BFRP錨桿公路巖質(zhì)邊坡加固工程應(yīng)用研究

黃代茂， 汪小靜， 趙文

(1.廣東嘉應(yīng)環(huán)城高速公路有限公司， 廣東 廣州 510000； 2.西南交通大學(xué))

巖質(zhì)邊坡加固工程錨桿一般選用鋼筋錨桿，然而，鋼筋錨桿錨固結(jié)構(gòu)不可避免存在鋼筋腐銹蝕的耐久性問題。雖然鋼筋錨桿防腐技術(shù)有所發(fā)展，但錨桿的防腐技術(shù)沒有根本解決。近年來，新型FRP(Fiber reinforced polymer)筋材錨桿(如BFRP、GFRP、CFRP)以輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)越性能，逐漸應(yīng)用在工程建設(shè)中，特別是玄武巖纖維復(fù)合筋(簡稱BFRP)，在公路路面工程中應(yīng)用廣泛。

然而利用BFRP筋材作為工程錨桿，目前應(yīng)用實(shí)例不多。郭成鵬等(2012年)研究了BFRP筋作為錨桿在巖土工程中的適宜性；趙文等(2016年)研究了BFRP錨桿在土質(zhì)邊坡加固工程中的應(yīng)用；高先建等(2017年)研究了BFRP錨桿土質(zhì)邊坡加固設(shè)計(jì)參數(shù)；馮君等(2019年)研究了BFRP土層錨桿抗拔性能；王安福等研究了BFRP錨桿公路邊坡工程的初步應(yīng)用。目前BFRP筋材作為工程錨桿進(jìn)行了一些探索性試驗(yàn)研究，而將BFRP筋材作為工程錨桿規(guī)模應(yīng)用卻很少。

該文結(jié)合BFRP力學(xué)性能參數(shù)，采用數(shù)值分析方法，對BFRP錨桿支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將BFRP錨桿應(yīng)用于實(shí)際巖質(zhì)邊坡加固工程，提出BFRP錨桿巖質(zhì)邊坡加固設(shè)計(jì)方法、施工工藝及檢測方法。

1 BFRP錨桿的主要工程性能

BFRP是一種新型非金屬復(fù)合材料，具有極好的工程性能，由于工程錨桿一般采用φ12 mm以上BFRP筋材，該文對φ14 mm、φ16 mmBFRP筋進(jìn)行拉拔試驗(yàn)和與水泥基類黏結(jié)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 BFRP筋材主要工程性能

BFRP筋材密度為1.9～2.1 g/cm3，彈性模量為(46.3～54.3)×103MPa，酸堿強(qiáng)度保留率為92.6%～96.0%，抗剪強(qiáng)度為150～180 MPa，蠕變松弛率為4.43%。與鋼筋相比，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，且施工方便，綜合經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)鋼筋錨桿。

2 公路邊坡BFRP錨桿的加固設(shè)計(jì)

2.1 邊坡概況

廣東省梅州東環(huán)高速公路K13+785～K14+060路塹右側(cè)邊坡，最大坡高為59 m。線路走向?yàn)镹W274°，邊坡傾向?yàn)?84°。邊坡主要由第四系坡殘積粉質(zhì)黏土和碎石、前泥盆系上統(tǒng)砂巖、碎裂巖及其風(fēng)化層組成，巖土力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 巖土力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)擬定坡形坡率，1～3級邊坡坡高均為10 m，其中1級邊坡坡率為1∶0.75；2級為1∶1.00；3級為1∶1.25。4級邊坡受地形影響坡高不等，但坡率為1∶1.50，各級邊坡平臺寬2 m。

采用FLAC軟件對開挖邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，以K13+880右側(cè)剖面為代表剖面，分析模型如圖1所示。經(jīng)驗(yàn)算，邊坡開挖前穩(wěn)定系數(shù)為 1.77，開挖后穩(wěn)定系數(shù)為1.08，邊坡安全儲備不足，需要進(jìn)行加固處理。

圖1 分析模型

2.2 錨固設(shè)計(jì)

錨固設(shè)計(jì)基本過程參照J(rèn)TG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，BFRP錨桿長度取決于兩個(gè)方面：① 錨桿與注漿體之間的黏結(jié)能力；② 注漿體與巖土層之間的黏結(jié)能力。

為使注漿體不會從巖土層中拔出，則巖土層與注漿體間黏結(jié)長度L應(yīng)滿足下式：

(1)

