玄武巖纖維增強聚合物錨桿用于邊坡支護工程之研究現(xiàn)狀

白曉宇， 井德勝， 王海剛， 閆 楠, 2， 王永洪, 2， 張明義*

(1.青島理工大學土木工程學院， 青島 266033；2.山東省高等學校藍色經(jīng)濟區(qū)工程建設與安全協(xié)同創(chuàng)新中心， 青島 266033)

近十年來，隨著城市化的加速，城市地上可利用空間急劇減少，地上交通日益繁重，交通網(wǎng)絡日益煩瑣。各級政府紛紛改變方向，把目光投向地下空間。據(jù)國家統(tǒng)計局相關報道，截至2018年底，地鐵已經(jīng)遍布全國43個城市，總里程達到5 295 km，根據(jù)近十年增長情況可推測，今后仍然會以每年550 km的速度增長[1]。

作為最常用的一種邊坡防護方式，錨桿的支護效果及穩(wěn)定性一直被業(yè)界看好[2]。而傳統(tǒng)金屬錨桿存在著難以根除的弊端，其耐腐蝕性很差，對于臨時防護，其弊端可能不夠突出。而相對于地下永久性錨固結構，復雜的地下腐蝕環(huán)境，其耐久性根本難以保證。雖然有不少學者給出了金屬錨桿的抗腐蝕措施[3-6]，但仍然難以彌補這一缺陷。并且，隨著礦產(chǎn)資源不斷消耗，很多不可再生資源，尤其是鐵礦石資源，早就難以保證其日趨增長的需求量，尋找金屬錨桿的代替品顯得迫在眉睫。

在人們不斷尋找的鋼筋替代品中，繼玻璃纖維復合增強聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)、碳纖維復合增強聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)、芳綸纖維復合增強聚合物(aramid fiber reinforced polymer，AFRP)被熟知后，玄武巖纖維復合增強聚合物(basalt fiber reinforced polymer，BFRP)走進人們的視野[7-8]。20世紀早期，法國Paul[9]發(fā)明了“玄武巖纖維制造技術”。20世紀80年代，蘇聯(lián)研制成功并實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)[10]。進入21世紀，中國才開始針對玄武巖纖維材料采取針對性的措施。一些高校、科研院所聯(lián)合制造商先后進行產(chǎn)品的生產(chǎn)、試驗及優(yōu)化，隨著生產(chǎn)工藝的日趨嫻熟，研究者對玄武巖纖維材料基本性能進行研究，隨著研究不斷深入，開始將制品應用于工程。因其巨大的經(jīng)濟和環(huán)境效益，先后在2001年6月，中國同俄羅斯政府合作實施了“高新科技合作項目”；2002年5月深圳市將其寫入“科技計劃”，同年8月被國家列入“863計劃”；2004年5月被列入國家級火炬計劃[11]。在國家大力推動下，BFRP錨桿的研究正在積極推進。

早期，吳智深團隊[12-13]、吳剛等[14]、陳尚建等[15-16]、陳緒軍等[17]率先對玄武巖纖維材料本身屬性及其復合材料性能進行研究，他們通過將BFRP應用在混凝土加固工程，橋梁拉索結構以及道路瀝青面層施工中，都得到了不錯的效果，充分驗證其在工程應用中的可行性，而且其認為玄武巖纖維材料在未來的建筑行業(yè)將發(fā)揮不可估量的作用?，F(xiàn)對BFRP錨桿試驗研究進展進行歸納總結，以為BFRP錨桿在邊坡支護工程中的設計及發(fā)展有所參考。

1 BFRP錨桿簡介

1.1 BFRP筋的基本組成

玄武巖纖維是以天然玄武巖拉制的連續(xù)纖維，是一種名副其實的綠色、環(huán)保材料，繼碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維后受到廣泛好評，是目前大范圍推廣的纖維增強材料。BFRP錨桿是將浸泡于合成樹脂等基體材料中的玄武巖纖維，摻入適量輔助劑后，經(jīng)多次連續(xù)拉擠工藝及特殊的表面處理后形成的一種新型復合材料錨桿[18]，如圖1所示[19]。由于玄武巖纖維材料具有抗拉強度高(同規(guī)格普通鋼筋的3倍)、耐腐蝕、介電性好、無毒且不燃等優(yōu)點，被作為鋼筋錨桿的良好替代品[20-22]。有研究表明，BFRP筋的造價成本要比相同規(guī)格的鋼筋制品節(jié)約20%左右。玄武巖纖維與環(huán)氧樹脂主要性能指標如表1所示[22]。

