GFRP筋材錨桿在基坑支護(hù)中的應(yīng)用前景展望

陳娟娟

中化地質(zhì)礦山總局河北地質(zhì)勘查院

1 前言

現(xiàn)在工民建項目的基坑支護(hù)中，涉及錨桿（或土釘）設(shè)計時其桿體材料基本上是鋼筋或者鋼絞線（即鐵磁性材料），雖也有個別項目采用一些新型材料，比如中空錨桿、GFRP錨桿等，受限于在設(shè)計和施工時缺少依據(jù)或經(jīng)驗等原因，未得到廣泛應(yīng)用。對于深基坑支護(hù)對周邊環(huán)境的影響，設(shè)計時更多的是考慮如何確保基坑本身的安全以及保護(hù)周邊建筑物、管線等的安全，較少考慮或回避對后期其他建筑施工的影響。這就存在誰先建誰占優(yōu)勢，可以先行占用更多的地下空間，而很少考慮后期擬建物的影響。

伴隨著環(huán)保節(jié)能要求以及對支護(hù)結(jié)構(gòu)型式、材料等對后期影響的要求等，技術(shù)人員就要引起足夠重視，在采用傳統(tǒng)的支護(hù)方式的同時，也要做到與時俱進(jìn)?？梢灶A(yù)見的是，未來基坑支護(hù)支護(hù)工藝和材料等將有較大的變更，從目前市場及公開報道的科技方面來講，主要向著以下幾個方面發(fā)展。

（1）裝配式回收式：主要向著現(xiàn)場裝配式發(fā)展，在完成支護(hù)后，全部或部分構(gòu)件回收再利用。（2）節(jié)能環(huán)保型：直接或間接采用節(jié)能型、環(huán)保型材料或施工工藝、施工方法。（3）采用內(nèi)支撐支護(hù)方式及非降水的止水支護(hù)方式：向著減少征地紅線外環(huán)境的占用及影響，采用對周邊環(huán)境影響較小的截止水方式等。（4）復(fù)合材料及非鐵磁性材料的應(yīng)用：在采用新型復(fù)合材料的同時，減少后期施工的影響（如地鐵、地下管廊施工等），非鐵磁性材料也會得到應(yīng)用等。

本文重點對一種目前已經(jīng)在一定范圍內(nèi)應(yīng)用，且具有一定應(yīng)用前景的的一種復(fù)合型筋材----GFRP 筋材的應(yīng)用進(jìn)行遠(yuǎn)景分析展望。

2 當(dāng)前通常深基坑支護(hù)現(xiàn)狀及對周邊環(huán)境的影響

基坑支護(hù)的方式很多，比如土釘墻、護(hù)坡樁、內(nèi)支撐、SMW工法等，我們地處于北方內(nèi)陸，用得最多的支護(hù)方式為土釘墻和護(hù)坡樁或者幾種支護(hù)方法的組合，而所使用的主要材料是混凝土和鋼筋或錨索。雖然在部分地區(qū)修建地鐵時有的在馬頭門位置使用GFRP筋代替了鋼筋，但使用量都不大。

目前我們在完成深基坑支護(hù)以后,除少量比如鋼腰梁等可回收以外，大部分支護(hù)體都留在了原地，而這些留在原地未處理的支護(hù)構(gòu)件，影響是多方面的，最常見的對周邊后期不利的影響包括以下幾種。

2.1 破壞周邊地基土體

這種破壞或影響包括二個方面，一是由于放坡開挖，在后期回填后造成的不利影響，主要是因為回填土質(zhì)量不易達(dá)到設(shè)計的要求。二是指采用錨桿或者其他支護(hù)方式以后，或多或少都在地下空間內(nèi)設(shè)置一些支護(hù)構(gòu)件，從而改變了該區(qū)的土的性狀。

2.2 支護(hù)體變形的影響

支護(hù)體在施工中和正常使用期間，會存在微變形，雖然一般情況下對既有建筑物管線等都在可控范圍內(nèi)，這種變形都會形成一個潛在的破壞面趨勢，對后期工程或多或少產(chǎn)生不利影響，這種影響也是不可預(yù)測的。