式中：K為安全系數(shù)；Nt為錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值(kN)；d為錨孔直徑(m)；frb為巖土層與注漿體之間的黏結(jié)強(qiáng)度(kPa)。

為使錨桿不會從注漿體中拔出，則錨桿與注漿體之間黏結(jié)長度L應(yīng)滿足下式：

(2)

式中：n為錨桿根數(shù)；ds為錨桿直徑；β為考慮成束筋材系數(shù)；fb為注漿體與錨桿體間的黏結(jié)強(qiáng)度(kPa)，對于M30砂漿，取4 000 kPa。

按安全系數(shù)1.30求得邊坡穩(wěn)定需要錨固力為400 kN/m。取錨桿水平間距為3 m，則每3 m邊坡所需要的錨固力為1 200 kN，各排錨桿錨固力設(shè)計(jì)值如表3所示。FBRP錨桿沿坡面水平間距取3～4 m，錨固體直徑設(shè)計(jì)為100 mm，注漿材料選用M30砂漿。

表3 BFRP錨桿錨固力設(shè)計(jì)取值

根據(jù)錨固力設(shè)計(jì)值，取單根φ16 mm BFRP 筋材作為錨桿，單根φ16 mm BFRP極限承載力為160 kN，滿足100 kN設(shè)計(jì)錨固力要求。根據(jù)式(1)～(2)計(jì)算得1～3級邊坡錨桿錨固段長度分別為1.91、2.55、2.55 m。錨固段長度不宜小于2 m，也不宜大于10 m，綜合取錨桿錨固段長度為3 m。自由段長度主要根據(jù)被加固邊坡潛在滑面的產(chǎn)狀、深度和錨桿設(shè)計(jì)位置來確定。根據(jù)邊坡錨桿布設(shè)剖面，1、2、3級邊坡錨桿所對應(yīng)的滑面深度為5.5、7.0、8.5 m，則1、2、3級邊坡錨桿長度分別為8.5、10.5、11.5 m。

邊坡加固設(shè)計(jì)措施如下：1～3級邊坡均采用錨桿格梁加固，錨桿采用φ16 mm BFRP 錨桿，1級邊坡錨桿長8.5 m，間距為3 m×3 m；2級邊坡錨桿長10 m，間距為3 m×4 m；3級邊坡錨桿長11.5 m，間距為3 m×4 m；4級邊坡采用6 cm客土噴播防護(hù)；5級邊坡采用人字形骨架三維網(wǎng)植草防護(hù)；6級邊坡采用三維網(wǎng)植草防護(hù)。

采用數(shù)值方法對加固邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析表明，采用上述加固措施后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.28，滿足規(guī)范要求，計(jì)算錨桿拉拔力(圖2)低于設(shè)計(jì)抗拔力。

3 邊坡BFRP錨桿施工工藝

BFRP錨桿根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)格由廠家生產(chǎn)和裁剪，在鋼筋加工場進(jìn)行統(tǒng)一制作，制作完成后運(yùn)送至現(xiàn)場進(jìn)行安裝。

圖2 代表性剖面錨桿計(jì)算軸力(單位：N)

3.1 BFRP錨桿構(gòu)造設(shè)計(jì)

FBRP錨桿不同于鋼制錨桿，錨頭不能焊接，需采用特制錨具將錨桿與格梁連接。BFRP錨桿構(gòu)造如圖3、4所示。

圖3 BFPR構(gòu)造圖(單位：mm)

圖4 BFRP構(gòu)造細(xì)節(jié)

錨具鋼套管采用φ25 mm無縫鋼管，壁厚3.2 mm，單根長40 cm。采用植筋膠作為BFRP錨桿與鋼管黏結(jié)材料。

3.2 BFRP錨桿制作工藝

BFRP錨桿制作工藝流程：錨具制作→錨桿上涂植筋膠→錨具中填充植筋膠→錨具與錨桿連接→錨具頭填充植筋膠并封錨頭→錨桿成型。

制作錨具時(shí)要求鋼管與鋼筋雙面焊，焊縫飽滿，保證焊接質(zhì)量；因植筋膠凝固速度快，錨桿體涂抹植筋膠和錨具填充植筋膠速度要快，填充后立即進(jìn)行連接，不能超過20 min；錨桿體涂植筋膠應(yīng)均勻，錨具填充植筋膠要飽滿，保證兩者連接牢固；連接好后不能拖拽錨桿，達(dá)到24 h以上方可運(yùn)至現(xiàn)場施工。