圖1 BFRP筋和GFRP筋實物圖Fig.1 Physical diagrams of BFRP bars and GFRP bars

表1 玄武巖纖維與環(huán)氧樹脂主要物理力學指標Table 1 Main physical and mechanical indexes of basalt fiber and epoxy resin

1.2 BFRP錨桿邊坡錨固的工作原理

在邊坡支護中，由于BFRP預應力錨桿比BFRP普通錨桿受力更加可靠，加固效果更好，所以目前大多采用預應力型[24]。BFRP預應力錨桿與普通金屬錨桿類似，主要由錨桿、錨具、錨固體三部分構成，如圖2所示。通常情況下，將BFRP錨桿與邊坡外坡面固定端稱之為外錨固段，BFRP 錨桿與錨固漿體間錨固段稱之為內(nèi)錨固段；把BFRP錨桿桿體與錨固漿體稱之為第一界面，把錨固漿體與邊坡土(巖)體稱之為第二界面[25]。BFRP錨桿錨固如圖3所示，其錨固力存在于兩階段。錨桿預應力使得周圍土體處于受壓的穩(wěn)定狀態(tài)，也就是錨桿主動受載階段；隨著荷載的增大，錨桿預應力被耗盡，由錨桿軸向拉力逐漸增大，也就是錨桿被動受載階段。無論主動還是被動，都是實現(xiàn)錨固段的第一、第二界面力與端頭墊板承載力形成平衡機制[26]。

圖2 BFRP錨桿效果圖Fig.2 Effect diagram of BFRP anchor

1為錨具；2為墊板；3為錨固墩；4為桿體;5為錨固砂漿圖3 BFRP錨桿構造示意圖Fig.3 Schematic diagram of BFRP anchor structure

2 BFRP錨桿試驗研究進展

21世紀以來，隨著玄武巖纖維材料走進大眾視野，因其優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和良好的力學性能[27]，許多高校、企業(yè)開始著手對其研究，試圖尋找其更大的利用價值，例如可以取代不可再生資源(鐵礦石等)。近十年，玄武巖纖維材料作為錨固構件被引入到邊坡防護工程中，中國在這方面研究更晚，且目前研究大多處于理論研究階段，現(xiàn)場試驗較少。對BFRP錨桿的研究主要從以下幾個方面論述：BFRP錨桿基本力學性能、耐久性、黏結性能、BFRP錨桿邊坡支護的安全系數(shù)及BFRP現(xiàn)場錨固試驗。

2.1 BFRP錨桿的基本力學性能

為了探究BFRP錨桿在邊坡工程中應用的可行性，必須對其力學特征進行分析。其基本力學性能指標是BFRP錨桿的工程設計的重要參考。通常，研究者通過對試件進行拉伸試驗，得出荷載-位移曲線，經(jīng)過數(shù)值處理得出抗拉強度、彈性模量、伸長率等指標。

由《結構加固修復用玄武巖纖維復合材料》(GB/T 26745—2011)[28]可知，依據(jù)荷載(應力)-應變曲線所采集的數(shù)據(jù)，按式(1)計算可以得到拉伸強度：

(1)

式(1)中：fu為拉伸強度，MPa；Fu為彈性階段拉伸荷載最大值，N；A為試件的橫截面面積，mm2。

拉伸彈性模量通過20%～60%拉伸彈性階段的荷載最大值之間的荷載-應變曲線按式(2)計算：

(2)

式(2)中：E為拉伸彈性模量，MPa；ΔF為20%和60%拉伸彈性階段的荷載最大值的荷載差值，N；Δε為對應20%和60%拉伸彈性階段的荷載最大值的應變差值。

近年來，BFRP材料受眾多研究者推崇，其基本力學的試驗研究較多?；魧殬s等[18]通過對不同玄武巖纖維摻量的BFRP筋進行室內(nèi)拉拔試驗，結果表明筋材受拉彈性模量隨玄武巖纖維摻量的增多而變大、得出其抗拉強度、拉伸模量等部分量化指標。為了提高數(shù)據(jù)的精確性。顧興宇等[29]在BFRP筋生產(chǎn)過程中就將光纖檢測計植入體內(nèi)，得出了同樣的結論。部分學者通過對比多種纖維增強材料，可以直觀看出BFRP的特點。劉紀峰等[30]通過對直徑為8、10、12 mm的BFRP和GFRP六種錨桿進行張拉對比試驗，如表2所示。發(fā)現(xiàn)抗拉強度最大為BFRP筋，其次為GFRP筋，平均極限抗拉強度比GFRP的大9.4%，為HRB335鋼筋極限強度標準值的1.93倍，同時BFRP筋和GFRP筋的密度只為HRB335鋼筋的1/5～1/4。曹曉峰等[31]對多種不同直徑BFRP筋進行拉拔試驗，得出了類似的試驗結果，并且在進行的剪切試驗中，得出其抗剪強度要略低于鋼筋錨桿。BFRP筋、GFRP筋及HRB335鋼筋主要規(guī)格和性能指標如表2所示。

