GFRP锚固体系常见破坏模式分析

文建鹏 高战祥

摘 要：锚固体系是一种充分发挥围岩自身承载力的一种经济有效的支护形式，影响锚杆锚固力大小的因素主要有锚杆杆体抗拉强度、锚杆与注浆体界面剪切强度、注浆体内部剪切强度、注浆体与围岩体界面剪切强度，研究GFRP锚固体系破坏形式就是要从以上几个方面分析锚固力的失效模式。

关键词：GFRP锚杆、破坏模式、两界面应力、剪切破坏

1引言

玻璃纤维增强全螺纹塑料筋 （GFRP）是一种新型复合材料，其主要由不饱和的树脂基质和玻璃纤维束组成，玻璃纤维锚杆具有良好工程性能[1-3]。目前，国内外已有很多关于玻璃纤维锚杆用于临时支护的应用实例，但玻璃纤维作为永久支护应用于工程的案例却很少，玻璃纤维锚杆具有良好的抗腐蚀的特性，研究将其作为永久支护形式将具有非常广阔的前景。

GFRP锚杆不仅可以有效解决普通锚杆支作为永久支护的易腐蚀性问题，而且GFRP与混凝土或水泥砂浆具有良好的变形协调能力。玻璃纤维锚杆与普通螺纹钢锚杆的相比在力学性能、性价比等方面也具有明显优势[5]。 在工程实践和试验中发现，GFRP 锚杆抗剪强度、塑性变形比普通钢锚杆差，具有明显的脆断现象。有必要对玻璃纤维锚杆的破坏模式进行系统研究，现分析工程实践中玻璃纤维锚杆的几种常见破坏模式。

2 GFRP锚杆的破坏模式

GFRP锚杆的破坏区域可以归纳为以下5种情况[4]：锚杆杆体和注浆体界面上因粘结强度不足导致的剪切破坏；注浆体内部因强度不足或缺陷产生的导致的倒锥形破坏；注浆体与围岩界面上因抗剪强度不足导致的破坏；围岩体内部因强度不足或缺陷导致的破坏；GFRP锚杆因杆体强度不足导致的破坏。

2.1 GFRP锚杆与注浆体界面的剪切破坏

玻璃纤维锚杆杆体与注浆体界面的剪切破坏是由于锚杆杆体与注浆体界面上的抗剪强度不足导致的，该界面处的抗剪强度主要有：粘着力、机械咬合力与摩擦力。锚固体系在发挥作用时，锚杆杆体与注浆体界面、注浆体内部、注浆体与围岩界面、围岩内部均有剪应力出现，当锚杆与注浆体界面上的剪应力先达到其极限抗剪强度时，就会产生上述破坏形式。锚杆采用光圆杆，锚固长度又不太长，锚杆与注浆体的粘结强度不高等情况下，会发生此种模式的破坏。

2.2 注浆体内部的剪切破坏

锚固体系在受力时，锚杆周围锚固体的应力分布十分复杂，目前为止，关于这方面的力学特性的研究比较少。锚固体系中注浆体主要承受沿荷载方向的拉应力和垂直与荷载方向的剪应力，而注浆体的抗拉强度和抗剪强度都很小，达到其极限抗拉或抗剪强度时，即锚固体系就发生注浆体内部的剪切破坏。这种破坏形式一般发生在锚固直径比较大，锚杆杆体与注浆体界面、注浆体与围岩界面、围岩体内部都有较高的抗剪强度，在荷载传递时，注浆体内部的存在缺陷或达到其抗拉或抗剪强度时，注浆体内部出现锥形破裂面，锚杆连同部分注浆体被拔出。

2.3注浆体与岩土体界面剪切破坏

注浆体及岩土体是两种不同的材料，其物理力学性质可能相差较大，注浆体与岩土体之间就会形成薄弱面，该界面往往是锚固体系中最薄弱的环节。锚固体系锚固力的大小主要取决于该界面的粘结强度，该界面上粘结强度的大小主要与注浆体与岩土体的弹性模量和强度有关。

