GFRP锚杆的综合性能与锚固机理研究

GFRP锚杆的综合性能与锚固机理研究

刘文娴1， 田承宇2， 王雪莲1

( 1.广州航海学院 航务工程学院, 广东 广州 510330； 2.中国水利水电第八工程局有限公司科研设计院, 湖南 长沙 410007)

摘 要：介绍了锚杆的制备过程，分析了组分参数对锚杆的影响。通过冻融循环和长期加载试验，验证了锚杆的粘结性能。通过有限元数值模拟，分析了锚杆在不同直径、岩土和预应力中的锚固机理。研究结果表明：筋的最佳纤维含量为65%；锚杆的抗冻融性能较好，长期荷载对锚杆的粘结性能影响较小；锚固承拉能力受锚固土体的影响较大， 锚固土体越好，其抗拉强度越大；预应力锚杆的整个剪应力影响范围不超过1 m。

关键词：GFRP筋； 锚杆；锚固

锚杆在土木工程中的应用非常广泛[1]，已有近百年的历史[2-3]，锚杆每年的使用量达到2.5亿根。但是锚杆大多服役在地下水长期作用的环境中，受地下水的侵蚀、冻融及渗透等作用，使得锚杆的工作环境条件异常复杂和严酷。锚杆的锈蚀严重影响其耐久性，同时危及锚固结构的安全性。在工程实践中，受钢锚杆侵蚀而发生的工程事故时有发生，已成为世界各国广泛和长期关注的焦点[4]。国际预应力协会对实际工程调查发现，在35根锚杆中(永久性锚杆24根，临时性锚杆11根)，有一半锚杆未使用到2年就会因腐蚀而断裂[5]。解决该类问题的方法是在锚杆的表层喷涂防腐剂或通过改变锚杆内部的化学成分来提高其防腐性。但是，该方法不但使锚杆的安装变得更为复杂，并且提高了其造价[6]。此外，锚杆锚固工程的隐蔽性极高，对于存在质量缺陷的锚杆不易发现，且相对应的处理难度较高。针对锚杆易受腐蚀的问题，自20世纪90年代以来，纤维增强塑料(fiber reinforced plastics，简称为FRP)锚杆开始受到国内、外学者的重视，并将其用于替代传统的钢锚杆。由于FRP材料(如：碳和玻璃等)在自然中广泛存在，且具有优异的耐腐蚀性，FRP锚杆代替钢锚杆将成为土木工程发展的重要方向之一[7]。FRP筋中最常用的有玻璃纤维塑料筋和碳纤维塑料筋2种。玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢，glassfiber reinforced plastic，简称为GFRP)筋的抗拉强度高，抗冻融性好，造价低，运用范围广。以往的研究和工程应用大多限于粘结型锚杆，而GFRP材料轴向抗拉强度很高，在2 000 MPa以上，而弹性模量为50～300 GPa，这导致传统的GFRP粘结型锚杆的高强度得不到充分的利用。有分析[8]表明:GFRP锚杆在控制边坡变形过程中，其拉应力低于其轴向抗拉强度的20%。如果在预应力锚杆中使用GFRP材料，不仅解决了刚锚杆耐腐蚀性差的缺点，且可充分发挥GFRP材料强度高的特点。

因此，作者拟进行GFRP锚杆的制备材料性能、GFRP锚杆冻融循环试验和长期荷载作用下的粘结性能研究。并通过有限元软件对GFRP锚杆的锚固机理进行数值分析，研究不同因素对GFRP锚杆锚固性能的影响。

1 GFRP锚杆的制备与材料性能

1.1 GFRP筋拉杆筋的制备

GFRP筋的生产工艺分为6个步骤：浸润→压模→挤压→拉拔→固化→切割。整个生产过程连续不间断。首先，固定纤维形成一个E玻璃纤维束，然后将其穿过浸胶槽，并从成型模拉出束状产品，最后通过固化室使树脂硬化[9]。GFRP筋在最初拉挤出来时表面较光滑，为增加粘结性，需对其表面进行二次加工，即将其表面缠绕成螺旋状纤维束。实现拉挤工艺过程的设备有：送纱装置、浸渍装置、拉挤模具、索引装置及切割装置，各装置对应的工艺为排纱、浸渍、固化、牵引及切割。