2.3 支護(hù)體構(gòu)件留存在原地對地基土的影響

由于土釘或錨桿等一類的支護(hù)體置換了部分土體，對其影響區(qū)內(nèi)的地基土強(qiáng)度及變化參數(shù)產(chǎn)生一定的影響，這個影響更多表現(xiàn)在對后期建筑物變形的影響，會造成地基的不均勻性及建筑物不均勻沉降。

2.4 對后期施工的地基處理或隧道、管廊等工程的影響

當(dāng)前期施工了錨桿（或土釘）留置在原位后，對于其內(nèi)的桿筋材料（鋼筋、鋼絞線等）無法處理，對機(jī)械設(shè)備有很大的損壞，特別是對后期規(guī)劃的隧道施工，鋼筋或者鋼絞線等鐵磁性材料對盾構(gòu)機(jī)的損壞非常大。

對于前面所述幾種影響，除非改變整體支護(hù)方式，否則其影響是不能避免的，即使采用了回收式支護(hù)方式，也不可避免對周邊土體的影響。而第四種情況，對于城市規(guī)劃，特別是對地鐵隧道及管廊等來講，尤其重要，現(xiàn)在已經(jīng)有一些地方出臺了文件，要求靠近地鐵或者其他公共地下建筑物的基坑工程限制使用鐵磁性材料。

除了以上影響其他這里不再多敘述，以上至少是需要考慮的。

3 鋼筋類材料的市場優(yōu)勢和深基坑支護(hù)材料發(fā)展趨勢

根據(jù)現(xiàn)在的市場情況，在深基坑工程中使用的錨桿（或土釘）或者護(hù)坡樁用的筋材基本上都是鋼筋或鋼絞線類的鐵磁性材料，目前有相當(dāng)大的優(yōu)勢，下面簡要敘述。

3.1 鋼筋類材料的市場優(yōu)勢

鋼筋類材料在工程中的應(yīng)用歷史悠久，絕大多數(shù)工程中是不可代替的主要材料，具有無比巨大的優(yōu)勢。

（1）生產(chǎn)工藝成熟，質(zhì)量穩(wěn)定：由于市場的整治，小的地條鋼廠幾乎絕跡，現(xiàn)在的生產(chǎn)廠家都是正規(guī)工廠，生產(chǎn)工藝成熟，出現(xiàn)質(zhì)量問題的概率很低，質(zhì)量穩(wěn)定。（2）市場廣闊，采購方便：現(xiàn)在鋼材供應(yīng)商分布廣,供應(yīng)及時。（3）型號種類齊全，選擇性強(qiáng)：現(xiàn)在不論是鋼筋還是鋼絞線類的材料，種類品種繁多，選擇性強(qiáng)，包括與之配套的其他輔材也較多，比如錨頭、成型墊塊等。（4）規(guī)范依據(jù)充分，可控性強(qiáng)：現(xiàn)在不論是生產(chǎn)，還是加工等，規(guī)范依據(jù)充分，操作規(guī)程齊全，易于管理等。

3.2 深基坑支護(hù)材料發(fā)展趨勢

在不斷發(fā)展的技術(shù)領(lǐng)域，再適用的東西也出現(xiàn)不足來。目前鋼材類的主要不利因素已經(jīng)有所體現(xiàn)，主要有以下幾點。

3.2.1 材料成本的不穩(wěn)定

受大市場環(huán)境影響，近幾年鋼材市場價格波動較大，同樣受環(huán)保因素影響上游采礦業(yè)是受影響最大的，從而也影響下游市場的價格。當(dāng)管制嚴(yán)格時，鋼材市場價格的波動很大，如1998年奧運會期間，河北省的鋼材價格就從2800 元/噸上漲到了6200元/噸，目前市場雖然較為疲軟，市場價格目前穩(wěn)定在4200～4500元/噸，價格受市場供應(yīng)影響較大。

