玄武岩纤维增强聚合物锚杆用于边坡支护工程之研究现状

白晓宇， 井德胜， 王海刚， 闫 楠, 2， 王永洪, 2， 张明义*

(1.青岛理工大学土木工程学院， 青岛 266033；2.山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心， 青岛 266033)

近十年来，随着城市化的加速，城市地上可利用空间急剧减少，地上交通日益繁重，交通网络日益烦琐。各级政府纷纷改变方向，把目光投向地下空间。据国家统计局相关报道，截至2018年底，地铁已经遍布全国43个城市，总里程达到5 295 km，根据近十年增长情况可推测，今后仍然会以每年550 km的速度增长[1]。

作为最常用的一种边坡防护方式，锚杆的支护效果及稳定性一直被业界看好[2]。而传统金属锚杆存在着难以根除的弊端，其耐腐蚀性很差，对于临时防护，其弊端可能不够突出。而相对于地下永久性锚固结构，复杂的地下腐蚀环境，其耐久性根本难以保证。虽然有不少学者给出了金属锚杆的抗腐蚀措施[3-6]，但仍然难以弥补这一缺陷。并且，随着矿产资源不断消耗，很多不可再生资源，尤其是铁矿石资源，早就难以保证其日趋增长的需求量，寻找金属锚杆的代替品显得迫在眉睫。

在人们不断寻找的钢筋替代品中，继玻璃纤维复合增强聚合物(glass fiber reinforced polymer，GFRP)、碳纤维复合增强聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)、芳纶纤维复合增强聚合物(aramid fiber reinforced polymer，AFRP)被熟知后，玄武岩纤维复合增强聚合物(basalt fiber reinforced polymer，BFRP)走进人们的视野[7-8]。20世纪早期，法国Paul[9]发明了“玄武岩纤维制造技术”。20世纪80年代，苏联研制成功并实现工业化生产[10]。进入21世纪，中国才开始针对玄武岩纤维材料采取针对性的措施。一些高校、科研院所联合制造商先后进行产品的生产、试验及优化，随着生产工艺的日趋娴熟，研究者对玄武岩纤维材料基本性能进行研究，随着研究不断深入，开始将制品应用于工程。因其巨大的经济和环境效益，先后在2001年6月，中国同俄罗斯政府合作实施了“高新科技合作项目”；2002年5月深圳市将其写入“科技计划”，同年8月被国家列入“863计划”；2004年5月被列入国家级火炬计划[11]。在国家大力推动下，BFRP锚杆的研究正在积极推进。

早期，吴智深团队[12-13]、吴刚等[14]、陈尚建等[15-16]、陈绪军等[17]率先对玄武岩纤维材料本身属性及其复合材料性能进行研究，他们通过将BFRP应用在混凝土加固工程，桥梁拉索结构以及道路沥青面层施工中，都得到了不错的效果，充分验证其在工程应用中的可行性，而且其认为玄武岩纤维材料在未来的建筑行业将发挥不可估量的作用。现对BFRP锚杆试验研究进展进行归纳总结，以为BFRP锚杆在边坡支护工程中的设计及发展有所参考。

1 BFRP锚杆简介

1.1 BFRP筋的基本组成

玄武岩纤维是以天然玄武岩拉制的连续纤维，是一种名副其实的绿色、环保材料，继碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维后受到广泛好评，是目前大范围推广的纤维增强材料。BFRP锚杆是将浸泡于合成树脂等基体材料中的玄武岩纤维，掺入适量辅助剂后，经多次连续拉挤工艺及特殊的表面处理后形成的一种新型复合材料锚杆[18]，如图1所示[19]。由于玄武岩纤维材料具有抗拉强度高(同规格普通钢筋的3倍)、耐腐蚀、介电性好、无毒且不燃等优点，被作为钢筋锚杆的良好替代品[20-22]。有研究表明，BFRP筋的造价成本要比相同规格的钢筋制品节约20%左右。玄武岩纤维与环氧树脂主要性能指标如表1所示[22]。

