复合筋锚杆现场试验效果验证分析

钟 皓， 张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

1 复合筋锚杆

在目前的公路边坡支护工程施工中，采用锚杆锚固与支挡结构相结合的边坡维护方案在工程中应用已经很广泛。一般情况下多采用预应力精轧螺纹钢锚杆，但大量工程实践表明，普通钢筋锚杆破坏或失效的一个主要原因是锚杆材料因受腐蚀导致强度降低甚至破坏，对边坡安全性造成直接影响，而降雨是造成锚杆腐蚀的一个主要原因。而GFRP锚杆和SFCB锚杆具有耐腐蚀、强度高、质量轻、抗冲击等优点，因此特别适合于公路的边坡支护工程。

对比国内外机构及学者在GFRP锚杆方面的研究，我国对GFRP锚杆的研究起步较晚、取得的成果也相对较少。针对锚杆现场试验，我国学者进行了研究分析：傅洪喜[1]对灰岩地基中的GFRP锚杆进行了拉拔试验，检测了GFRP锚杆的应力变化，总结了GFRP锚杆的允许剪应力。李国维等[2]通过GFRP锚杆加固公路边坡的实例，分析了GFRP锚杆边坡的加固状况，以此来体现GFRP锚杆加固边坡的可行性。薛伟辰[3]对63个GFRP锚杆试件进行了喇叭试验，得到了得到了GFRP锚杆与多种材料的粘结强度数据，验证了GFRP锚杆具有较高的界面粘结强度。Vilanova等[4]对12组GFRP筋粘结混凝土进行了拉伸试验，研究了在90d～130d的持续荷载下，GFRP筋的时间-滑移关系以及粘结应力的分布。刘颖浩等[5]测试了砂浆强度、锚固长度和锚杆直径对全螺纹GFRP锚杆锚固力的影响程度，改进了GFRP锚杆的拉拔试验，得出了GFRP锚杆的锚固承载力设计公式。

本文利用现场试验，布置GFRP锚杆，对性能进行检测。

2 现场试验工况及工程概况

2.1 工程概况

研究区属剑川—大理地震带，地震活动频繁。自1500年以来，曾发生6～7级地震2次，5～6级地震13次，近年来小地震活动频繁。1971年以来大理市地震情况见表 。根据建筑抗震设计规范，大理市地震设防烈度为Ⅷ度区(图1)。

图1 大理市构造纲要

2.2 现场试验工况

现场试验在K23+917.5～K24+105范围内一级与二级边坡上的4个“大方格”(2个急流槽间范围为一个“大方格”)中进行。其中一个竖向肋为一个标准监测断面，共计28个监测断面。一级和二级边坡试验断面布置见图2～图5、表1。

表1 边坡类型

图2 一级边坡试验断面布置

图3 二级边坡试验断面布置

图4 一级边坡锚杆(单位:mm)

图5 二级边坡锚杆(单位:mm)

试验方案包括普通(全粘结)GFRP/SFCB锚杆、预应力GFRP锚杆2种边坡加固方案，同时，比对辅助钢筋(普通及预应力)锚杆断面实验结果。对于锚杆内力主要采用钢筋应力计及光纤光栅2种方式，测试工况及断面数量见表2。

