GFRP筋在国内地下工程应用研究

d o i :10.3963/j .i s s n .1674-6066.2019.03.011G F R P 筋在国内地下工程应用研究黄佛光,黄 明,陈 超(武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉430070)摘 要: 近些年来,由于玻璃纤维增强聚合物筋具有抗拉强度高和环境友好等众多的优点,吸引了许多的学者开始对其展开研究㊂通过查阅国内大量文献,总结了G F R P 筋在国内原位试验㊁室内试验㊁数值模拟㊁锚具的设计等方面的研究展开情况,发现G F R P 筋在室内㊁现场试验以及数值模拟方面的研究较多且进展顺利,但在锚具设计方面错综复杂,还未充分利用玻璃纤维锚杆的抗拉强度等优势,有待进行进一步研究;另外在G F R P 筋的设计施工等方面还未形成较为统一的规范标准㊂关键词: G F R P 筋; 地下工程; 锚固设计A p p l i c a t i o nR e s e a r c ho fG F R PB a r s i nD o m e s t i c U n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n gHU A N GF o -g u a n g ,HU A N GM i n g ,C H E NC h a o (S c h o o l o fC i v i l E n g i n e e r i n g a n dA r c h i t e c t u r e ,W u h a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,W u h a n430070,C h i n a )A b s t r a c t : I n r e c e n t y e a r s ,d u e t o t h e n u m e r o u s a d v a n t a g e s o f g l a s s f i b e r r e i n f o r c e d p o l y m e r r i b s ,m a n y sc h o l a r s h a v e b e g u nt os t ud y i t .T h r o u g hre v i e w i n g a l a r g en u m b e ro fd o m e s t i c l i t e r a t u r e s ,t h er e s e a r c ho nt h e i n -s i t ut e s t ,i n d o o r t e s t ,n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n da n c h o r d e s i g no fG F R Pb a r sw a s s u mm a r i z e d .I tw a sf o u n d t h a tG F R Pb a r sh a v em a n y r e s e a r c h e s i n i n d o o r ,f i e l d t e s t a n d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n .T h e p r og r e s s i s s m o o th ,b u t t h e d e si g n o f t h e a n c h o r i s c o m p l i -c a t e d ,a n d t h e t e n s i l e s t r e n g t ho f t h e g l a s s f i b e r a n c h o r h a s n o t b e e n f u l l y u t i l i z e d ,a n d f u r t h e r r e s e a r c h i s n e e d e d .I n a d -d i t i o n ,a r e l a t i v e l y u n i f o r ms t a n d a r dh a sn o t b e e n f o r m e d i n t h e d e s i g na n d c o n s t r u c t i o no f t h eG F R P .K e y wo r d s : G F R Pb a r ; u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ; a n c h o r d e s i g n 收稿日期:2019-04-12.