表2 BFRP筋、GFRP筋及HRB335鋼筋主要規(guī)格和性能指標

注：本表依據(jù)《公路工程玄武巖纖維及其制品第4部分：玄武巖纖維復合筋》(JT/T 776.4—2010)中第6條[32]；《土木工程用玻璃纖維增強筋》(JG/T 406—2013)中的第5條[33]。

2.2 BFRP筋耐腐蝕性能

在邊坡防護工程的永久錨固體系中，錨固構件的耐腐蝕性直接影響其長期工作性能。BFRP筋的耐腐蝕性遠高于鋼筋錨桿，微觀上認為，其根本原因在于BFRP筋原材料之一玄武巖纖維主要是由SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、Na2O、K2O等氧化物組成，正是這些氧化物賦予了玄武巖纖維優(yōu)異的耐腐蝕性[34]。鄭勁東等[35]通過對比玻璃纖維成分發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維存在特有的MgO、Na2O、K2O、TiO2等成分，這也造就了BFRP具有較強的耐腐蝕性能，尤其是堿環(huán)境中的耐蝕性俱佳。

近年來，研究者將BFRP筋浸入酸、堿、鹽、去離子水中，模擬地下腐蝕環(huán)境，探討其腐蝕機理。霍文靜等[36]、張志春等[37]等對BFRP筋進行室溫下的耐腐蝕試驗發(fā)現(xiàn)蒸餾水及強堿溶液對BFRP筋的抗拉強度與拉伸模量影響較小。Altalmas等[38]將BFRP筋、CFRP筋、GFRP筋三種筋材放在相同的腐蝕環(huán)境下，對比發(fā)現(xiàn)，不論是耐腐蝕性，還是與混凝土的黏結強度，都彰顯了BFRP筋的優(yōu)勢。楊國梁[39]將不同直徑的BFRP筋浸泡于酸、堿溶液中30 d，取出測其強度，得出其強度保留率均高達93%。Wu等[23]通過對6 mm的無應力BFRP筋進行室內(nèi)長期耐久性試驗，基于Arrhenius理論，將試件放在不同腐蝕環(huán)境中，對比發(fā)現(xiàn)BFRP筋在酸、鹽和去離子水作用下，對耐久性的影響小于在堿性溶液作用下的BFRP筋，如圖4所示。其他進行耐腐蝕性試驗的研究者，與Li等[40]、Wu等[41]也得出相同的結論。

圖4 試驗裝置效果圖Fig.4 Effect diagram of the test device

2.3 BFRP錨桿的黏結性能

在錨桿支護工程中，BFRP筋能否取代鋼筋，除了其本身屬性滿足外，與錨固劑之間的協(xié)調(diào)工作性更要滿足要求，由于BFRP錨桿的黏結性能的影響因素較為復雜，近年來一直作為研究者的熱點話題，通常錨固體-巖土體界面黏結問題比較單一，可以通過工程措施加以改善。而錨筋-錨固體界面問題就顯得復雜多樣。通過查閱相關文獻[42-47]，其影響因素主要包括：①BFRP筋生產(chǎn)工藝(直徑、表面形狀、有無彎鉤等)；②錨固劑類型(配合比、強度等)；③施工工藝(黏結長度、黏結方式、保護層厚度等)；④環(huán)境。傳統(tǒng)單因素分析方法在研究FRP筋黏結性能時，顯然，試驗工作量較大，周期較長，而且費時、費力。而采用多因素分析方法的正交試驗就顯得高效。

