公路岩质边坡BFRP锚杆(索)支护设计及应用研究

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(1.广东省路桥建设发展有限公司， 广东 广州 510000; 2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院， 四川 成都 610031)

公路岩质边坡BFRP锚杆(索)支护设计及应用研究

王安福1，赵文2，李勇1，高先建2，张黎明1

(1.广东省路桥建设发展有限公司， 广东 广州 510000; 2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院， 四川 成都 610031)

通过BFRP筋材与砂浆粘结强度试验，基于现行公路路基设计规范，提出BFRP锚杆(索)支护设计方法及参数建议值。通过实际工程应用中BFRP锚杆(索)受力特征长期监测，并与传统钢筋锚杆和钢绞线锚索受力进行对比，验证BFRP锚杆(索)在公路岩质边坡支护中的可行性。研究结果表明，砂浆与BFRP锚杆间粘结强度标准值可取4.0 MPa，BFRP筋材极限抗拉强度标准值可取700 MPa。BFRP锚杆(索)受力特征与传统锚杆(索)类似，按等强度原则设计采用BFRP筋材锚杆(索)代替传统锚杆(索)加固公路岩质边坡是可行的，且经济优势明显。

岩质边坡； BFRP锚杆； 支护设计； 试验研究

0 引言

锚杆(索)加固在岩土工程领域应用广泛。然而，传统钢筋锚杆或钢绞线锚索容易锈蚀，导致锚固系统失效。玄武岩纤维复合筋(Basalt Fiber Reinforced Polymer简称 BFRP)具有耐腐蚀、强度高、质量轻、抗疲劳、与注浆体粘结性能较好等优点[1]。利用BFRP筋材替代钢筋作为杆体材料，能很好地解决岩土锚固工程的锚杆杆体材料的腐蚀问题，对结构的安全性和耐久性提供一定的保障。BFRP筋材在岩土工程中已有初步应用，如郭成鹏等研究表明BFRP 筋作为锚杆在工艺上可行，在性能上能满足相关要求，适宜应用于岩土锚固工程[2]。

目前BFRP筋材研究的较多的是其物理力学性能，以及应用于岩土工程的可行性等[3,4]。关于BFRP筋材在边坡工程中实际应用的研究较少。本文根据BFRP筋材与砂浆粘结强度试验，提出BFRP筋材锚杆(索)支护公路岩质边坡的关键设计参数。基于《公路路基设计规范》(JTG D30 — 2004)[5]，采用等强度替代的原则，提出BFRP锚杆的设计方法，通过现场对比试验评价BFRP筋材锚杆(索)应用效果，验证BFRP锚杆(索)支护应用的可行性。

1 BFRP筋材与砂浆粘结强度

采用中心拉拔试验方法，标准粘结试件参考《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152 — 92)中的设计规定。拔出试件尺寸采用边长为10倍筋材直径的砂浆立方体试件。为避免加载端应力集中，采用将粘结区设置在试件低端，在加载端设置未粘结段，用塑料套管将BFRP筋与砂浆隔离，模拟粘结长度通过调整塑料套管长度来实现[6,7]。试验用砂浆等级为M20、M30，采用的BFRP筋的直径为φ8 mm、φ10 mm、φ12 mm，各制作4根试件。试验结果如表1所示。结果表明，砂浆与BFRP筋材的粘结强度约4.77～ 6.39 MPa。

表1 BFRP与水泥砂浆的粘结强度筋材型号/mm砂浆类型粘结强度/MPa试样1试样2试样3试样4平均值8M20541523491458503M3059361261356859710M20486588423423480M3050148748143747712M20626417515512518M30623613675644639

2 BFRP锚杆(索)边坡支护设计

2.1 设计方法

BFRP锚杆(索)与普通锚杆(索)的主要区别在于材料抗拉强度、与水泥基类粘结强度等不一样，这些关键参数影响锚固段长度的确定。设计方法参照《公路路基设计规范》(JTG D30 — 2004)进行[5]，BFRP锚杆设计取以下公式计算的大值作为锚固段长度。

地层与注浆体间粘结长度L应按下式计算：

(1)

式中：K为安全系数，可采用2.5；Nt为锚杆轴向拉力设计值,kN；d为锚孔直径,m；frb为地层与注浆体间粘结强度,kPa。

注浆体与锚杆体间粘结长度应满足下式：

(2)

式中：n为锚杆体根数；ds为锚杆体直径；β为考虑成束筋材系数，单根β=1.0，2根一束β=0.85，3根一束β=0.7；fb为注浆体与锚杆体间粘结强度，kPa；其它参数同前。

BFRP锚索设计计算每孔BFRP筋材根数n公式如下：

(3)