作者简介:黄佛光(1995-),硕士生.E -m a i l :f g h u a n g1920@w h u t .e d u .c n 玻璃纤维增强复合材料筋(简称G F R P 筋),它是由增强相和基体相这两相组成,其增强相为玻璃纤维(玻璃纤维织物),其基体相为聚合物树脂,是通过单向连续纤维拉挤成型并经树脂浸渍固化的玻璃纤维增强复合材料棒状制品㊂由于G F R P 筋具有密度小㊁抗拉强度高㊁环境友好以及耐腐蚀性和耐久性好等众多优点,在我国的地下工程中也开始被逐渐认可和应用,成为代替钢筋应用于地下工程的首选材料㊂1 国内的研究现状在地下工程中,锚固技术一直被广泛运用,在实际工程中,通常作为制作锚杆的材料是钢材,而由于它容易腐蚀,所以日益成为影响锚固体系安全性和耐久性的首要原因,特别是在一些腐蚀性严重的山区,以及地下水富集的软土地区,钢材的锈蚀问题更加严重㊂国外在20世纪早已开始纤维增强物材料的研究,并应用到隧道工程㊁边坡支护工程㊁道路桥梁工程㊁港口工程和基坑工程等建设当中㊂我国对纤维增强聚合物材料的研究起步较晚[1]㊂1995年,薛伟辰等[2]首次进行了G F R P 筋混凝土结构的试验研究,研制生产了我国第一批G F R P 螺纹筋和光圆筋,并将其应用到混凝土中,研究了G F R P 筋在不同环境条件下的粘结锚固性能和G F R P 筋混凝土梁的各种受力特性等㊂我国对G F R P 锚杆的研究较早出现在矿井开挖支护领域㊂其研究与应用大致分24建材世界 2019年 第40卷 第3期建材世界2019年第40卷第3期为三个时间段:第一时间段,1980~1990年,主要是开展了对其的一些较为基础性的研究和试验,矿井开挖支护应用也主要集中在少数几个矿区;第二时间段1991~1995年,由于国家的项目支持,与其相关的课题的数量㊁研究内容的广度与深度及现场试验推广的面积较第一时间段有显著提升;第三时间段,1996年至今,人们才真正认识到G F R P锚杆应用的重要性,大量的科研工作至此开始㊂2玻璃纤维筋在地下工程中的应用研究2.1G F R P筋原位试验研究对于玻璃纤维增强聚合物筋在工程实际中的应用很广,国内诸多学者早在实际工程中进行G F R P筋原位试验,并验证了其结果的合理性[3-6]㊂李国维等通过G F R P锚杆加固高边坡的现场原位试验,研究了在不同荷载作用下的玻璃纤维增强聚合物锚杆的承载力特征及分布规律㊂刘颖浩等通过全螺纹G F R P锚杆的拉拔试验,试验测试研究了砂浆强度㊁锚固长度㊁锚杆直径等对全螺纹G F R P锚杆锚固力的影响以及G F R P锚杆杆体黏结应力分布㊂彭义等采用倒置的基础底板模拟抗浮锚杆的外锚固段,通过现场拉拔试验研究了其不同锚固长度㊁不同弯曲半径㊁不同弯折长度对锚杆的锚固性能和粘结特性的影响,同时对比分析了不同因素对锚杆承载力和上拔量的影响,获得了不同型号抗浮锚杆在混凝土中承载力和上拔量的变化规律㊂黄志怀等通过现场原位试验,系统分析了不同围岩环境和受力条件下G F R P锚杆的抗拉特性,也论证了G F R P锚杆使用的适宜性㊂2.2G F R P筋室内试验研究相对于G F R P筋的原位试验,更多研究人员在室内对其基本性能及破坏机理展开研究,并取得很好的进展,为G F R P筋实际工程中的应用提供保障[7-9]㊂贾新等在G F R P锚杆发生粘结滑移破坏阶段,杆体与砂浆之间的平均粘结应力大致保持不变,此时可以将这个平均粘结应力看作为G F R P锚杆在此种砂浆锚固作用下的平均粘结强度;G F R P杆件轴力随着埋置深度的增加迅速降低,降低的趋势呈指数曲线形式㊂有国内学者分析通过室内试验,研究G F R F直径㊁G F R F埋入长度㊁混凝土强度等级与使用环境等因素对G F R F筋粘结强度的影响㊂另外有学者研究发现G F R P锚杆的极限荷载值随直径的增大其极限抗拉强度有所下降:1)G F R P锚杆与混凝土粘结强度随着直径的增大而降低;2)G F R P锚杆随着直径的增大其与混凝土粘结强度变弱㊂G F R P抗浮锚杆在极限荷载下才会发生蠕变现象,且蠕变位移量较小,在实际工程中,40%左右的极限荷载能满足在长期荷载下抗浮锚杆的抗浮需求㊂白晓宇等通过室内试验研究发现锚杆轴力沿深度方向逐渐减小,并且当超过一定深度后杆体就不再受力;G F R P抗浮锚杆的极限抗拔承载力随锚杆直径和锚固长度的增加而增大,一般均高于钢筋抗浮锚杆㊂G F R P抗浮锚杆在40%的极限荷载下才会发生蠕变,且蠕变变形较小㊂在实际工程中,40%左右的极限荷载能满足在长期荷载下的抗浮要求㊂李萍等通过G F R P筋进行基本力学性能试验,证实了G F R P筋可以代替钢筋应用在岩土锚固工程中㊂崔宇鹏等通过设计不同的锚固深度和不同的养护时间,发现G F R P筋的水泥砂浆握裹力随锚固深度增大而递增,且能达到用钢筋锚固的强度要求,且试样7d初凝时握裹力仅有28d终凝时的60%左右㊂吴平等通过拉拔试验,采用三次循环基本试验验证了玻璃纤维筋作为抗浮锚杆的可行性,满足工程的设计要求;同时研发一种玻璃纤维筋与钢筋特殊连接方式,解决了玻璃纤维筋与筏板基础的连接技术难题㊂2.3G