關于GFRP筋土釘支護體系失效的幾點思考

陳洪泳，周 莉

(蘇州和宏基礎工程有限公司，江蘇蘇州215131)

1 GFRP筋簡介

GFRP筋(Glass－Fiber－Reinforced Plastic Bar)是一種由縱向連續(xù)的玻璃纖維和熱固性的聚合物樹脂通過拉擠工藝和表面處理制成的復合物桿體材料，具有較好的力學性能和耐腐蝕性能。

玻璃纖維增強復合材料是一種高強度、抗腐蝕和抗磁干擾的新型復合材料，廣泛應用于土木工程、建筑工程、市政工程及地下工程等領域，近年來，對于GFRP筋的研究在我國也是方興未艾，并己經(jīng)有了一些實際工程應用。

玻璃纖維增強復合材料是一種采用連續(xù)纖維或纖維織物為增加相，聚合物樹脂為基體相，兩相材料通過復合工藝組合而成的一種聚合物基復合材料。玻璃纖維增強復合材料筋是一種按拉擠成型工藝生產(chǎn)的棒狀纖維增強復合材料制品。

2 GFRP筋與傳統(tǒng)鋼筋的優(yōu)缺點分析

與傳統(tǒng)的鋼筋相比較，GFRP筋具有以下優(yōu)點。

(1)具有優(yōu)良的抗腐蝕性能，耐久性好。

GFRP筋材的腐蝕機理與金屬材料有著本質(zhì)的區(qū)別。金屬材料的腐蝕主要是發(fā)生在表面的電化學腐蝕，從外向內(nèi)逐步腐蝕，GFRP材料的腐蝕主要是環(huán)境介質(zhì)對玻璃纖維和樹脂界面的腐蝕，周圍介質(zhì)(氣體、液體、蒸汽等)向材料內(nèi)滲透是腐蝕的主要原因。盡管GFRP材料不會像金屬那樣產(chǎn)生電化學腐蝕，但它也會在不同的化學環(huán)境下發(fā)生變化，玻璃纖維容易受到堿性和中性溶液的腐蝕，但在樹脂包裹下形成GFPR制品后會有很大改善，目前國內(nèi)外專業(yè)研究人員對此已有一定的研究，ACI440委員會有關研究沒有給出明確規(guī)定，但是強調(diào)對于暴露于環(huán)境中的構(gòu)件采用GFRP筋進行增強時，其強度標準值應乘以0.7的安全系數(shù)，以作為設計強度。

(2)抗拉強度高，等于甚至高于預應力鋼筋。

根據(jù)相關文獻［2］的數(shù)據(jù)顯示如表1。

表1 GFRP筋性能參數(shù)

從表1可以看出，GFRP筋的平均抗拉強度達到612 MPa，大于2倍普通HRB335鋼筋的設計強度。

(3)自重輕，只有預應力鋼筋的15% ～20%。

(4)低松弛性，荷載損失較小。

(5)優(yōu)良的抗疲勞特性。

(6)對電磁場不敏感。

3 GFRP筋應用實例分析

3.1 工程概況

擬建項目地上3層(局部4層)，地下1層，框架結(jié)構(gòu)，位于蘇州高新區(qū)，東、南、西側(cè)均為小區(qū)內(nèi)道路，北側(cè)為城市支線道路。

本工程基坑面積約為3132.7 m2，周長約231.4 m，最大開挖深度為6.07 m。

針對本工程的特點，本基坑安全等級為二級，重要性系數(shù)取1.0。

3.2 周邊環(huán)境

(1)基坑東側(cè)地下室外墻線距圍墻最近距離約6.90 m，距東側(cè)教學樓最近距離為12.0 m;

(2)基坑南側(cè)地下室外墻線距圍墻最近距離約2.07 m，圍墻內(nèi)有電纜線，埋深－1.20 m;

(3)基坑西側(cè)地下室外墻線距圍墻最近距離3.22 m，圍墻內(nèi)有電纜線，埋深－1.20 m，距西側(cè)居民樓最近距離為20.0 m;

(4)基坑北側(cè)地下室外墻線距圍墻最近距離約8.10 m，圍墻內(nèi)有污水管線，埋深－2.30 m，圍墻外為金山路，金山路下有較多管線分布，由南往北依次為天然氣管道、低壓電管道、電力通訊管道、路燈管道、污水管道?；又苓叚h(huán)境如圖1所示。

3.3 工程地質(zhì)條件

根據(jù)建設單位提供的現(xiàn)場勘察資料，本工程地基土結(jié)構(gòu)特征自上而下分述如下：

①素填土，雜色，松軟，以粘性土為主，夾碎磚瓦塊及小石子等雜物，上部含植物根莖，psmax/psmin＞1.55，為不均勻填土，全場地分布;