图1 BFRP筋和GFRP筋实物图Fig.1 Physical diagrams of BFRP bars and GFRP bars

表1 玄武岩纤维与环氧树脂主要物理力学指标Table 1 Main physical and mechanical indexes of basalt fiber and epoxy resin

1.2 BFRP锚杆边坡锚固的工作原理

在边坡支护中，由于BFRP预应力锚杆比BFRP普通锚杆受力更加可靠，加固效果更好，所以目前大多采用预应力型[24]。BFRP预应力锚杆与普通金属锚杆类似，主要由锚杆、锚具、锚固体三部分构成，如图2所示。通常情况下，将BFRP锚杆与边坡外坡面固定端称之为外锚固段，BFRP 锚杆与锚固浆体间锚固段称之为内锚固段；把BFRP锚杆杆体与锚固浆体称之为第一界面，把锚固浆体与边坡土(岩)体称之为第二界面[25]。BFRP锚杆锚固如图3所示，其锚固力存在于两阶段。锚杆预应力使得周围土体处于受压的稳定状态，也就是锚杆主动受载阶段；随着荷载的增大，锚杆预应力被耗尽，由锚杆轴向拉力逐渐增大，也就是锚杆被动受载阶段。无论主动还是被动，都是实现锚固段的第一、第二界面力与端头垫板承载力形成平衡机制[26]。

图2 BFRP锚杆效果图Fig.2 Effect diagram of BFRP anchor

1为锚具；2为垫板；3为锚固墩；4为杆体;5为锚固砂浆图3 BFRP锚杆构造示意图Fig.3 Schematic diagram of BFRP anchor structure

2 BFRP锚杆试验研究进展

21世纪以来，随着玄武岩纤维材料走进大众视野，因其优异的化学稳定性和良好的力学性能[27]，许多高校、企业开始着手对其研究，试图寻找其更大的利用价值，例如可以取代不可再生资源(铁矿石等)。近十年，玄武岩纤维材料作为锚固构件被引入到边坡防护工程中，中国在这方面研究更晚，且目前研究大多处于理论研究阶段，现场试验较少。对BFRP锚杆的研究主要从以下几个方面论述：BFRP锚杆基本力学性能、耐久性、黏结性能、BFRP锚杆边坡支护的安全系数及BFRP现场锚固试验。

2.1 BFRP锚杆的基本力学性能

为了探究BFRP锚杆在边坡工程中应用的可行性，必须对其力学特征进行分析。其基本力学性能指标是BFRP锚杆的工程设计的重要参考。通常，研究者通过对试件进行拉伸试验，得出荷载-位移曲线，经过数值处理得出抗拉强度、弹性模量、伸长率等指标。

由《结构加固修复用玄武岩纤维复合材料》(GB/T 26745—2011)[28]可知，依据荷载(应力)-应变曲线所采集的数据，按式(1)计算可以得到拉伸强度：

(1)

式(1)中：fu为拉伸强度，MPa；Fu为弹性阶段拉伸荷载最大值，N；A为试件的横截面面积，mm2。

拉伸弹性模量通过20%～60%拉伸弹性阶段的荷载最大值之间的荷载-应变曲线按式(2)计算：

(2)

式(2)中：E为拉伸弹性模量，MPa；ΔF为20%和60%拉伸弹性阶段的荷载最大值的荷载差值，N；Δε为对应20%和60%拉伸弹性阶段的荷载最大值的应变差值。

近年来，BFRP材料受众多研究者推崇，其基本力学的试验研究较多。霍宝荣等[18]通过对不同玄武岩纤维掺量的BFRP筋进行室内拉拔试验，结果表明筋材受拉弹性模量随玄武岩纤维掺量的增多而变大、得出其抗拉强度、拉伸模量等部分量化指标。为了提高数据的精确性。顾兴宇等[29]在BFRP筋生产过程中就将光纤检测计植入体内，得出了同样的结论。部分学者通过对比多种纤维增强材料，可以直观看出BFRP的特点。刘纪峰等[30]通过对直径为8、10、12 mm的BFRP和GFRP六种锚杆进行张拉对比试验，如表2所示。发现抗拉强度最大为BFRP筋，其次为GFRP筋，平均极限抗拉强度比GFRP的大9.4%，为HRB335钢筋极限强度标准值的1.93倍，同时BFRP筋和GFRP筋的密度只为HRB335钢筋的1/5～1/4。曹晓峰等[31]对多种不同直径BFRP筋进行拉拔试验，得出了类似的试验结果，并且在进行的剪切试验中，得出其抗剪强度要略低于钢筋锚杆。BFRP筋、GFRP筋及HRB335钢筋主要规格和性能指标如表2所示。