3.3 BFRP錨桿施工工藝

BFRP錨桿施工與普通錨桿施工主要步驟類似，包括：測量放線→鉆孔至設(shè)計(jì)深度→清孔→BFRP錨桿安裝→注漿→養(yǎng)護(hù)→裸露BFRP筋材保護(hù)→格梁施工→BFRP錨桿錨頭鋼筋與格梁鋼筋綁扎→格梁澆筑混凝土。

(1) 為使錨桿置于鉆孔中心，在錨桿上每隔1 500 mm設(shè)置一個(gè)定位環(huán)。

(2) 使用前檢查錨桿有無油污、缺裂等情況。

(3) 鉆孔完畢后立即安裝成品BFRP錨桿以防塌孔。

(4) 檢查注漿管無破裂和堵塞，接口牢固，防止注漿壓力加大時(shí)開裂跑漿。

(5) 注漿體采用M30水泥砂漿，注漿時(shí)采用孔底反漿法，注漿過程中嚴(yán)禁上拔綁定的注漿管。

(6) 在注漿過程中看見孔口出漿時(shí)封閉孔口。

(7) 注漿后自然養(yǎng)護(hù)不少于7 d，在注漿體硬化之前，不得擾動(dòng)BFRP錨桿。待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%時(shí)方可進(jìn)行張拉檢測。

(8) 錨頭鋼筋與格梁鋼筋采用雙面焊接，以保證焊縫飽滿，錨頭外BFRP筋預(yù)留長度20～30 cm，澆筑于格梁之中，可提高錨固效果。

4 BFRP錨桿加固邊坡變形監(jiān)測

為了驗(yàn)證BFRP錨桿加固邊坡的有效性，對邊坡在開挖及加固過程中的變形進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖5所示，其中6個(gè)坡面位移監(jiān)測點(diǎn)，位于1～5級邊坡坡頂平臺上，1個(gè)深層位移監(jiān)測點(diǎn)位于K13+860斷面4級邊坡坡頂平臺上。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

施工過程中邊坡變形如圖6所示。邊坡于2018年7月開始施工，由上至下開挖，并依次施工加固措施。從圖6可以看出：在開挖6～3級邊坡過程中， 邊坡變形不大，最大約為20 mm；開挖1、2級邊坡后，邊坡產(chǎn)生了一定的變形，變形增量約為60 mm，這是因?yàn)?、2級邊坡較陡，導(dǎo)致變形量稍大。監(jiān)測結(jié)果顯示地表位移速率較小，且趨于穩(wěn)定，現(xiàn)場巡查塹頂周邊、截水溝、坡面、平臺等部位未發(fā)現(xiàn)坍塌、開裂，表明該坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 邊坡坡面變形曲線

圖7為K13+840處4級平臺的深層水平位移曲線。監(jiān)測歷時(shí)近1年，于2019年9月28日結(jié)束監(jiān)測。

從圖7可以看出：4級平臺坡頂在近1年的周期內(nèi)，最大水平變形約為11 mm，且隨深度的增加逐漸減小。整體上看，邊坡水平變形不大，邊坡整體穩(wěn)定，也說明了1～3級邊坡采用BFRP錨桿加固，部分區(qū)段2級邊坡采用錨索加固的措施是有效的。

圖7 邊坡深層水平位移曲線

5 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究了BFRP錨桿加固公路巖質(zhì)邊坡的可行性及適用性，得到如下結(jié)論：

(1) 提出了BFRP錨桿設(shè)計(jì)方法。BFRP錨桿設(shè)計(jì)時(shí)，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為700 MPa，與砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為4 000 kPa。

(2) BFRP錨桿錨具黏結(jié)采用高強(qiáng)度植筋膠，并注膠飽滿。BFRP錨桿錨頭鋼筋與格梁鋼筋雙面焊接，并預(yù)留 20～30 cm筋材澆筑于格梁，以提高錨固效果。

(3) BFRP錨桿加固巖質(zhì)邊坡變形監(jiān)測結(jié)果表明，BFRP錨桿達(dá)到了加固邊坡的目的，變形速率較小，且邊坡趨于穩(wěn)定，BFRP筋材作為錨桿加固邊坡是適宜的。

(4) 在同等拉拔力要求下，BFRP筋材相比普通鋼筋，具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕、與注漿體黏結(jié)性能良好等優(yōu)勢。且BFRP錨桿經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，施工方便，建議擴(kuò)大范圍推廣應(yīng)用。