1.2 组分参数对GFRP筋性能的影响

通过常温拉伸试验，研究树脂种类和玻璃纤维含量对GFRP筋极限拉伸强度和弹性模量的影响规律。拉伸试件采用标准规范[10]试件。

筋浸渍的树脂分别采用环氧树脂和聚酯树脂，并添加脱模剂、固化剂、填料和增塑剂等。试验在万能材料试验机上进行，加载速度为2 mm/min，试验结果见表1。

表1 纤维含量对GFRP筋抗拉强度和弹性模量的影响
Table 1 Effect of fiber content on tensile strength and elastic modulus of GFRP bar

玻璃纤维含量/%抗拉强度/MPa环氧树脂GFRP筋聚酯树脂GFRP筋弹性模量/MPa环氧树脂GFRP筋聚酯树脂GFRP筋54989.2773.344.2946.64601100.3834.549.5251.19651119.4932.451.8453.78

1) 玻璃纤维含量对抗拉强度的影响

从表1中可以看出，环氧树脂和聚酯树脂筋的抗拉强度与玻璃纤维含量呈正相关。玻璃纤维含量相同时，环氧树脂GFRP筋的抗拉强度大于聚酯树脂GFRP筋的。当玻璃纤维含量为60%时，环氧树脂GFRP筋的抗拉强度达到最大值，而聚酯树脂GFRP筋仍然有较大的剩余强度。当玻璃纤维含量为60%和65%时的抗拉强度与玻璃纤维含量为54%时的相比，环氧树脂GFRP筋的抗拉强度分别提高了11.2%和11.4%，而聚酯树脂GFRP筋的抗拉强度分别提高了7.9%和20.6%。

2) 玻璃纤维含量对弹性模量的影响

从表1中还可以看出，玻璃纤维含量与GFRP筋弹性模量呈正相关。当玻璃纤维含量为65%时，两者同样达到了最大值。但是，玻璃纤维含量相同时，聚酯树脂的弹性模量却略大于环氧树脂的。当玻璃纤维含量为60%和65%时的弹性模量与玻璃纤维含量为54%时的相比，环氧树脂筋GFRP筋的弹性模量分别提高了12.5%和17.5%；聚酯树脂GFRP筋的弹性模量分别提高了9.7%和15.26%，该值较抗拉强度的波动小。

3) 破坏形态

环氧树脂GFRP筋在拉伸试验过程且荷载接近破坏荷载的80%时，部分玻璃纤维断裂，发出劈裂声，最后，中间削弱部分发生突然脆性断裂。环氧树脂GFRP筋的抗压强度较高，试件端部在夹具夹持部分末发生横向挤压破坏，如图1(a)所示。聚酯树脂GFRP筋在拉伸试验过程且荷载接近破坏荷载的80%时，部分玻璃纤维断裂，发出劈裂声，最后，GFRP筋中间部分纤维与周围纤维发生剥离，出现抽芯破坏，破坏时发出“砰”的声音，同时GFRP筋在试验机夹具夹持部分也出现横向挤压破坏，如图1(b)所示。筋的破坏形式为典型的脆性破坏。

图1 环氧树脂和聚酯树脂GFRP筋破坏后试件
Fig. 1 Epoxy resin and polyester resin GFRP belt damage after the test pieces

综上所述，环氧树脂、聚酯树脂筋理想的纤维含量为65%，环氧树脂筋的抗压强度比聚酯树脂筋的高。

2 冻融循环试验

2.1 试验方案

冻融循环试验采用上海启鹏工程材料科技有限公司的锚杆(如图2所示)，试验在高低温试验箱进行。试验参照ASTM标准(美国试验与材料协会)对锚杆分别进行50,100及150次冻融循环加载，每202 min一个冻融循环[11]。低温(-17.8± 2) ℃保持1 h后，以2 ℃/min的升温速率升至(4.2±2) ℃(共计11 min)，高温(4.2±2) ℃保持2 h以充分解冻，再以2 ℃/min的降温速率降至(-17.8±2) ℃(共计11 min)。

图2 GFRP锚杆试件
Fig. 2 GFRP bolt

2.2 试验结果

冻融循环50,100及150次，对外观颜色和质量进行测定。结果显示：试件外观颜色和质量未发生改变。冻融循环前、后锚杆的拉伸强度和弹性模量的试验结果见表2。

从表2中可以看出，GFRP 锚杆冻融后，随着弹性模量的增加，拉伸强度下降，但两者的变化均不大。随着锚杆延性的降低，材料变得更加脆了，但影响并不显著。耐久性设计时，可以不考虑冻融的影响。