3.2.2 運輸成本逐年上漲

由于鋼材重量大，在運輸過程中需要考慮運輸成本，目前多為超載狀態(tài)下運輸，近期經(jīng)常見到超載運輸鋼材的重型車壓壞路橋的報道，由于道路管制使運輸成本不斷提高，從而使施工成本不斷上漲。

3.2.3 現(xiàn)場加工對環(huán)境的影響

基坑支護(hù)中使用的鋼筋總量小，尺寸多，還有較大部分需要現(xiàn)場焊接成型。現(xiàn)在已經(jīng)有的地方管理部門對現(xiàn)場提出要求，不得在現(xiàn)場進(jìn)行焊接作業(yè)，或者要求采用空氣處理設(shè)備，而我們這類工作分散性強(qiáng)，對我們來說是不利的，就需要改變施工工藝了。

3.2.4 對后期施工工程的影響

對后期施工工程的影響，前面已經(jīng)敘述過了，這里不再多敘述。雖然就目前技術(shù)條件，鋼筋類材料仍是不可替代的，但是在支護(hù)領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了一些代替材料，比如GFRP 筋，根據(jù)市場報道情況，GFRP筋主要應(yīng)用于錨桿，也有部分用于護(hù)坡樁主筋的，雖然在工民建市場上應(yīng)用不廣泛，但在礦山領(lǐng)域應(yīng)用還是比較常見的，這也是向市場發(fā)出的一個信號，未來也會有更多的復(fù)合材料應(yīng)用于深基坑工程中。

4 錨桿（或土釘）支護(hù)新材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

我們做為設(shè)計和施工企業(yè)最關(guān)心的就是質(zhì)量、安全、工期以及造價，還要考慮到環(huán)保的要求及對后期工程的影響。為了適應(yīng)當(dāng)前市場發(fā)展的需要，有很多新材料、新方法、新工藝得到了深入研究和應(yīng)用。比如我們最常見的擴(kuò)大頭錨桿、可回收式錨桿、中空錨桿等以及復(fù)合材料，如GGFRP、AGFRP、PBO 纖維、超高強(qiáng)聚乙稀纖維和玄武巖纖維等。

擴(kuò)大頭錨桿、可回收式錨桿、中空錨桿等的筋體材料仍采用了鋼質(zhì)材料，但施工工藝和施工方法也有了較大的改變，也充分體現(xiàn)了循環(huán)利用的理念。

對于復(fù)合材料中GFRP筋使用率相對較高，對其研究也有了較大的發(fā)展，在礦山和隧道類支護(hù)工程中也取得了良好的效果，在建筑工程應(yīng)用上卻并不廣泛，主要也是其材料性質(zhì)及一些配套配件未得到解決，影響了其的使用推廣。根據(jù)市場分析預(yù)測,GFRP錨桿也具有較好的應(yīng)用前景的。下面先就GFRP筋做為錨桿主筋的應(yīng)用個簡單介紹。

4.1 礦山和隧道超前支護(hù)

目前礦山和隧道中的支護(hù)錨桿，經(jīng)常用到GFRP錨桿代替鋼材，且經(jīng)驗比較成熟，也均取得了較好的效果。

4.2 山體邊坡支護(hù)

目前已有報道，山坡支護(hù)采用GFRP 錨桿代替鋼筋錨桿，取得了較好的支護(hù)效果和一定的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3 建筑深基坑支護(hù)

為了減少后期對城市建設(shè)（比如地鐵施工等）的不利影響，已經(jīng)有部分基坑工程的護(hù)坡樁或者錨桿筋采用GFRP 筋代替鋼筋，并取得較好的效果。比如現(xiàn)在北京市地鐵建設(shè)中的端頭處理，在盾構(gòu)機(jī)施工的區(qū)域已經(jīng)大部分采用了GFRP 筋代替了鋼筋，在石家莊商務(wù)中心基坑支護(hù)中，對后期地鐵施工有影響的區(qū)域的支護(hù)材料，均采用GFRP筋材代替了鋼材。

