BFRP 錨桿研究現狀探討

譚思蓉

（廣西民族大學建筑工程學院；武漢理工大學土木工程與建筑學院）

0 引言

巖土工程中地質構造的復雜性和工程受力的不確定性，易造成巖土體的裂縫、破碎和崩塌，進而影響工程質量，因此對碎裂巖土體的加固支護成為工程事故防治的重點。有效的加固方法包括錨固支護，即通過在地層中埋設錨桿或錨索（后統稱錨桿）緊密連接圍巖與穩定巖體，形成整體結構并承載受力變形，最終增強被加固巖土體的強度并使其變形處于可控的安全范圍之內。目前錨固工程中一般采用抗拉強度較高的鋼材作為材料，而鋼材在工程應用時容易腐蝕，嚴重威脅構件的安全性和耐久性。為改善錨固工程的耐久性，可考慮采用纖維（如玄武巖纖維、玻璃纖維、碳纖維及芳綸纖維等）和基底材料粘聚而成的纖維增強聚合物（Fiber Reinforced Polymer, FRP）代替鋼材。其中玄武巖纖維增強聚合物（Basalt-FRP，BFRP）中的玄武巖纖維資源豐富，成本較低，產品壽命長，在生產過程中不會產生有害物質，是一種性價比高的綠色材料[1]。BFRP 筋具備高抗拉強度、高抗剪強度和耐酸堿性，適用于易受腐蝕環境影響的受拉構件，如抗浮錨桿、海洋工程等[2]。有研究表明在不考慮錨桿配件、運輸、施工等情況下，BFRP 錨桿的性價比隨BFRP 強度或鋼筋錨桿價格的提高而提高，且其經濟效益將隨工業技術的不斷發展更加顯著[3]。綜上可知BFRP錨桿具備適用于錨固工程的力學條件和經濟條件，可在工程領域中推廣應用。本文對BFRP 錨桿的力學性能試驗和工程應用分別進行研究現狀綜述，并對其未來發展趨勢進行探討研究，以期推動BFRP 錨桿技術的發展。

1 BFRP 錨桿性能研究進展

國內外對BFRP 錨桿的研究已有相當規模，許多學者根據BFRP 錨桿的工程應用情況對BFRP 錨桿的各項力學性能開展研究。針對BFRP 錨桿錨固過程中易折斷、易咬傷等問題，武曉雷等[4]對解決上述問題的粘結式錨索進行研究，通過對BFRP 錨索進行靜載拉伸試驗分析了環氧樹脂膠粘結介質、錨固形式和索體束數對錨索力學性能與破壞形式的影響。研究結果表明：BFRP 粘結式錨索錨固端錨固效果的主要影響因素為環氧樹脂粘結介質的抗壓強度與彈性模量；錨桿進行削細縮徑處理后無法改善剪滯效應，并會降低錨索的極限承載力；在發生炸斷破壞的情況下，BFRP 粘結式錨索的極限承載力經過組合后發生效率折減。考慮到工程實踐中不同工程地質條件與支護方式下錨桿處于不同拉力和剪切的聯合作用，張書博等[5]研究了BFRP 錨桿的錨固節理，以研究粗糙度、錨固傾角和法向強度等因素對錨桿的剪切強度-位移曲線、抗剪強度、錨桿失效特征和錨桿內力變化等特征的影響。實驗結果反映了BFRP 錨桿受剪切力的失效破壞過程和模式，以及錨桿的錨固節理面抗剪強度受錨固傾斜角度影響的程度，為實際工程根據地質選擇支護錨桿材料提供依據。

由于實際工程中環境的復雜性，將BFRP 錨桿置于真實巖土層中進行力學性能試驗易反映在實際工程中的應用情況。針對BFRP 錨桿和傳統鋼筋錨桿的材料力學屬性不同進而影響受力錨桿的力學傳遞效率、桿體及多界面黏結破壞特征的情況，王洋[6]建立了拉拔荷載下土層BFRP 錨桿的錨固界面受力傳遞的控制方程，提出可描述彈性、塑性以及黏結滑移破壞的本構模型，并依托現場拉拔試驗研究不同直徑和錨固長度的BFRP 錨桿的力學性能（包括加載端荷載位移曲線、桿體軸力分布和剪應力分布狀態），為BFRP 錨桿的實際應用提供了數據基礎。由于傳統的拉拔試驗無法測量BFRP 錨固系統第二界面的剪應力分布的情況，王寶祥[7]針對這一問題采用埋置土壓力計法收集BFRP 錨固系統拉力試驗的數據，發現該方法有效且并比理論計算結果更符合工程的實際情況。

因巖土體易受地震作用發生崩塌、滑坡、泥石流等地質災害，所以亟需研究地震狀態下BFRP 錨桿的施工措施及穩定性評價研究。李慈航等[8]采用云南省昭通市魯甸縣的地震波形作用于BFRP 錨索框架加固邊坡振動臺模型，定量地分析邊坡坡面的動力響應；王秋懿等[9]以功東高速響水河邊坡為原型設計振動臺試驗，研究BFRP 錨桿錨固邊坡在不同峰值加速度地震波作用下的實驗現象；賴天文等[10]通過大型振動臺試驗研究BFRP錨索加固高邊坡在地震作用下的動力響應。上述研究結果均表明BFRP 錨固系統可有效提高邊坡的整體穩定性，減小震動產生的損害，具有良好的抗震性能。