大量试验表明，该种破坏模式与锚孔的粗糙程度和注浆体与岩土体的相对强度有关，通过提高锚孔的粗糙程度可以大大提高注浆体与围岩的粘结力、摩擦力以及机械咬合力，进而提高界面抗剪强度。界面剪切破坏面的具体位置取决于注浆体与岩土体的相对强度，当岩土体的强度高于注浆体的强度时，破裂面就会偏向注浆体一侧，此时界面强度由注浆体的物理力学特性所决定。相反，当岩土体的强度比注浆体的强度低时，破裂面就会偏向岩土体一侧，此时界面强度与岩土体的物理力学特性有关。

2.4 岩土体内部剪切破坏

锚固体系破坏时破裂面没有在注浆体内以及其界面上，而是存在于距注浆体与岩土体界面一定距离的岩土体内部。岩土体内部的剪切破坏形态表现为锚固体和部分岩土体呈锥形被拔出，可以根据破裂面锥形区域内的抗剪强度来确定锚固体系锚杆的最大锚固力。岩土体往往是分布着节理和各种缺陷的非均质体，如何正确确定破裂面的范围以及形状是利用锥形体计算极限锚固力的关键。在极限拉拔荷载作用下，岩土体锥形破裂面的具体形状，到目前为止，普遍被人们接受的假设为[6]：破裂面为圆锥面，在地表处该破裂面与水平面成（45°-φ/2）夹角。根据埋深的不同分别研究发现，当锚杆锚固深度较浅时破裂面形状近似呈抛物线型，当锚固深度较深时破裂面假近似呈圆柱型。

2.5 GFRP錨杆杆体的破坏

锚固体系中，两个界面（CFRP锚杆杆体与注浆体界面、注浆体与岩土体界面）上的抗剪强度较高，岩土体比较完整且强度较高，锚杆杆体因锈蚀或者自身缺陷时，两个界面上和岩土体内应力还没有达到极限抗剪强度，锚杆自由段的抗拉强度或者锚固段的抗剪强度已经达到其极限，这是锚固体系的破坏表现为锚杆杆体的破坏。

锚杆拉拔力的方向和玻璃纤维锚杆体纤维丝是平行的，玻璃纤维锚杆沿纤维方向具有较高的抗拉强度，在锚固段，荷载传递时，螺纹锚杆与注浆体之间产生能阻止相对滑动的机械咬合力，其力的方向和纤维丝是交叉的，因此，发挥作用的主要是纤维丝的剪切强度。玻璃纤维的抗剪强度远远小于其抗拉强度，虽然锚固段锚杆沿杆体所受的拉应力比自由段衰减很多，但由于锚杆拉拔产生的剪应力却有可能大于玻璃纤维的抗剪强度，从而引起破坏。

3结论

锚固体系的破坏是一个锚杆杆体、注浆体和围岩体三种介质相互作用的复杂过程，但是经过大量的实验证明，控制玻璃纤维锚杆锚固体系破坏的主要因素是：锚杆杆体与注浆体界面抗剪强度与注浆体与岩土体界面抗剪强度。两个界面的力学性质对锚固体系极限承载力起决定性作用，两个界面的力学性质受到锚杆表面的形态、锚杆直径、锚固剂（注浆体）性质、岩土体性质等因素的影响，所以要研究两界面的力学性质就要综合考虑以上因素，这是未来研究玻璃纤维锚杆锚固机理研究的方向。

参考文献

[1]闫莫明，徐祯祥，苏自约主编.岩土锚固技术手册[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]贾新，袁勇，李焯芬.新型玻璃纤维增强塑料砂浆锚杆的黏结性能试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006，10（10）：2108～2114

[3] 袁勇，贾新，闫富友.岩石GFRP锚杆的可行性研究[J].公路交通科技，2004，21（9）

[4]李国维， 高磊. 全长黏结玻璃纤维增强聚合物锚杆破坏机制拉拔模型试验[J]. 岩石力学与工程学报， 2007， 26（8）： 1653-1663.

[5]李国维，刘朝权，黄志怀，蔡业青. 应用玻璃纤维锚杆加固公路边坡现场试验[J]. 岩石力学与工程学报，2010，29（2）：4056-—4062

[6]朱焕春，荣冠.张拉荷载下全长粘结锚杆工作机理试验研究[J].岩石力学与工程学报，2002，21（3）：379～384.