表2 BFRP筋、GFRP筋及HRB335钢筋主要规格和性能指标

注：本表依据《公路工程玄武岩纤维及其制品第4部分：玄武岩纤维复合筋》(JT/T 776.4—2010)中第6条[32]；《土木工程用玻璃纤维增强筋》(JG/T 406—2013)中的第5条[33]。

2.2 BFRP筋耐腐蚀性能

在边坡防护工程的永久锚固体系中，锚固构件的耐腐蚀性直接影响其长期工作性能。BFRP筋的耐腐蚀性远高于钢筋锚杆，微观上认为，其根本原因在于BFRP筋原材料之一玄武岩纤维主要是由SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、Na2O、K2O等氧化物组成，正是这些氧化物赋予了玄武岩纤维优异的耐腐蚀性[34]。郑劲东等[35]通过对比玻璃纤维成分发现，玄武岩纤维存在特有的MgO、Na2O、K2O、TiO2等成分，这也造就了BFRP具有较强的耐腐蚀性能，尤其是碱环境中的耐蚀性俱佳。

近年来，研究者将BFRP筋浸入酸、碱、盐、去离子水中，模拟地下腐蚀环境，探讨其腐蚀机理。霍文静等[36]、张志春等[37]等对BFRP筋进行室温下的耐腐蚀试验发现蒸馏水及强碱溶液对BFRP筋的抗拉强度与拉伸模量影响较小。Altalmas等[38]将BFRP筋、CFRP筋、GFRP筋三种筋材放在相同的腐蚀环境下，对比发现，不论是耐腐蚀性，还是与混凝土的黏结强度，都彰显了BFRP筋的优势。杨国梁[39]将不同直径的BFRP筋浸泡于酸、碱溶液中30 d，取出测其强度，得出其强度保留率均高达93%。Wu等[23]通过对6 mm的无应力BFRP筋进行室内长期耐久性试验，基于Arrhenius理论，将试件放在不同腐蚀环境中，对比发现BFRP筋在酸、盐和去离子水作用下，对耐久性的影响小于在碱性溶液作用下的BFRP筋，如图4所示。其他进行耐腐蚀性试验的研究者，与Li等[40]、Wu等[41]也得出相同的结论。

图4 试验装置效果图Fig.4 Effect diagram of the test device

2.3 BFRP锚杆的黏结性能

在锚杆支护工程中，BFRP筋能否取代钢筋，除了其本身属性满足外，与锚固剂之间的协调工作性更要满足要求，由于BFRP锚杆的黏结性能的影响因素较为复杂，近年来一直作为研究者的热点话题，通常锚固体-岩土体界面黏结问题比较单一，可以通过工程措施加以改善。而锚筋-锚固体界面问题就显得复杂多样。通过查阅相关文献[42-47]，其影响因素主要包括：①BFRP筋生产工艺(直径、表面形状、有无弯钩等)；②锚固剂类型(配合比、强度等)；③施工工艺(黏结长度、黏结方式、保护层厚度等)；④环境。传统单因素分析方法在研究FRP筋黏结性能时，显然，试验工作量较大，周期较长，而且费时、费力。而采用多因素分析方法的正交试验就显得高效。