表2 冻融前、后锚杆拉伸强度和弹性模量的变化
Table 2 Changes of tensile strength and elastic modulus of anchor bolts before and after freezing and thawing

循环次数/次平均拉伸强度/MPa冻融循环强度改变量/%平均弹性模量/GPa冻融循环弹性模量的改变量/%0692.8042.40050673.3-2.8143.141.75100662.7-4.3443.542.69150631.6-8.8344.073.94

3 长期荷载下GFRP锚杆的粘结性能

3.1 试验方案

粘结试验采用拉拔试验，构建混合体立方体试块(边长为150 mm)。锚杆的粘结长度为4d(d为锚杆直径)。为减小GFRP锚杆在试块端部的局部压力，在锚杆与混凝土之间通过PVC套管进行隔离，如图3所示。混凝土强度等级为C30；采用普通硅酸盐水泥；石子为粒径<18>mm的普通碎石。水泥、水、砂子及石子的配合比为1∶0.4∶1.25∶2.25。试验前测得混凝土立方体抗压强度的平均值为25.6 MPa，如图4所示。

图3 试验试件模型(单位：mm)
Fig. 3 Model of test specimens(unit:mm)

将浇筑养护后的试件置于图4所示的力学支架上进行加载。加载时间为1 000 h和2 000 h；加载大小分别为粘结强度的5%(2.75 kN)和10%(5.5 kN)。加载结束后，取下试件，再进行拉拔试验。拉拔试验在电子万能材料试验机进行，由计算机自动控制。

图4 浇筑养护后的试件
Fig. 4 The test piece after pouring the maintenance

3.2 试验结果

不同加载时间作用下，GFRP锚杆粘结性能的变化结果见表3。从表3中可以看出，在长期荷载作用下，粘结强度和滑移均有所下降，但变化不大。在相同荷载作用下，加载1 000 h和2 000 h，粘结强度的变化率和峰值滑移的差别很小。这表明长期荷载对GFRP锚杆粘结性能和滑移的影响较小。

表3 锚杆与混凝土粘结性能的变化
Table 3 The change of bolt and concrete bond performance

加载时间/h长期荷载值/MPa粘结强度/MPa粘结强度变化率/%峰值滑移/mm峰值滑移变化率/%0014.690.0011.140.0010000.714.52-1.1611.493.1410001.414.48-1.4611.553.6820000.714.49-1.3611.553.6720001.414.29-2.7112.048.07

4 GFRP锚杆的锚固机理的数值分析

4.1 接触单元的选取

通过ANSYS有限元软件，运用Targe170 和Cantcat174模拟锚杆与混凝土的粘结。设锚杆与砂浆之间的摩擦系数为0.4，砂浆与岩土之间的摩擦系数为0.7。GFRP筋的弹性模量为43 GPa，泊松比取0.25；砂浆浆体弹性模量为3×104 MPa，泊松比取0.2。土体的粘聚力为30 kPa，摩擦角取25，弹性模量取35 MPa。

4.2 不同直径GFRP锚杆的粘结性能

不同直径GFRP锚杆荷载与位移的关系如图5所示。从图5中可以看出，GFRP锚杆直径的增加对抗拔能力的提高只起到略微的作用，而大直径锚杆的滑移量却相对有所增加。如图9中放大图所示，当锚头位移小于1.5 mm时，直径越小的GFRP锚杆抗拔能力越强。当锚头位移超过3 mm时，GFRP筋的直径越粗，其抗拔能力越强。其原因是锚杆的承拉能力与筋的粘结面积成正比，截面周长决定着粘结面积的大小。单位面积上粘结周长越大，抗拉效果越好。而直径越大，筋周长与面积的比值越小，粘结面积也相对减小。

图5 不同直径GFRP筋荷载与位移的关系
Fig. 5 Relationship between load and displacement of GFRP bars with different diameters

4.3 岩土体参数对锚固性能的影响

岩土体弹性模量为30 MPa，摩擦角为20°，粘聚力分别为20,40,50,60及80 kPa。拉拔力为150 kN时粘聚力与锚头位移的关系如图6所示。从图6中可以看出，锚固土体粘聚力的大小对锚头位移的变化影响较大。在强粘聚力作用下，随着锚头位移的减小，锚杆的抗拔能力提高。