表2 监测断面

3 复合钢筋杆现场实验数据分析

3.1 测斜管监测结果分析

根据在现场长达近11个月的监测，测出了4个测斜管各个部位的全部位移，可以得出4个测斜管的最终水平位移图，由于篇幅原因，只展示1号测斜管(图6)。

图6 1号测斜管最终位移

从图6中可以看出：

(1)1号测斜管的顶部位移为13 mm，最大位移为29 mm，底部位移为3 mm。

(2)最大位移发生在深度10.5～11 m范围内。

(3)整个水平位移的变化趋势是在11 m之前呈近似线性增大，在11 m后呈近似线性减小。

(4)前次累计位移和当次累计位移已经基本重合，说明水平位移已经达到了稳定。

得到测斜管位移-时间变化，由于篇幅原因，只给出测斜管底部深部位移-时间变化(图7)。

图7 测斜管底部深部位移-时间变化

对综合数据进行分析：

(1)在高台边坡的前缘深部位移监测孔处可能存在滑动面，滑动面的位移缓慢增大，中部变形最大，后部变形相对较小。

(2)4个监测孔深部位移累积曲线均呈现下部位移较小、中部位移很大、上部位移较大的形状，说明均是以孔底为不动点，在离地面约10m处滑动量最大。

(3)水平位移变形量随时间增长而不断增大，前3个月变形速度较快，此后变形量逐渐减小，最后趋于稳定。

3.2 锚杆轴力监测结果分析

由于篇幅原因，只展示一级边坡1号钢筋锚杆轴力-时间变化和一级边坡1号GFRP锚杆轴力-时间变化、二级边坡1号钢筋锚杆轴力-时间变化和二级边坡1号GFRP锚杆轴力-时间变化(图8～图11)。

图8 一级边坡1号钢筋锚杆轴力-时间变化

图9 一级边坡1号GFRP锚杆轴力-时间变化

图10 二级边坡1号钢筋锚杆轴力-时间变化

图11 二级边坡1号GFRP锚杆轴力-时间变化

综合上图，得到结论：

(1)所有锚杆的轴力均是随时间增大，而后增大速度逐渐减小，最后稳定。从图中可以看出，在安装锚杆后的4个月左右，锚杆轴力达到稳定，说明边坡的滑移也逐渐稳定，这与支护接触压力和深部位移的数据变化相对应。

(2)从二级边坡的轴力变化图可以看出，一号测点和四号测点的轴力较小，而二号测点和三号测点的轴力较大，说明轴力接近端部较小，中间部位较大。

(3)对比钢筋锚杆和GFRP锚杆的最大轴力，可以看出，钢筋锚杆的最大轴力要比GFRP锚杆的最大轴力大10～20 kN。

(4)对比一级边坡和二级边坡的最大轴力可以看出，二级边坡的锚杆最大轴力要比一级边坡的锚杆最大轴力大10 kN左右。

3.3 锚杆端部力监测结果分析

由于篇幅原因，只给出一级边坡预应力钢筋锚杆端部力-时间变化(图12)。

图12 一级边坡预应力钢筋锚杆端部力-时间变化

综合上图，得到结论：

(1)从各图的时间变化趋势可以看出，端部力均是随着时间增长而减小，最后达到稳定，其变化趋势与锚杆轴力的变化趋势一致，说明边坡在2013年4月左右达到了稳定，导致各项参数都达到一个恒定值。

(2)对比钢筋锚杆、GFRP锚杆、SFCB锚杆的端部力可以看出，初始端部力的大小都很接近，最终端部力钢筋锚杆最大，GFRP锚杆次之，SFCB锚杆最小，说明钢筋锚杆的刚度最大，GFRP锚杆刚度次之，SFCB锚杆刚度最小。

(3)对比预应力锚杆和非预应力锚杆可以看出，预应力锚杆的端部力要比非预应力锚杆大得多，这是因为预应力锚杆初始所施加的预应力为100 MPa，造成总的端部力也要大100 MPa左右。

(4)对比一级边坡锚杆和二级边坡锚杆的端部力数据可以看出，二级边坡的最终端部力要比一级边坡稍大，说明二级边坡的滑移变形要比一级边坡大。

4 结论

4.1 深部位移测试结果

深部位移变形量前3个月变形速度较快，此后变形量逐渐减小，最后趋于稳定；4个监测孔的深部位移累计位移都相对较小，合位移变化趋势与顺坡向变化趋势相似；4个监测孔的深部位移累积曲线均呈现下部位移较小、中部位移最大的趋势，说明均是以孔底为不动点，在离地面约10 m处滑动量最大。

4.2 锚杆轴力测试结果

锚杆的轴力均是随时间增大，而后增大速度逐渐减小，最后稳定；对比钢筋锚杆和GFRP锚杆的最大轴力可以看出，钢筋锚杆的最大轴力要比GFRP锚杆的最大轴力大10～20 kN。

4.3 锚杆端部力测试结果

锚杆端部力的增长速度随时间逐渐减小；各类锚杆初始端部力的大小都很接近，但最终端部力钢筋锚杆最大，GFRP锚杆次之，SFCB锚杆最小。