由于BFRP錨桿各向異性的特點，在進行拉拔試驗前，都用到了特殊的端頭夾持裝置。并且大多將固定端利用鋼套管包裹的錨固形式[48-50]。吳芳[48]提出筋材黏結破壞形式有拔出破壞和劈裂破壞，并把受力過程分為：微滑移、滑移、拔出、下降以及殘余五個階段。而張紹逸[49]認為BFRP筋在拉拔試驗中的破壞形式有斷筋破壞、拔出破壞和劈裂破壞，其在對96個中心拉拔試件進行正交試驗，發(fā)現(xiàn)BFRP筋與混凝土的黏結強度范圍為8.07～32.1 MPa，在進行灰色關聯(lián)度分析中，認為混凝土強度、錨桿直徑、黏結長度是影響B(tài)FRP錨桿黏結強度的主要原因。張?zhí)禊i[50]也證實，并得出混凝土強度影響最大，黏結長度和黏結寬度次之的結論。沈新等[51]針對不同螺紋形態(tài)這一影響因素的試驗發(fā)現(xiàn)，有螺紋筋明顯高于無螺紋筋，且得出黏結強度范圍介于11.592～23.578 MPa。在已有的BFRP筋黏結性能研究中，很顯然，關于BFRP黏結性能的定性指標較穩(wěn)定，但量化指標差異較大。究其原因，在試驗過程中，沒有相關規(guī)范做參考，大部分試驗方法依據(jù)改良后原有規(guī)范下進行的，其次他們使用的BFRP桿體來自不同生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品性能也存在較大差異。

2.4 BFRP錨桿邊坡支護的安全系數(shù)

在邊坡防護中，錨桿用于錨固卸載后的松動巖土體，防止被錨固體發(fā)生較大位移，從而導致大面積整體塌方，避免人員和財產(chǎn)損失。在錨桿邊坡支護參數(shù)的選取中，通常對錨桿的抗拉安全系數(shù)、桿體-錨固體界面及錨固體-巖土體界面黏結安全系數(shù)進行設計。由于支護結構所屬行業(yè)不同，所以其遵照的規(guī)范也不同，導致所取的安全系數(shù)也不同。目前，針對BFRP錨桿邊坡支護安全系數(shù)的研究較少，研究者普遍在傳統(tǒng)鋼筋錨桿支護設計參數(shù)的基礎上，根據(jù)BFRP筋的特性做適當調(diào)整。

由于參考的標準、環(huán)境地質、結構的安全等級等差異，劃分了不同的安全系數(shù)。其中，錨桿的張拉強度安全系數(shù)是基于對錨栓特性的認識。安全系數(shù)也與錨桿受拉后的儲備強度有關。Cosenza等[52]取FRP筋的抗拔安全系數(shù)為2.5進行拉拔試驗，試驗結果符合日本土木工程學會(JSCE)規(guī)程。郭成鵬等[53]參考鋼筋錨桿相關規(guī)范，對一土質邊坡進行BFRP錨桿支護設計，拉拔安全系數(shù)取值為2.0。由于BFRP筋與鋼條材料屬性的不同，將BFRP錨的安全系數(shù)分為張拉強度安全系數(shù)和拉出安全系數(shù)。拉出安全系數(shù)包括錨桿與注漿之間、注漿與地層之間的黏結安全系數(shù)。Zhu等[54]提出了非預應力BFRP錨桿在支護土質邊坡中的設計參數(shù)，認為非預應力BFRP筋的抗拉強度安全系數(shù)：永久性結構不低于1.6，臨時性結構不低于1.4。材料的安全系數(shù)反映了材料特性的差異和結構抗力的計算模式。高先建[55]認為，對于FRP筋來說，材料安全系數(shù)的確定必須考慮FRP筋線彈性、脆性等性質，同時也要考慮材料在制造和運輸過程中損耗、試驗采用的筋與結構應用的筋在材料性質上的差異及溫度和環(huán)境條件對FRP筋物理化學性能的影響。

2.5 現(xiàn)場試驗

近年來，有部分研究者在充足的室內(nèi)試驗及較完善理論數(shù)據(jù)的前提下，開始著手進行現(xiàn)場試驗初探。由于缺乏相關設計規(guī)范或行業(yè)標準，通常根據(jù)傳統(tǒng)鋼筋錨桿《建筑邊坡工程技術規(guī)范》(GB 50330—2013)[56]、《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ 120—2012)[57]等相關規(guī)范規(guī)程進行設計。

趙文等[58]通過對土質邊坡進行現(xiàn)場試驗，對BFRP錨桿和鋼筋錨桿進行為期8個月的受力與變形監(jiān)測。試驗結果表明，如圖5所示，根據(jù)不同測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，直徑為14 mm的BFPR錨桿與直徑25 mm的HRB335鋼筋錨桿受力特征相似，從而，得出BFRP錨桿代替金屬錨桿的可行性。同年高巖川[59]在巖石邊坡對BFRP錨桿與鋼筋錨桿進行現(xiàn)場對比試驗，如圖6所示，采用與文獻[58]同規(guī)格試件，錨桿變形特征相似，進一步驗證了上述結論。

圖5 不同測點下的兩種錨桿受力變化曲線對比Fig.5 Comparison of force change curves of two anchor rods under different measuring points

圖6 兩種錨桿位移變化曲線對比Fig.6 Comparison diagram of displacement curves of two types of anchors

