗條件下，對試驗梁的破壞形態、抗彎剛度、裂縫開展情況以及極限承載力進行了研究，提出了極限承載力計算公式；邢麗麗團隊通過從FRP 加固形式、加固效果、影響因素及破壞機理等方面對混凝土梁的抗剪和抗彎性能兩個方面進行了試驗研究。并分別從抗剪、抗彎兩個方面對FPR 加固混凝土梁的加固方式及加固效果進行了研究與對比。華東交通大學的李麗以初始損傷、加固長度等為主要研究因素，對碳纖維板加固已受損梁的受彎性能進行了研究分析，試驗結果表明：加固后的損傷梁其承載力可以提高為20%～54%且嵌固長度對該試驗有影響；同濟大學的張偉平團隊通過對粘貼碳纖維布加固后的梁進行受彎試驗發現：縱向碳纖維布可補償主筋面積銹損，橫向U 型箍可抑制縱向碳纖維布的剝離；碳纖維布可以增強銹蝕梁的剛度和提高梁的整體性。

抗滑樁因其抗滑作用效果顯著、實施安全簡易等優勢常應用于邊坡加固中。因此，開展關于抗滑樁在土木工程中的研究探索，具有很大的社會價值。

陶志平等以具體實際工程案例為原型，建立試驗模型，分別進行了三種室內模型試驗，試驗主要分析了坡體內部的壓力和位移變化規律以及模型的受力情況。Nan Li 等進行了多次不同方案的振動臺試驗。試驗結論表明，邊坡中的微型樁能夠有效提高抗震性，延緩地震滑坡災害的發生，同時微樁加固后滑坡的坡面可以減小，特別是邊坡腳趾。

1.3 數值模擬

數值模擬研究方法可以最大程度還原實際工況，相對于前兩種研究方法，數值模擬更加有效率，更加節省成本。有限單元法和有限拆分法目前是解決巖土工程問題的主要數值模擬方法。

金愛兵等在論文中對懸臂式和埋入式兩種類型的抗滑樁進行變形和受力分析，運用FLAC 有限差分軟件對錨桿抗滑樁的受力進行數值模擬計算；申永江等建立雙排抗滑樁有限元模型，采用有限元程序ANSYS 進行模態分析找出了最優的樁頂連接方式；俞文虎，袁海江借助plaxis 3D 建立有限元模型，分析了復雜邊坡不同樁間距抗滑樁支護效果。計算結果表明：抗滑樁周邊土體位移最大，樁間位移較小，說明樁間位移拱效應發生作用，防止了樁間土體發生較大的變形。

2 碳纖維加固構件的概述

2.1 碳纖維作用機理

通過利用環氧樹脂將碳纖維復合材料粘貼在需要加固修復的結構表面上，混凝土具有良好的滲透性，碳纖維復合材料與結構將形成一個新的復合體結構，碳纖維布與結構的結合從而改善了兩者之間的荷載分擔比，碳纖維布先受力，并且碳纖維材料受到的力遠遠超過結構，通過改變結構所承受的荷載比值，從而提高混凝土結構的極限承載力。

2.2 碳纖維加固構件施工工藝

2.3 纖維加固構件構造要求

（1）構件拐角處外表面碳纖維布的曲率半徑最小不低于20mm。

（2）當采用多條或多層碳纖維布粘貼時，碳纖維布的搭接長度應相互錯開；且沿受力方向的搭接長度最小不低于100mm。

（3）為保證碳纖維布與混凝土更高效率的工作，必要時應采取附加加固措施，例如：錨桿錨索加固措施。

3 總結與展望

碳纖維加固混凝土結構作為一種新型的加固應用技術，在已經在交通工程，水利工程和建筑基礎工程中廣發應用和推廣，并取得了良好的加固效果。但碳纖維材料不具備防火性能，一旦遇到突發火災情況，膠體會受熱融化發生結構破壞，碳纖維布脫離結構表面，復合體離散失去承載效果。因此，關于碳纖維材料防火性能的研究，也是下一步的研究工作重點。隨著地質災害防治理論和社會實踐的發展，這樣一種新型加固方式也將繼續得到廣泛推廣使用，同時也將必對我國的社會主義現代化建設事業產生積極的作用。