由于BFRP锚杆各向异性的特点，在进行拉拔试验前，都用到了特殊的端头夹持装置。并且大多将固定端利用钢套管包裹的锚固形式[48-50]。吴芳[48]提出筋材黏结破坏形式有拔出破坏和劈裂破坏，并把受力过程分为：微滑移、滑移、拔出、下降以及残余五个阶段。而张绍逸[49]认为BFRP筋在拉拔试验中的破坏形式有断筋破坏、拔出破坏和劈裂破坏，其在对96个中心拉拔试件进行正交试验，发现BFRP筋与混凝土的黏结强度范围为8.07～32.1 MPa，在进行灰色关联度分析中，认为混凝土强度、锚杆直径、黏结长度是影响BFRP锚杆黏结强度的主要原因。张天鹏[50]也证实，并得出混凝土强度影响最大，黏结长度和黏结宽度次之的结论。沈新等[51]针对不同螺纹形态这一影响因素的试验发现，有螺纹筋明显高于无螺纹筋，且得出黏结强度范围介于11.592～23.578 MPa。在已有的BFRP筋黏结性能研究中，很显然，关于BFRP黏结性能的定性指标较稳定，但量化指标差异较大。究其原因，在试验过程中，没有相关规范做参考，大部分试验方法依据改良后原有规范下进行的，其次他们使用的BFRP杆体来自不同生产厂家，产品性能也存在较大差异。

2.4 BFRP锚杆边坡支护的安全系数

在边坡防护中，锚杆用于锚固卸载后的松动岩土体，防止被锚固体发生较大位移，从而导致大面积整体塌方，避免人员和财产损失。在锚杆边坡支护参数的选取中，通常对锚杆的抗拉安全系数、杆体-锚固体界面及锚固体-岩土体界面黏结安全系数进行设计。由于支护结构所属行业不同，所以其遵照的规范也不同，导致所取的安全系数也不同。目前，针对BFRP锚杆边坡支护安全系数的研究较少，研究者普遍在传统钢筋锚杆支护设计参数的基础上，根据BFRP筋的特性做适当调整。

由于参考的标准、环境地质、结构的安全等级等差异，划分了不同的安全系数。其中，锚杆的张拉强度安全系数是基于对锚栓特性的认识。安全系数也与锚杆受拉后的储备强度有关。Cosenza等[52]取FRP筋的抗拔安全系数为2.5进行拉拔试验，试验结果符合日本土木工程学会(JSCE)规程。郭成鹏等[53]参考钢筋锚杆相关规范，对一土质边坡进行BFRP锚杆支护设计，拉拔安全系数取值为2.0。由于BFRP筋与钢条材料属性的不同，将BFRP锚的安全系数分为张拉强度安全系数和拉出安全系数。拉出安全系数包括锚杆与注浆之间、注浆与地层之间的黏结安全系数。Zhu等[54]提出了非预应力BFRP锚杆在支护土质边坡中的设计参数，认为非预应力BFRP筋的抗拉强度安全系数：永久性结构不低于1.6，临时性结构不低于1.4。材料的安全系数反映了材料特性的差异和结构抗力的计算模式。高先建[55]认为，对于FRP筋来说，材料安全系数的确定必须考虑FRP筋线弹性、脆性等性质，同时也要考虑材料在制造和运输过程中损耗、试验采用的筋与结构应用的筋在材料性质上的差异及温度和环境条件对FRP筋物理化学性能的影响。

2.5 现场试验

近年来，有部分研究者在充足的室内试验及较完善理论数据的前提下，开始着手进行现场试验初探。由于缺乏相关设计规范或行业标准，通常根据传统钢筋锚杆《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)[56]、《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)[57]等相关规范规程进行设计。

赵文等[58]通过对土质边坡进行现场试验，对BFRP锚杆和钢筋锚杆进行为期8个月的受力与变形监测。试验结果表明，如图5所示，根据不同测点的监测数据，直径为14 mm的BFPR锚杆与直径25 mm的HRB335钢筋锚杆受力特征相似，从而，得出BFRP锚杆代替金属锚杆的可行性。同年高岩川[59]在岩石边坡对BFRP锚杆与钢筋锚杆进行现场对比试验，如图6所示，采用与文献[58]同规格试件，锚杆变形特征相似，进一步验证了上述结论。

图5 不同测点下的两种锚杆受力变化曲线对比Fig.5 Comparison of force change curves of two anchor rods under different measuring points

图6 两种锚杆位移变化曲线对比Fig.6 Comparison diagram of displacement curves of two types of anchors