②粘土，褐黃色，可～硬塑，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，夾灰色條紋，無搖振反應，切面光滑，韌性及干強度高，全場地分布;

③粉質(zhì)粘土，灰黃色，可～軟塑，局部含錳質(zhì)氧化物斑點，夾粉土薄層，無搖振反應，稍有光滑，干強度、韌性中等，全場地分布;

④粉土，灰色，很濕，稍～中密，含云母碎片，微層理發(fā)育，搖振反應迅速，切面無光澤，韌性及干強度低，全場地分布;

⑤粉砂，青灰色，飽和，中密，微層理發(fā)育，局部夾細砂薄層，主要為長石、石英碎屑，少量云母碎片，搖振反應迅速，切面無光澤，全場地分布;

⑥粉質(zhì)粘土，灰色，軟塑，含有機質(zhì)，無搖振反應，稍有光澤，干強度、韌性中等，該層未揭穿。

3.4 水文地質(zhì)條件

場區(qū)內(nèi)對本工程建設有影響的地下水類型有：孔隙潛水及微承壓水。

孔隙潛水主要賦存于第①層素填土中，地層透水性較差，主要受大氣降水及地表水滲入補給，以地面蒸發(fā)為主要排泄方式，水位升降隨季節(jié)變化明顯，年變幅在1 m左右;微承壓水賦存于第④層粉土和第⑤層粉砂中，富水性一般，透水性弱～中等，主要補給來源為淺部地下水的垂直入滲及地下水的側(cè)向徑流，以民井抽取及地下水側(cè)向徑流為主要排泄方式。

本次勘察為測定淺部土層的滲透系數(shù)，進行了室內(nèi)滲透試驗，試驗結(jié)果及各滲透系數(shù)詳見表2。

表2 土層滲透系數(shù)

勘察期間，實測潛水穩(wěn)定水位埋深0.70～1.10 m，穩(wěn)定水位標高1.71～2.30 m。實測微承壓水穩(wěn)定水位埋深1.80 m，標高為1.15 m。

3.5 圍護結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)江蘇省建苑巖土工程勘測有限公司提供的工程基坑圍護設計方案，本基坑支護主要采用放坡土釘墻噴錨支護、樹根樁等支護形式。

典型的放坡土釘墻噴錨支護剖面如圖2所示。

圖2 土釘墻噴錨支護剖面(以C2孔為計算點)

采用二級放坡開挖，上部坡高2.0 m，放坡坡度系數(shù)1∶0.5，設置2道 GFRP土釘：φ25L=4000～5000@1500;下部坡高3.6 m，放坡坡度系數(shù)1∶0.2，設置 2道 GFRP土釘：φ25L=4000～5000@1500，無馬道。坡面掛φ8@200×200雙向鋼筋網(wǎng)，面層噴C20素砼進行防護，厚度為100 mm;坡面設置泄水孔，間距1.5 m，局部填土區(qū)域間距加密為1.0 m;坡腳設置反壓加固素砼。該部位須進行壓密注漿加固處理：3排花管(φ48 mm×3 mm鋼管)注漿孔，排距0.5 m，孔距1.0 m，孔深3.0 m，水灰比0.45，水泥用量80 kg/m，注漿壓力0.3～0.5 MPa。

GFRP土釘墻立面如圖3所示，其與層面連接如圖4所示。

3.6 支護效果評價

本工程最終因雨季來臨而塌方，究其原因，主要有以下幾點。

3.6.1 設計方案中GFRP筋與面層的連接有問題

在圖4中，GFRP筋與面層之間未設置縱、橫雙向的通長加強筋是導致本方案失敗的直接原因。鋼制托盤下只有2根φ8 mm的掛網(wǎng)筋，且該掛網(wǎng)筋為松散的綁扎連接，本無法傳遞側(cè)向土壓力至錨桿，導致錨桿“單兵作戰(zhàn)”，根本無法和掛網(wǎng)噴砼面層形成一個整體，土釘墻噴錨支護體系“重力式擋墻”的擋土作用機理就無法實現(xiàn)，這是導致本方案失敗的最主要的原因。

3.6.2 土方開挖未能嚴格按照“分層開挖，分段施工”原則來實施

為趕工期進度，土方單位未能嚴格按照分段分層開挖的原則，整個土方分2次開挖，在上層剖面土釘剛施工完畢強度未達設計標準之前就開挖下一層土，導致第一層面層整體下滑塌方。