數值模擬因其成本低、效率高且便于重復等優點，已經成為研究BFRP 錨桿錨固支護效果的重要手段之一。俞晨暉[11]通過建立BFRP 錨桿錨固公路邊坡的模型，計算和對比腐蝕作用下邊坡錨固工程中BFRP 錨桿和鋼錨桿的應力數值的變化情況。結果表明BFRP 錨桿的腐蝕速率隨時間增長逐漸降低，和鋼錨桿相反，因此得出結論：BFRP 錨桿可以替換鋼錨桿作為邊坡的永久型支護構件。Zheqi Peng 等[12]通過等效軸對稱的方法將FRP錨桿的錨固端簡化為同心圓模型并建立3D 有限元模型，基于此模型并輸出1600 個樣本以訓練反向傳播神經網絡，并建立了一個FRP 錨桿錨固系統的可靠性評估框架。結果表明影響因素根據靈敏性排序為縱向抗拉強度＞加載端部荷載傳遞組件的厚度≈加載端部荷載傳遞組件的彈性模量＞層間剪切強度＞其他。

2 BFRP 錨桿工程應用研究現狀

已有大量文獻探究BFRP 錨桿的力學性能，表示其適用于錨固工程，但也需充分的試驗數據反映其在實際工程中的應用情況。高先建等[13]研究了非預應力BFRP錨桿的力學性能（拉伸性能、與水泥砂漿的黏結性能、耐腐蝕性、剪切性能）和探究BFRP 錨桿用于支護設計參數的計算和取值（邊坡加固力、安全系數、抗拉強度標準值、錨桿長度），并將研究結果應用在某土質邊坡錨固的設計、施工和監測，表明可采用等強度替代鋼筋的方法將BFRP 錨桿應用于邊坡支護。趙明等[14]探究了BFRP 錨桿在邊坡支護工程中的施工工藝（包括BFRP 錨桿的制作、錨桿錨具粘結和錨桿施工應用），發現通過BFRP 錨桿錨固的邊坡整潔穩定并在后續基坑工程施工期間能保持整體穩定，表明BFRP 錨桿適用于邊坡支護工程。地質工況的復雜性和多樣性對BFRP 錨桿的力學性能提出更高的要求。李秀智等[15]就BFRP 錨桿錨固類似貴州省地區土質邊坡地質開展應用探究，分別進行工程設計（包括計算BFRP 錨桿的錨固力、錨桿間距和安設角度、錨桿體直徑和錨桿長度并設計混凝土噴射方式）和施工應用（包括探究BFRP 錨桿的施工流程、監測錨固效果），發現BFRP 錨桿能夠有效替代鋼錨桿應用于土質邊坡中，提高工程穩定性并有效降低工程成本。

已有大量文獻驗證BFRP 錨桿在錨固工程的適用性，但由于工程使用周期較長，需要工程監測從安全性、經濟效益、社會效益等方面驗證BFRP 錨桿的長期有效性和可靠性。王安福等[16]基于現行《公路路基設計規范》將BFRP 錨桿應用于汕揭高速公路路段部分巖土體邊坡，測試BFRP 筋材與砂漿粘結強度并用于設計支護設計方法和參數取值，通過長期監測結果證明BFRP 錨桿在公路巖質邊坡支護是可行且具備經濟效益，可按照等強度原則通過BFRP 錨桿代替傳統錨桿(錨索)進行邊坡支護設計。黃代茂等[17]結合數值分析和實際工程監測，研究BFRP 錨桿加固東環高速公路巖質邊坡工程，提出BFRP 錨桿巖質邊坡加固設計方法、制作和施工工藝和加固邊坡的變形監測方法。結果表明BFRP 錨桿和等拉拔力的鋼材相比具備著輕質高強、耐腐蝕及和注漿體粘結緊密的優點，且BFRP 錨桿具備經濟方便的優點，宜在邊坡加固工程中推廣使用。

3 結語與展望

BFRP 錨桿可以有效提升錨固巖土系的穩定性和整體性，具備經濟性和適用性，是一種值得在工程領域推廣的優良材料。但在應用中存在以下問題：

⑴由于工程使用周期較長，目前大多數研究還沒有特別注意錨桿的防腐問題。

⑵若錨桿已達到使用極限，應考慮回收或處理。但BFRP 錨桿作為復合材料，難以進行材料分類，回收成本高且回收利用率低。若將其作為垃圾直接處理，自然降解的周期較長甚至可達數十年，掩埋和焚燒的處理方式會污染環境[18]。因此建議對BFRP 錨桿在服役期間的耐久性以及后期的回收和再利用進行研究，同時在國內外已有成果的基礎上，大力推進BFRP 錨桿在理論研究和工程應用方面的發展和創新，促進擴大和發展BFRP 錨桿的應用范圍和適用領域。