冯君等[25]对两种锚杆进行现场拉拔试验，通过绘出的荷载-位移曲线可知，相同荷载下，BFRP锚杆位移稍大，研究者认为，由于两者弹性模量不同导致这种情况。在分析界面破坏中，两者均以第二界面破坏为主，BFRP筋的锚筋-锚固体界面破坏较严重。究其原因，一方面，钢筋锚杆的锚筋-锚固体界面黏结性能要优于BFRP筋；另一方面，加工工艺的差异导致界面摩擦力与机械咬合力有所差异。

3 BFRP锚杆支护数值模拟研究进展

随着计算机技术的不断发展，相关软件开发功能越来越贴近工程实际，顺势而生的数值模拟因其资金投入低、计算速度快且与实际符合性较高等优点，已经成为锚固支护研究的一项重要手段，对边坡工程的支护设计、方案审定以及险情预测等方面都发挥了重要的作用。目前，学者和专家在模拟地层及锚杆行为方面应用较多的软件有FLAC3D、ABAQUS、ANSYS等。俞晨晖[60]利用ABAQUS软件模拟锚杆支护边坡，通过建立摩尔-库仑模型，添加腐蚀环境，探讨BFRP锚杆和钢筋锚杆经过腐蚀作用而对边坡安全稳定性的影响(仅考虑结构自重)，证实了BFRP锚杆在腐蚀环境替代钢筋锚杆的可靠性。朱建龙[19]运用ANSYS软件对BFRP锚固体系应力情况进行模拟，如图7所示，确定了BFRP锚杆在荷载、锚固长度和钻孔直径等因素影响下的应力分布情况。

李慈航等[61]利用振动台模拟地震作用，如图8所示，对土质边坡进行分级支护，对比BFRP锚杆支护边坡与无支护边坡的振动响应，发现BFRP锚杆支护边坡仅在局部位置出现部分剪切裂缝，整体稳定性较好，具有良好的抗震性能，证实了BFRP锚杆在加固边坡工程的可行性。

图7 BFRP锚固系统模型Fig.7 BFRP anchorage system model

图8 模型测点布置示意图Fig.8 Sketch of monitoring points arrangement of the model

4 结论与建议

BFRP材料作为21世纪新兴材料，因其优良的力学性能和出色的耐腐蚀性被业界普遍看好，在土木、建筑、水利工程中的应用越来越多。就BFRP锚杆在边坡支护工程中应用研究作以下总结：

(1)就中外对BFRP筋材基本力学指标、抗腐蚀能力等方面的试验研究进行总结归纳。由于试验条件、制作工艺、原材料产地等因素差异，并没有得出统一的指标，但可以确定的是，BFRP筋的力学性能明显高于同规格的钢筋，且抗腐蚀性也是BFPR筋的最大亮点。

(2)中外学者对BFRP锚杆取代钢筋锚杆用于边坡支护开展了丰富的研究工作，通过锚固系统的室内试验和现场试验发现，经过现场锚固效果及长期监测数据的分析，验证了BFRP锚杆取代传统金属锚杆的适宜性。

(3)目前少量研究者从数值模拟方面对BFRP锚杆耐腐蚀性能及其在边坡支护工程应用进行分析，可以很容易进行不同环境、不同地质情况的研究。一方面验证了试验的准确性，另一方面为BFRP筋应用于其他工程探索新的思路。

针对未来BFRP锚杆能够更好地服务工程建设，提出以下几点建议：

(1)BFRP锚杆具有很大的优势，但对比其他纤维增强聚合物材料(CFRP、AFRP、GFRP)相比也有自己不足之处，建议进行有序地、系统地对比试验，充分利用各自的优势，使效益最大化。

(2)在数值模拟方面，由于纤维增强聚合物材料的本身属性较复杂，在建立模型阶段，BFRP锚杆的各项本体参数还不够科学和具体，需进行更多的试验研究。

(3)进一步完善BFRP锚杆相关国家和地方标准的制定，推动行业的进步，使得BFRP制品在生产过程中规范化，试验操作标准化，试验方法科学化。