譚思蓉

（廣西民族大學(xué)建筑工程學(xué)院；武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院）

0 引言

巖土工程中地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)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(zhì)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(shè)錨桿或錨索（后統(tǒng)稱錨桿）緊密連接圍巖與穩(wěn)定巖體，形成整體結(jié)構(gòu)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(nèi)。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(yīng)用時容易腐蝕，嚴(yán)重威脅構(gòu)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(chǎn)品壽命長，在生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，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(huán)境影響的受拉構(gòu)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(jīng)濟效益將隨工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)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(xué)條件和經(jīng)濟條件，可在工程領(lǐng)域中推廣應(yīng)用。本文對BFRP 錨桿的力學(xué)性能試驗和工程應(yīng)用分別進行研究現(xiàn)狀綜述，并對其未來發(fā)展趨勢進行探討研究，以期推動BFRP 錨桿技術(shù)的發(fā)展。

1 BFRP 錨桿性能研究進展

國內(nèi)外對BFRP 錨桿的研究已有相當(dāng)規(guī)模，許多學(xué)者根據(jù)BFRP 錨桿的工程應(yīng)用情況對BFRP 錨桿的各項力學(xué)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(jié)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(huán)氧樹脂膠粘結(jié)介質(zhì)、錨固形式和索體束數(shù)對錨索力學(xué)性能與破壞形式的影響。研究結(jié)果表明：BFRP 粘結(jié)式錨索錨固端錨固效果的主要影響因素為環(huán)氧樹脂粘結(jié)介質(zhì)的抗壓強度與彈性模量；錨桿進行削細(xì)縮徑處理后無法改善剪滯效應(yīng)，并會降低錨索的極限承載力；在發(fā)生炸斷破壞的情況下，BFRP 粘結(jié)式錨索的極限承載力經(jīng)過組合后發(fā)生效率折減?？紤]到工程實踐中不同工程地質(zhì)條件與支護方式下錨桿處于不同拉力和剪切的聯(lián)合作用，張書博等[5]研究了BFRP 錨桿的錨固節(jié)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(nèi)力變化等特征的影響。實驗結(jié)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(jié)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(jù)地質(zhì)選擇支護錨桿材料提供依據(jù)。

由于實際工程中環(huán)境的復(fù)雜性，將BFRP 錨桿置于真實巖土層中進行力學(xué)性能試驗易反映在實際工程中的應(yīng)用情況。針對BFRP 錨桿和傳統(tǒng)鋼筋錨桿的材料力學(xué)屬性不同進而影響受力錨桿的力學(xué)傳遞效率、桿體及多界面黏結(jié)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(jié)滑移破壞的本構(gòu)模型，并依托現(xiàn)場拉拔試驗研究不同直徑和錨固長度的BFRP 錨桿的力學(xué)性能（包括加載端荷載位移曲線、桿體軸力分布和剪應(yīng)力分布狀態(tài)），為BFRP 錨桿的實際應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于傳統(tǒng)的拉拔試驗無法測量BFRP 錨固系統(tǒng)第二界面的剪應(yīng)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(tǒng)拉力試驗的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該方法有效且并比理論計算結(jié)果更符合工程的實際情況。

因巖土體易受地震作用發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，所以亟需研究地震狀態(tài)下BFRP 錨桿的施工措施及穩(wěn)定性評價研究。李慈航等[8]采用云南省昭通市魯?shù)榭h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(yīng)；王秋懿等[9]以功東高速響水河邊坡為原型設(shè)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(xiàn)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(yīng)。上述研究結(jié)果均表明BFRP 錨固系統(tǒng)可有效提高邊坡的整體穩(wěn)定性，減小震動產(chǎn)生的損害，具有良好的抗震性能。