馮君等[25]對兩種錨桿進行現(xiàn)場拉拔試驗，通過繪出的荷載-位移曲線可知，相同荷載下，BFRP錨桿位移稍大，研究者認為，由于兩者彈性模量不同導致這種情況。在分析界面破壞中，兩者均以第二界面破壞為主，BFRP筋的錨筋-錨固體界面破壞較嚴重。究其原因，一方面，鋼筋錨桿的錨筋-錨固體界面黏結性能要優(yōu)于BFRP筋；另一方面，加工工藝的差異導致界面摩擦力與機械咬合力有所差異。

3 BFRP錨桿支護數(shù)值模擬研究進展

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，相關軟件開發(fā)功能越來越貼近工程實際，順勢而生的數(shù)值模擬因其資金投入低、計算速度快且與實際符合性較高等優(yōu)點，已經(jīng)成為錨固支護研究的一項重要手段，對邊坡工程的支護設計、方案審定以及險情預測等方面都發(fā)揮了重要的作用。目前，學者和專家在模擬地層及錨桿行為方面應用較多的軟件有FLAC3D、ABAQUS、ANSYS等。俞晨暉[60]利用ABAQUS軟件模擬錨桿支護邊坡，通過建立摩爾-庫侖模型，添加腐蝕環(huán)境，探討B(tài)FRP錨桿和鋼筋錨桿經(jīng)過腐蝕作用而對邊坡安全穩(wěn)定性的影響(僅考慮結構自重)，證實了BFRP錨桿在腐蝕環(huán)境替代鋼筋錨桿的可靠性。朱建龍[19]運用ANSYS軟件對BFRP錨固體系應力情況進行模擬，如圖7所示，確定了BFRP錨桿在荷載、錨固長度和鉆孔直徑等因素影響下的應力分布情況。

李慈航等[61]利用振動臺模擬地震作用，如圖8所示，對土質邊坡進行分級支護，對比BFRP錨桿支護邊坡與無支護邊坡的振動響應，發(fā)現(xiàn)BFRP錨桿支護邊坡僅在局部位置出現(xiàn)部分剪切裂縫，整體穩(wěn)定性較好，具有良好的抗震性能，證實了BFRP錨桿在加固邊坡工程的可行性。

圖7 BFRP錨固系統(tǒng)模型Fig.7 BFRP anchorage system model

圖8 模型測點布置示意圖Fig.8 Sketch of monitoring points arrangement of the model

4 結論與建議

BFRP材料作為21世紀新興材料，因其優(yōu)良的力學性能和出色的耐腐蝕性被業(yè)界普遍看好，在土木、建筑、水利工程中的應用越來越多。就BFRP錨桿在邊坡支護工程中應用研究作以下總結：

(1)就中外對BFRP筋材基本力學指標、抗腐蝕能力等方面的試驗研究進行總結歸納。由于試驗條件、制作工藝、原材料產(chǎn)地等因素差異，并沒有得出統(tǒng)一的指標，但可以確定的是，BFRP筋的力學性能明顯高于同規(guī)格的鋼筋，且抗腐蝕性也是BFPR筋的最大亮點。

(2)中外學者對BFRP錨桿取代鋼筋錨桿用于邊坡支護開展了豐富的研究工作，通過錨固系統(tǒng)的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過現(xiàn)場錨固效果及長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，驗證了BFRP錨桿取代傳統(tǒng)金屬錨桿的適宜性。

(3)目前少量研究者從數(shù)值模擬方面對BFRP錨桿耐腐蝕性能及其在邊坡支護工程應用進行分析，可以很容易進行不同環(huán)境、不同地質情況的研究。一方面驗證了試驗的準確性，另一方面為BFRP筋應用于其他工程探索新的思路。

針對未來BFRP錨桿能夠更好地服務工程建設，提出以下幾點建議：

(1)BFRP錨桿具有很大的優(yōu)勢，但對比其他纖維增強聚合物材料(CFRP、AFRP、GFRP)相比也有自己不足之處，建議進行有序地、系統(tǒng)地對比試驗，充分利用各自的優(yōu)勢，使效益最大化。

(2)在數(shù)值模擬方面，由于纖維增強聚合物材料的本身屬性較復雜，在建立模型階段，BFRP錨桿的各項本體參數(shù)還不夠科學和具體，需進行更多的試驗研究。

(3)進一步完善BFRP錨桿相關國家和地方標準的制定，推動行業(yè)的進步，使得BFRP制品在生產(chǎn)過程中規(guī)范化，試驗操作標準化，試驗方法科學化。