GFRP筋材的應(yīng)用，為非磁性復(fù)合型材料在建筑工程的應(yīng)用打開了一扇門。

5 GFRP筋做為錨桿筋材的特性

GFRP 做為一種復(fù)合材料，我們有必要對特性進(jìn)行初步了解。

5.1 GFRP筋概念

GFRP 筋又叫玻璃纖維筋，是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，以合成樹脂和輔助劑等為基體材料，在光電熱一體的高速聚合裝置內(nèi)受熱固化，經(jīng)拉擠牽引成型的一種復(fù)合材料產(chǎn)品。在制作時可以根據(jù)需要調(diào)整配方成分達(dá)到多種想需要效果的材料。

5.2 GFRP筋材的特點

5.2.1 質(zhì)量輕

它的比重僅為鋼筋的l/4 左右，因此十分有利于運輸和安裝，一般情況下人工操作或者小型吊車即可，省去了大型機(jī)械調(diào)裝運輸?shù)沫h(huán)節(jié)和費用。

5.2.2 制作中可塑性強(qiáng)

由于是合成材料，在制作過程中可塑性強(qiáng)，在制作過程中可以將做成多種形狀和紋路。根據(jù)這一特點，桿筋通常做成與之配套的錨頭螺紋一樣的螺旋狀，便于現(xiàn)場安裝使用。同樣，也可將桿筋制作成需要的其他形狀，如L型，T型等。

5.2.3 具有良好的電、磁絕緣性

這種復(fù)合材料，具有良好的電、磁絕緣性，不會影響磁場，因此很適合需考慮電、磁影響而不能使用鋼筋的場地，同樣，在現(xiàn)場施工時也避免電的不安全因素的影響。

5.2.4 具有較高的物理力學(xué)強(qiáng)度

以邯鄲某廠家生產(chǎn)的直徑18mm 的GFRP 螺紋筋抽樣的試驗結(jié)果見表1。

表1 GFRP筋力學(xué)性能試驗統(tǒng)計表

從以上試驗結(jié)果可以看出，GFRP 筋除了其抗彎強(qiáng)度較低外，其他物理力學(xué)強(qiáng)度相對較高。

5.2.5 伸縮性

GFRP筋材的伸縮性與水泥很接近，這對漿體材料與筋材的握裹力十分有利。

5.2.6 其他性能

除以上特點外，還具有對化學(xué)腐蝕較強(qiáng)抵抗能力、良好的抗徐變性、良好的抗疲勞性等。

雖然GFRP 筋材有以上優(yōu)點，但也有其本身的不足，影響了其有大范圍的應(yīng)用，主要表現(xiàn)為以下幾點。

（1）材料質(zhì)量穩(wěn)定性問題：由于這種復(fù)合材料是由多種材料按一定比例制作而成，而不同的配比，不同的生產(chǎn)廠家制成的產(chǎn)品的物理力學(xué)性能指標(biāo)差別很大，從而影響工程質(zhì)量。

（2）筋體毛刺問題：由于目前生產(chǎn)的大多數(shù)GFRP 錨桿成型產(chǎn)品，為了降低成本，一般不會對筋體表面做更細(xì)致的專項處理，筋體上肉眼不可見的毛刺較多，不但會刺傷人體皮膚，而且會引起皮膚紅腫、騷癢等癥狀。如或增加毛刺處理，勢必會使價格有所提高。

（3）GFRP 筋材的抗彎、抗扭強(qiáng)度低:于受其材料性能的限制，材料的抗彎、抗扭強(qiáng)度明顯低于鋼筋類材料，這成為其最大的短板。雖然這種性狀已經(jīng)引起了足夠重視，但目前仍未取得較大進(jìn)展。雖然的的廠家在制作時為提高這種強(qiáng)度，在材料中增加了鋼絲類材料，但又失去了其本身具有非磁性材料的特征。

另外，GFRP筋還有熱穩(wěn)定性較差的特點。由于錨桿均設(shè)置在土體中，一般受熱影響較小，因此可以忽略其影響。當(dāng)基坑周邊環(huán)境對變形要求較高，采用玻璃纖維錨桿進(jìn)行支護(hù)時也應(yīng)慎重，若必須采用玻璃纖維錨桿，應(yīng)考慮適當(dāng)增加其截面。