數(shù)值模擬因其成本低、效率高且便于重復(fù)等優(yōu)點，已經(jīng)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(yīng)力數(shù)值的變化情況。結(jié)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(jié)論：BFRP 錨桿可以替換鋼錨桿作為邊坡的永久型支護構(gòu)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(xùn)練反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并建立了一個FRP 錨桿錨固系統(tǒng)的可靠性評估框架。結(jié)果表明影響因素根據(jù)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(yīng)用研究現(xiàn)狀

已有大量文獻(xiàn)探究BFRP 錨桿的力學(xué)性能，表示其適用于錨固工程，但也需充分的試驗數(shù)據(jù)反映其在實際工程中的應(yīng)用情況。高先建等[13]研究了非預(yù)應(yīng)力BFRP錨桿的力學(xué)性能（拉伸性能、與水泥砂漿的黏結(jié)性能、耐腐蝕性、剪切性能）和探究BFRP 錨桿用于支護設(shè)計參數(shù)的計算和取值（邊坡加固力、安全系數(shù)、抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值、錨桿長度），并將研究結(jié)果應(yīng)用在某土質(zhì)邊坡錨固的設(shè)計、施工和監(jiān)測，表明可采用等強度替代鋼筋的方法將BFRP 錨桿應(yīng)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(jié)和錨桿施工應(yīng)用），發(fā)現(xiàn)通過BFRP 錨桿錨固的邊坡整潔穩(wěn)定并在后續(xù)基坑工程施工期間能保持整體穩(wěn)定，表明BFRP 錨桿適用于邊坡支護工程。地質(zhì)工況的復(fù)雜性和多樣性對BFRP 錨桿的力學(xué)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(qū)土質(zhì)邊坡地質(zhì)開展應(yīng)用探究，分別進行工程設(shè)計（包括計算BFRP 錨桿的錨固力、錨桿間距和安設(shè)角度、錨桿體直徑和錨桿長度并設(shè)計混凝土噴射方式）和施工應(yīng)用（包括探究BFRP 錨桿的施工流程、監(jiān)測錨固效果），發(fā)現(xiàn)BFRP 錨桿能夠有效替代鋼錨桿應(yīng)用于土質(zhì)邊坡中，提高工程穩(wěn)定性并有效降低工程成本。

已有大量文獻(xiàn)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(jiān)測從安全性、經(jīng)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(xiàn)行《公路路基設(shè)計規(guī)范》將BFRP 錨桿應(yīng)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(jié)強度并用于設(shè)計支護設(shè)計方法和參數(shù)取值，通過長期監(jiān)測結(jié)果證明BFRP 錨桿在公路巖質(zhì)邊坡支護是可行且具備經(jīng)濟效益，可按照等強度原則通過BFRP 錨桿代替?zhèn)鹘y(tǒng)錨桿(錨索)進行邊坡支護設(shè)計。黃代茂等[17]結(jié)合數(shù)值分析和實際工程監(jiān)測，研究BFRP 錨桿加固東環(huán)高速公路巖質(zhì)邊坡工程，提出BFRP 錨桿巖質(zhì)邊坡加固設(shè)計方法、制作和施工工藝和加固邊坡的變形監(jiān)測方法。結(jié)果表明BFRP 錨桿和等拉拔力的鋼材相比具備著輕質(zhì)高強、耐腐蝕及和注漿體粘結(jié)緊密的優(yōu)點，且BFRP 錨桿具備經(jīng)濟方便的優(yōu)點，宜在邊坡加固工程中推廣使用。

3 結(jié)語與展望

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

⑴由于工程使用周期較長，目前大多數(shù)研究還沒有特別注意錨桿的防腐問題。

⑵若錨桿已達(dá)到使用極限，應(yīng)考慮回收或處理。但BFRP 錨桿作為復(fù)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(dá)數(shù)十年，掩埋和焚燒的處理方式會污染環(huán)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(nèi)外已有成果的基礎(chǔ)上，大力推進BFRP 錨桿在理論研究和工程應(yīng)用方面的發(fā)展和創(chuàng)新，促進擴大和發(fā)展BFRP 錨桿的應(yīng)用范圍和適用領(lǐng)域。