图6 粘聚力与锚头位移的关系
Fig. 6 Relationship between cohesive force and displacement of anchor head

4.4 不同岩土体的荷载与滑移的关系

对几种代表性岩土体(岩土体参数见表4)进行分析，不同岩土体荷载与滑移的关系如图7所示。从图7中可以看出，不同岩土体下GFRP锚杆固体极限抗拉承载力的相差较大，其由大到小的顺序为：沙土、粘土、全风化岩体、强风化岩体及弱风化岩体。因此，在GFRP锚杆施工过程中，需要对较差的土体进行改善。对于土质较好岩土体，抗拉强度虽高，但锚杆易发生较大的滑移。且当受到较大的外荷载作用时，锚杆易出现脆性破坏。其原因是GFRP筋的弹性模量远小于弱风化岩土体的，在外荷载作用下，GFRP筋极易发生瞬间破坏。

表4 岩土体参数
Table 4 Soil parameters

岩土重度/(kN·mm-3)粘聚力/kPa摩擦角/(°)弹性模量/MPa沙土1903030粘性土19.5302035全风化岩21262870强风化岩224530140弱风化岩267035200

图7 不同岩土体荷载与滑移的关系
Fig. 7 Relationship between load and slip for different soils

4.5 不同预应力对GFRP锚杆粘结性能的影响

对GFRP锚杆单元设置一初始应变，模拟锚杆的预应力。锚杆直径为32 mm，预应力分别为100，150及200 kN，GFRP锚杆的轴力与锚固长度的关系如图8所示。从图8中可以看出，加载端部的轴力与锚杆的预应力较为接近，受到锚杆粘结力和摩擦力的双重作用，锚杆的轴力随着锚固长度的增加而不断减小，且锚固段的受力深度≤1 000 mm。这表明：GFRP锚杆在预应力作用下的粘结力集中于加载端部，并非均匀分布于整个锚固段。当达到一定的锚固深度时，粘结力并会骤降。

图8 锚杆轴力与锚固长度的关系
Fig. 8 Relationship between axial force and anchor length

杆体界面剪应力与锚固长度的关系如图9所示。从图9中可以看出，由于预应力的作用，GFRP锚杆在锚头位置处剪应力相对较小。剪应力在距加载端100～600 mm区间处急剧增加，且在600 mm左右处达到峰值，随后在600～ 1 000 mm 区间处急剧减小，在1 500 mm之后逐渐稳定并接近于零，且预应力越大，峰值剪应力越大。

图9 剪应力与锚固长度的关系
Fig. 9 Relationship between shear stress and anchorage length

因此，锚杆的剪应力位于加载端，而最大剪应力位于距加载端600 mm附近，且峰值点并不随预应力的大小而改变；剪应力的有效作用深度不超过 1 000 mm。

5 结论

1) 环氧树脂GFRP筋的综合性能优于聚酯树脂GFRP筋的，它们的最佳纤维含量均为65%。

2) GFRP锚杆的抗冻融性能较好，冻融后弹性模量的增加而强度下降，但冻融前、后锚杆的性能变化较小，在设计施工时可忽略其影响。长期荷载下，锚杆粘结性能的变化很小。

3) GFRP锚杆的直径越大，抗拔能力越强，但滑移却相对有所增加。锚固岩土的延性越好，GFRP锚杆的抗拔承载能力和极限抗拉承载力 越强。

4) 预应力GFRP锚杆在加载端存在剪应力集中现象，但影响范围小于1 m。预应力对剪应力的有效深度和峰值位置的影响很小。

参考文献(References)：

[1] Saadatmanesh H,Ehsani M R.RC beams strengthened with GFRP plates I:Experimental study[J].Journal of Structural Engineering,1991,117(11):3417-3433.

[2] Ogin S L,Smith P A,Beaumont P W R.Matrix cracking and stiffness reduction during the fatigue of a (0/90) s GFRP laminate[J].Composites Science and Technology,1985,22(1):23-31.