6 GFRP筋在基坑支護(hù)中應(yīng)用中受限原因及措施

6.1 GFRP筋在應(yīng)用中受限的主要因素

GFRP 筋未能在建筑市場深基坑中得到推廣和應(yīng)用的原因是多方面的,有宣傳力度不夠的原因，也有質(zhì)量的原因，也存在其他諸多原因，以下為簡要的原因分析。

6.1.1 缺少行業(yè)規(guī)范依據(jù)

雖然目前已經(jīng)有一些相關(guān)規(guī)范，比如GB 50608—2010《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》、GB/T 26743—2011《結(jié)構(gòu)工程用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋》、JG/T 351—2013《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋》、GJJ/T 19—2013《盾構(gòu)可切削混凝土配筋技術(shù)規(guī)程》、JG/T 406—2013《土木工程用玻璃纖維增強(qiáng)筋》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。但是，針對建筑行業(yè)基坑支護(hù)施工設(shè)計中的規(guī)范還沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定,使其應(yīng)用受到了制約。因此，也造成現(xiàn)在施工項目少，經(jīng)驗也相對較少。

6.1.2 市場宣傳推廣力度欠缺，認(rèn)知度不足

現(xiàn)在除了內(nèi)業(yè)人士對這種材料比較了解外，很多人員也不太清楚，市場認(rèn)知度較小，也是造成其不能得到推廣使用的原因。

6.1.3 市場價格因素

就當(dāng)前市場行情，螺旋鋼筋市場價格（均為不含稅價格，下同）為3500 元/噸，而GFRP 筋一般在10000～12000 元/噸（不含錨頭價格）。表面來看，GFRP 筋的價很高實際上，由于其比重小，從長度上來講，則是同規(guī)格鋼筋的4倍左右，還是有一定優(yōu)勢的，如果按抗拉強(qiáng)度的使用上換算，從長度上具更大的優(yōu)勢。

6.1.4 手工操作安全因素

由于制作原因，這種材料表面毛刺較多，會對人造成傷害，因此在操作時戴橡皮手套，做好防護(hù)措施。

6.1.5 與錨桿筋材使用的配件較少

現(xiàn)在成熟的配套的配件基本就是錨頭（托盤和螺母）以及端部的定位支架，如圖1。我們在土釘施工中需要的其他配件則較少。

圖1 現(xiàn)有主要配件

圖2 錨桿定位支架

在施工中一般還需要的配件有：桿筋連接件、錨桿支架、多桿筋的多筋錨頭件緊固件等，目前這些配件市場上很少見到，也是影響其使用率的一個因素。以上僅是我們了解的一些因素，還可能有其他因素未考慮在內(nèi)。

6.2 目前針對GFRP筋錨桿一些問題的技術(shù)措施

既然我們大致了解了GFRP筋錨桿的一些問題，市場已經(jīng)有一些措施，主要如下。

6.2.1 設(shè)計規(guī)范依據(jù)問題

推進(jìn)加大宣傳力度，促進(jìn)相關(guān)規(guī)范的編制，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，做好示范工程作用。

6.2.2 筋體強(qiáng)度（質(zhì)量）問題

采用信譽(yù)良好的企業(yè)產(chǎn)品，并根據(jù)實際需要調(diào)整配比。通常情況下GFRP錨桿材料的抗拉強(qiáng)度均較高，而抗彎和抗剪強(qiáng)度則相對較低，這也是可以通過調(diào)整材料配比而達(dá)到較為滿意的效果的。對于抗剪要求也可以增大筋體直徑，使抗剪強(qiáng)度與之想適應(yīng)。

6.2.3 筋體居中定位支架問題

當(dāng)前以鋼筋為桿體的錨桿（土釘），基本上是以圓鋼為原材通過彎成一定形狀然后焊接在桿筋上，采用其他定位器的較少。而以鋼絞線為主材的錨桿（錨索），由于其材料呈柔性，則是以專門的定位器使其居中定位。