3.6.3 雨季地表水的大量入滲

由于受臺風天氣的影響，大量雨水短時間內(nèi)注入邊坡土體之中，土層浸水軟化，使得土體的物理力學性質(zhì)指標急劇下降，嚴重偏離設計狀態(tài)，土體沿軟弱滑動面整體下滑。

4 GFRP筋在土釘墻噴錨支護體系中應用的思考與建議

土釘墻支護體系的作用機理是：使土釘錨桿和掛網(wǎng)面層形成一個有機整體，從而使得因土方開挖而產(chǎn)生的側(cè)向土壓力經(jīng)面層傳遞至錨桿，再由錨桿傳遞至土釘墻后面的穩(wěn)定土體之中。由此可見，在設計與施工過程應注意以下幾點。

(1)土釘錨桿與噴射面層的連接一定要牢固，這是土釘墻支護體系成敗與否的關鍵所在。

根據(jù)半無限空間體彈性理論，土方開挖的過程實際是一個土壓力釋放的過程，隨著坑內(nèi)土方被挖除，原先的平衡狀態(tài)因應力釋放而打破，而土釘?shù)脑O置就是為了代替被挖除土方來維持原先的平衡狀態(tài)。根據(jù)相關理論，土釘?shù)脑O計過程如下：

式中：Tjk——第 j根土釘受拉荷載標準值;ζ——荷載折減系數(shù);eajk——第j根土釘位置處的基坑水平荷載標準值;Sxj、Szj——第j根土釘與相鄰土釘?shù)钠骄?、垂直間距;αj——第j根土釘與水平面的夾角。

因開挖而釋放的應力只能通過鋼筋面層的收集而集中于土釘才能進行下一步驟的傳遞，故成排成列設置的土釘必須通過縱橫向設置的加強筋而與鋼筋面層形成一個不可分隔的整體才能產(chǎn)生作用，具體聯(lián)接如圖5所示。

(2)土釘注漿一定要嚴格按照設計要求進行，能否形成錨固體關系到土壓力能否順利傳遞至穩(wěn)定土層之中。

應力經(jīng)鋼筋面層的收集傳遞至土釘之后，須由土釘桿體經(jīng)注漿加固體傳遞至穩(wěn)定地層之中，其理論模型類似于錨桿，具體設計過程如下：

式中：Tuj——第 j根土釘抗拉承載力設計值;dnj——第j根土釘錨固體直徑;qsik——土釘穿越第i層土土體與錨固體極限摩阻力標準值;li——第j根土釘在直線破裂面外穿越第i穩(wěn)定土體內(nèi)的長度。

若土釘桿體與注漿加固體之間或注漿加固體與土體之間不能形成有效的粘結(jié)，達不到預定強度，土釘就會失效，邊坡就會失穩(wěn)。

(3)土方開挖必須順應土釘施工的工藝流程安排，分層分段開挖。

在土釘筋體插入孔中之后，必須按設計要求向孔中注入水泥漿，使筋體能和周邊的土體有機地結(jié)合在一起，待水泥漿液凝固達到一定設計要求強度的時候，土釘才能傳遞先前因開挖土體而釋放的側(cè)向土壓力，使得邊坡保持在一個主動土壓力的極限平衡狀態(tài)之中，邊坡才能穩(wěn)定，因此可以這么說，分層開挖土方是土釘墻能夠發(fā)揮效能的基本保證。

根據(jù)土體的彈塑性原理，結(jié)合以往相關基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，基坑土方開挖存在一個長邊效應，即邊坡坡頂水平位移呈現(xiàn)中間大、兩端小的規(guī)律，通俗來說就是基坑邊坡的中間部位土體向坑內(nèi)的位移最大，最容易發(fā)生坍塌事故，故相關的規(guī)范就規(guī)定了土方開挖必須分段進行，且分段長度以20 m為宜。

綜上所述，土方開挖必須配合土釘施工，分層分段進行。

5 結(jié)語

土釘墻支護體系的施工必須徹底貫徹設計意圖，合理安排土方開挖進度，嚴控土釘墻施工工藝及施工質(zhì)量，以期達到理想的支護加固狀態(tài)，使土方開挖與基礎施工進程安全有效地進行。

［1］ JGJ120－99，建筑基坑支護技術規(guī)范［S］.

［2］ CESC96：97，土釘支護與施工規(guī)程［S］.

［3］ 王奎陽.土釘墻支護應用研究［D］.河北邯鄲：河北工程大學，2009.

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［6］ 趙峰，陳晨.深基坑土釘墻支護體系設計與計算［J］.吉林水利，1997，(12).

［7］ 林忠偉，王新宇，張振鐸.微型護坡樁和土釘墻復合支護結(jié)構(gòu)設計及實踐［J］.巖土工程技術，2008，(5).