式中：K为安全系数；Pu为锚索抗拉强度标准值,kPa。

地层与注浆体间粘结长度Lr按下式计算：

(4)

式中：ξ为锚固体与地层粘结工作系数，对永久锚杆取1.00，对临时性锚杆取1.33。

注浆体与锚杆体间粘结长度Lr按下式计算：

(5)

式中:η为锚索张拉筋材与砂浆粘结工作系数，对永久性锚杆取0.60，对临时性锚杆取0.72；dg为锚索材料直径,m。

2.2 关键参数取值

BFRP筋材在酸碱溶液的长期浸泡下强度基本无损[8,9]，是耐腐蚀材料，且发生脆性破坏，应力-应变关系曲线中，材料破坏前呈直线。参照没有屈服平台的钢丝或钢绞线，BFRP筋材的可靠强度可近似取为其极限抗拉强度的80%[6]，BFRP筋材抗拉强度见文献[4]，可靠强度计算结果如表2。

表2 BFRP筋材可靠强度和极限荷载直径ϕ/mm极限抗拉强度/MPa可靠强度标准值fyk/MPa极限张拉荷载Pu/kN612921030338111989056101067850851289171010014917730141

对于工程常用锚杆，其直径一般大于10 mm。可统一取BFRP筋材的抗拉强度标准值为700 MPa。由于BFRP杆体材料受荷达到抗拉强度标准值后，还有较大的强度储备才会发生破坏。故可取BFRP锚杆杆体抗拉安全系数Kt≥1.6(永久锚杆)和Kt≥1.4(临时锚杆)。

根据BFRP筋材与砂浆粘结强度试验，BFRP与砂浆粘结强度为4.17～6.75 MPa，设计时取BFRP与砂浆粘结强度标准值为4.0 MPa。

3 BFRP锚杆(索)工程应用

3.1 工程概况

选择汕揭高速公路K186+895～K187+060段边坡进行BFRP锚杆(索)支护应用试验。该工点为开挖路堑边坡，高约46 m，分5级开挖。设计第1、4级边坡采用锚杆支护，第2、3级边坡采用锚索支护，第5级边坡采用人形骨架植草防护。试验边坡从上到下依次为粉质粘土(6 m)、全风化粉砂岩(10 m)以及强风化粉砂岩，岩层倾向于边坡倾向相同；岩土体参数如表3。该边坡部分采用BFRP锚杆(索)支护设计，并通过布置应力监测元件监测锚固筋材受力，并与普通锚杆和锚索进行对比，分析BFRP边坡锚固效果。

表3 岩土参数建议值岩土层重度γ/(kN·m-3)粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)边坡坡率粉质黏土1922161∶125全风化粉砂岩2023211∶1．0 强风化粉砂岩2126281∶10岩层层面1926

3.2 BFRP锚杆(索)支护设计

工点边坡为顺层边坡，将通过坡脚的层面作为潜在滑动面来进行锚杆(索)的设计计算。利用理正软件计算得边坡的稳定性系数为1.130。按安全系数1.30求得边坡稳定需求锚固力为1000 kN/m。参考《公路路基设计规范》(JTG D30 — 2004)取锚杆、索的水平间距为3 m、沿坡面间距为3 m，锚杆、索与水平线的夹角为15°。锚杆锚固体直径为100 mm，锚索锚固体直径为150 mm，注浆体为M30砂浆。每延米边坡所需要的锚固力为1000 kN，则每3 m边坡所需要的锚固力为3000 kN。第2、3级边坡的3排锚索主要用于防止边坡整体滑动，第1级边坡和第4级的3排锚杆主要用于防止边坡的局部破坏。将边坡需要的锚固力分配到锚杆锚索中，得到各排锚杆(索)的设计锚固力如表4。

表4 锚杆(索)锚固力设计值边坡级数每级边坡的提供锚固力设计值/kN单根锚杆、索锚固力设计值Nt/kN1级240802级15005003级15005004级24080

设计采用的BFRP锚索采用直径为φ14 mm的筋材，其极限张拉荷载Pu为140 kN，取安全系数Kt为1.6。按照式(3)计算每孔BFRP筋材根数n=6。单根锚杆锚固力设计值为80 kN，抗拉安全系数Kt为1.6，采用单根φ14 mm BFRP筋材作为锚杆。

根据规范，锚杆锚固体的抗拔安全系数K为2.5；注浆体与砂岩的粘结应力frb取0.5 MPa；BFRP筋材与M30砂浆粘结强度fb取4 MPa。取式(1)、式(2)计算的大值作为锚杆的锚固段长度L，得到锚固段长度为1.27 m，又因为规范中锚固段长度不宜小于2 m，也不宜大于10 m，综合取锚杆锚固段长度为3 m。