而GFRP 型復(fù)合材料不能直接采用焊接方式來使筋體居中定位，目前適當(dāng)?shù)闹Ъ苎b置（或定位器）也較少。我們針對這種情況，發(fā)明了數(shù)種針對本類材料的錨桿（土釘）定位器，它適用不同直徑、不同操作習(xí)慣、以及雙桿件等情況的構(gòu)件，如圖二。（這幾種定位支架，也完全適用于以鋼筋做為桿筋的定位使用）。

這幾種定位支架，均由硬質(zhì)塑料原料制作，制作簡單，成本僅為通常鋼筋類的一半左右，并具有安裝簡單方便，省時省力，不用現(xiàn)場下料焊接，安全環(huán)保，也很有使用前景。

6.2.4 GFRP筋體搭（連）接問題

對于鋼筋連接是最為簡單的，采用焊接方式即可，而鋼絞線類，由于成卷包裝，總長度很大，按設(shè)計長度連續(xù)下料即可，也很少需要連接。而對于GFRP 筋類，則連接成為一個難題，一般都是通過事先設(shè)計確定好長度，在生產(chǎn)時按定尺生產(chǎn)。若現(xiàn)在下料的話，對于截斷的短筋，不再符合一定長度的筋體，只能棄之。這樣，在現(xiàn)場需要變更材料長度時很不方便，也容易造成浪費。針對這種狀態(tài),我們也設(shè)計一款專用連接件，如圖3，可以將可利用的部分短的筋體連接在一起使用。但是，由于受材料本身特性限制，這種連接后的桿體，在安裝時，應(yīng)盡量使其處理錨桿的末端（即內(nèi)端）。雖然受到一定的限制，但是，也使在實際施工中由于需要截斷的短的筋體得到了充分利用，減小了浪費。

圖3 GFRP 筋接頭

6.2.5 錨頭處加強(qiáng)筋的連接問題

由于GFRP 筋不能焊接，而抗彎強(qiáng)度相對較低，通常下設(shè)計的加強(qiáng)筋無法正常與桿筋焊接在一起。其實，這種通常做法，規(guī)范中也沒有嚴(yán)格要求。只是為了錨頭處對網(wǎng)片鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)，并且與加強(qiáng)筋加強(qiáng)連接即可。

6.2.6 錨頭的固定（鎖定）問題

由于GFRP筋的錨頭采用螺栓固定方式，這和土釘墻最初的插筋補(bǔ)強(qiáng)很相似，采用這種連接方式，也有較大的好處。由于緊固時增加了一個縱向拉力，使完全被動受力變形變成了相對主動受力，更利于坡體的穩(wěn)定，同時也可以減少土體對桿筋的相對剪切力作用，更利于桿筋拉力的發(fā)揮。

7 GFRP筋材錨桿的應(yīng)用前景展望

任何技術(shù)或產(chǎn)品的推廣和使用都需要很多人的努力，其優(yōu)勢也需要事實來驗證。有的如曇花一現(xiàn)，有的卻經(jīng)久不衰。對于市場來說，更注重的是實用和效益。當(dāng)一項產(chǎn)品或者技術(shù)，從成本上，施工操作上，效益上，應(yīng)用范圍內(nèi)等都有較大的優(yōu)勢時，才能被人們所接受，才能得到廣泛應(yīng)用。在利益不十分明顯的前提下，人們會自然而然的拒絕新的東西。在涉及新的技術(shù)需要一個市場適應(yīng)的過程，同時也會造成舊的設(shè)備淘汰，這也是一種既有利益的競爭。對于GFRP復(fù)合材料在深基坑中的應(yīng)用，也是需要市場來檢驗。在環(huán)保嚴(yán)峻的形勢下以及環(huán)境影響因素下，并伴隨著一些工程的應(yīng)用成功，GFRP 筋材在深基坑中的應(yīng)用將會有美好的前景，同時也需要多方進(jìn)行推廣。