F R P筋数值模拟方面研究国内对玻璃纤维筋的有限元模拟的案例并不是很多,主要是用在验证锚杆在实际工程中的应用的可行性上面[10]㊂国内学者在对端部可回收树脂锚杆和普通树脂金属锚杆结构分析的基础上提出两种分析锚杆锚固段的力学模型,并采用有限元数值分析软件对两种不同的锚杆模型进行非线性分析以获得锚杆锚固段上剪应力和正应力的分布规律㊂同时为了探索砂浆粘结土钉的工作性能,有学者通过室内模型试验研究了杆件端口位移与拉拔荷载的关系㊁杆件不同位置处轴力的变化情况以及随着上覆荷载的变化极限拉拔荷载的变化情况,并通过室内模型试验,发现考虑剪胀效应时所得到的最大抗拔力的塑性解更接近于试验值㊂孙会想等通过A B A Q U S有限元方法模拟长江中下游地层和地质条件下破碎围岩浅埋隧道开挖过程,34建材世界2019年第40卷第3期对加筋玻璃纤维锚杆注浆技术加固掌子面前后分别建立模型并进行对比分析强化结果,研究表明:玻璃纤维锚杆注浆加固能较大程度提高掌子面前方核心岩土体的黏聚力c㊁内摩擦角㊁弹性模量E和抗剪强度r,加固后地表沉降减少了约20%,拱顶沉降量减少20%,掌子面纵向位移约30%,水平收敛减小10%,能有效提高长江中下游地层和地质条件下破碎围岩浅埋隧道掌子面及其周围围岩的稳定性3玻璃纤维筋的锚具设计研究在玻璃纤维锚杆的研究过程中,G F R P的锚具设计作为锚杆支护的一个重要的部分,由于实际工程的需要,我国许多研究者开始着手锚具的设计[11]㊂黄志怀等对自发研制的螺纹耦合半模钢夹具的夹持力进行了试验测试,同时对全长粘结式G F R P锚杆的结构进行设计,并进行相关实验,试验结果显现,利用两个夹具并行使用的效果远比单个夹具单独使用的效果好得多,大概是其夹持力的两倍多㊂有学者通过设计一种新型C F R P筋锚具,并从静载试验㊁数值计算等方面来进行设计研究,最终确定该锚具的最佳参数,并通过试验研究证明了该锚具性能的优越性,有效地解决了C F R P筋在预应力结构中的锚固问题,并推动了C F R P筋在预应力结构中的应用㊂4结论与展望近些年来,我国的学者对G F R P筋已经展开了大量的研究,特别是在G F R P筋的破坏机理㊁受力性能锚具的设计研发等方面的研究,虽然也取得了一些成果,但是有些方面还是需要开展进一步的研究㊂虽然G F R P锚杆在我国地下工程中的应用广泛,且在过去几十年的研究表明,G F R P筋可以作为一种新型钢筋的替代材料,在地下工程应用中是可行的,但是其抗剪强度小且难以充分利用其抗拉强度等方面的不足一直难以解决㊂当前对G F R P筋的研究一直受到设计研究人员的青睐,但对G F R P筋的理论研究还是较少的且应用区域很有限,且应用较少㊂因此对G F R P筋需要从很多方面继续开展深入研究:1)玻璃纤维筋受力机理研究还需要加大研究力度,以深入了解G F R P筋的受力和破坏机理;2)G F R P筋在基坑工程中的使用㊁玻璃纤维锚杆的锚具的设计研发㊁如何充分利其抗拉强度等方面依然缺乏研究经验,还需要进一步的深入研究;3)在G F R P筋的设计㊁施工等方面,缺乏国家相关标准和规范的统一标准,需要进一步展开研究和编制,从而促进G F R P在地下工程中规范且大量的使用㊂参考文献[1]张乐文,汪稔.岩土锚固理论研究之现状[J].岩土力学,2002,23(5):627-631.[2]薛伟辰,韩梅.纤维塑料筋混凝土结构的系列研究[J].混凝土与水泥制品,2000(s1):152-153.[3]李国维,黄志怀,张丹,等.玻璃纤维增强聚合物锚杆现场承载特征现场试验Ⅲ[J].岩石力学与工程学报,2006,25(11):2240-2246.[4]刘颖浩,袁勇.全螺纹G F R P黏结型锚杆锚固性能试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,29(2):394-400.[5]彭义.G F R P筋拉拔模型试验及仿真分析[D].武汉:武汉科技大学,2014.[6]黄志怀,李国维.玻璃纤维增强塑料锚杆设计研究[J].玻璃钢/复合材料,2008(4):36-40.[7]贾新.玻璃纤维增强塑料锚杆锚固机理研究[D].上海:同济大学,2005.[8]白晓宇,张明义,李伟,等.G F R P抗浮锚杆外锚固性能室内试验研究与机理分析[J].中南大学学报(自然科学版),2015(10):3841-3847.[9]李萍.玻璃纤维增强塑料锚杆杆体的力学性能研究[J].四川建材,2011,37(3):107-108.[10]吕国玉.碳纤维增强塑料预应力筋锚具的设计研究[D].武汉:武汉理工大学,2003.[11]黄志怀,李国维,王思敬,等.不同围岩条件玻璃纤维增强塑料锚杆结构破坏机制现场试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(5):1008-1018.44。