[3] 胡金星.GFRP锚杆锚固性能研究与分析[D].长沙:中南大学,2012.(HU Jin-xing.The research and analysis on the anchoring performance of GFRP bolts[D].Changsha:Central South University,2012.(in Chinese))

[4] 程良奎.岩土锚固的现状与发展[J].土木工程学报,2001,34(3):7-13.(CHENG Liang-kui.Present status and development of ground anchorages[J].China Civil Engineering Journal,2001,34(3):7-13.(in Chinese))

[5] 欧阳煜.玻璃纤维(GFRP)片材加固混凝土框架结构的性能研究[D].杭州:浙江大学,2001.(OUYANG Yu.Behavior study on concrete structure reinforced with GFRP sheets[D].Hangzhou:Zhejiang University,2001.(in Chinese))

[6] 黄杨,方园,刘伟庆,等.基于微观分析的GFRP浸水老化弯曲性能研究[J].玻璃钢/复合材料,2014,12:74-78,56.(HUANG Yang,FANG Yuan,LIU Wei-qing,et al.Flexual behavior of GFRP sheets immersed in water based on the microstructure analysis[J]. Fiber Reinforced Plastics/Composites,2014,12:74-78,56.(in Chinese))

[7] 叶列平,冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报,2006,39(3):24-36.(YE Lie-ping,FENG Peng.Application and development of fiber-reinforced polymer in engineering structures[J].China Civil Engineering Journal,2006,39(3):24-36.(in Chinese))

[8] 高磊.GFRP锚杆抗拉特征及破坏机理试验研究[D].郑州：华东水利水电学院，2007.(GAO Lei.Experimental study on tensile character and faiture mechanism GFRP rebar[D].Zhengzhou:North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,2007.(in Chinese))

[9] 姜天华.碳纤维复合材料(CFRP)在土木建筑结构中的应用及其前景[J].武汉交通管理干部学院学报,2001,3(1):77-80.(JIANG Tian-hua.Application and prospects of carbon fiber composite (CFRP) in civil building structures[J].Journal of Wuhan Communication Management Institute,2001,3(1):77-80.(in Chinese))

[10] 李建国,王兴华,钱民中,等.GB/T 13096-2008,拉挤玻璃纤维增强塑料杆力学性能试验方法[S].北京:中国标准出版社,2008.(LI Jian-guo,WAN Xing-hua,QIAN Min-zhong,et al.GB/T 13096-2008,Test method for mechanical properties of pultruded glass fiber reinforced plastic rods[S].Beijing:China Standards Press,2008.(in Chinese))

[11] 罗小勇，唐谢兴，孙奇，等.冻融作用下GFRP筋粘结性能试验研究[J].铁道科学与工程学报， 2014(5)：1-4.(LUO Xiao-yong,TANG Xie-xing,SUN Qi,et al.Experimental study on bond behavior of GFRP rebar under freeze-thaw cycles[J].Journal of Railway Science and Engineering,2014(5)：1-4.(in Chinese))

Experimental study on the comprehensive performance and anchoring mechanism of GFRP bolt

LIU Wen-xian1, TIAN Cheng-yu2, WANG Xue-lian1

(1.College of the Flight Engineering,Guangzhou Maritime University, Guangzhou 510330, China;2.Scientific Research and Design Institute, Sinohydro Bureau 8 Co., Ltd., Changsha 410007, China)

Abstract：The preparation process of GFRP bolt was introduced in detail.The influence of component parameters on GFRP bolt was analyzed.The freeze-thaw cycle test and long-term loading test were carried out.The anchoring mechanism of GFRP bolt in different diameter,rock and soil and prestress were studied by the finite element numerical simulation.It shows that the optimal fiber content of GFRP tendons is 65%,GFRP bolt has good freezing-thawing resisting performance, and the long-term load has little influence on the bond behavior of the anchor bolts.The improvement of soil properties can significantly improve the ultimate tensile bearing capacity of GFRP anchor solid and the scope of the impact of prestressed GFRP bolt is not more than 1 m.

Key words：GFRP bolt; anchor bolt; anchorage

收稿日期：2016-06-22

基金项目：广东省交通科技资助项目 (2013-02-020)；中国水利水电建设股份有限公司科研资助项目；广州航海学院创新强校科研资助项目(B510627)

作者简介：刘文娴(1979-)女,广州航海学院讲师，硕士。

文章编号：1674-599X(2016)04-0069-06

中图分类号：TU599

文献标识码：A