锚索锚固体的抗拔安全系数K为2.0，通过式(4)、式(5)计算得到锚索的锚固段长度La并取大值，得到锚固段长度为4.24 m，规范规定锚固段长度不应小于3 m，也不宜大于10 m，故取锚固段长度为5 m。

由边坡的潜在滑面产状、深度和锚索设计位置，确定锚索的自由段长度为13 m；取锚杆的锚头段长度取2 m，便于张拉，故锚索的设计长度为20 m。锚杆的自由段长度为6 m，锚杆的锚头段长度取1 m。故锚杆的设计长度为10 m。边坡支护设计如图1所示。

图1 边坡支护设计剖面图

3.3 BFRP锚杆(索)受力监测

现场支护试验边坡进行3个断面的BFRP筋材锚杆和2个断面的钢筋锚杆受力监测。每个断面设置2个钢筋计(图2、图3)，每根锚杆上，第1个钢筋计距离坡面3 m，第2个钢筋计距离坡面6 m。此外，共监测3根锚索受力，其中2根BFRP锚索，1根钢绞线锚索。

图2 锚杆(索)监测布置图

图3 BFRP筋材受力监测剖面图

BFRP锚杆受力随时间变化如图4所示。BFRP筋材锚杆自施工完成后，受力有一定的上升，随后数月期间，锚杆拉力略有上升，但变化不大，仅编号401322的钢筋计受力随时间增加较多，该元件位于第2排锚杆距端头3 m处。至整个边坡施工期结束，锚杆拉力基本稳定，整体受力较小，最大约7.0 kN，远未达到锚杆的设计极限抗拔力(80 kN)，也未达到φ14 mm BFRP筋材的极限抗拉强度140 kN。

图4 BFRP锚杆受力监测结果

普通钢筋锚杆受力如图5所示，普通钢筋锚杆受力同样不大，最大约3.6 kN，与BFRP筋材锚杆受力相当，均远低于锚杆的设计强度。目前该边坡整体稳定，边坡支护结构受力很小是正常的。

图5 钢筋锚杆受力监测结果

BFRP筋材锚索与钢绞线锚索受力对比如图6所示，BFRP筋材锚索和钢绞线锚索相比，在张拉完成后初期阶段，BFRP筋材锚索和钢绞线锚索均有预张力损失。后期应力变化与钢绞线锚索应力变化相似。目前BFRP筋材锚索和钢绞线锚索受力均达到稳定。BFRP筋材锚索预张力保持率约90%，钢绞线锚索张拉力保持率约83%，BFRP筋材预张力保持率略优于钢绞线锚索。

图6 BFRP锚索与钢绞线锚索受力监测结果

通过锚杆和锚索的试验对比，表明BFRP筋材锚杆、锚索与普通钢筋锚杆、钢绞线锚索的受力机制类似，相同试验条件下，受力特征相当。

3.4 BFRP锚杆经济性比较

本试验工程采用φ14 mm BFRP筋材代替φ25mm普通钢筋，φ14 mm BFRP筋材当前市场价约4万元/t，折合φ14 mm BFRP(0.322 kg/m)锚杆价格约12.8元/m。普通钢筋市场价约4 000元/t，折合φ25 mm普通钢筋(3.85 kg/m)锚杆价格约15.4元/m。采用BFRP筋材代替钢筋可以节省材料价格约17%。此外，BFRP筋材质量轻，运输方便，且不存在锈蚀的问题，潜在经济优势明显。

4 结论

论文通过试验研究了BFRP锚杆(索)公路岩质边坡锚固应用的可行性，得到如下结论。

1) BFRP锚杆(索)设计可参照《公路路基设计规范》(JTG D30 — 2004)。其抗拉安全系数不小于1.6(永久锚杆)和1.4(临时锚杆)，抗拉强度标准值取700 MPa，与砂浆的粘结强度取4.0 MPa。

2) 现场普通钢筋锚杆与BFRP锚杆受力监测结果表明，BFRP锚杆和普通钢筋锚杆受力特征相似，监测期锚杆受力未达到设计值，边坡稳定。

3) BFRP筋材锚索预加力在锁定后会产生突降，应力下降比钢绞线锚索稍小，其后锚索受力和传统钢绞线锚索受力规律基本一致。

4) BFRP筋材作为锚杆或锚索加固边坡是可行的，且经济优势明显，可按等强度原则代替传统锚杆(索)进行边坡支护设计。

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1008-844X(2017)03-0010-04

U 418.5+2

A

2017-02-06

广东省交通运输厅科技项目(科技-2013-02-012)

王安福(1964-)，男，高级工程师，主要从事公路工程建设与管理研究。