玻璃纤维增强聚合物%28GFRP%29锚杆在岩土锚固中的研究现状与展望.pdf
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1、 建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 19 期 2023 年 10 月Vol.54 No.19 Oct.20232416玻璃纤维增强聚合物(GFRP)锚杆在岩土锚固中的 研究现状与展望白恺霖1,2,缪易辰1,2,潘 文1,2,郑海源1,2,陈康亮3,朱豪伟3(1.昆明理工大学建筑工程学院,650500,昆明;2.云南省抗震工程技术研究中心,650500,昆明;3.四川省公路规划勘察设计 研究院有限公司,610041,成都)摘要:GFRP 锚杆具有自重轻、抗拉强度高、耐腐蚀能力强、绝缘性好等特性,并具备易切割、不产生火花、价格低廉、工艺成熟且性价比高等优
2、势,可作为钢质锚杆的替代品。基于当前GFRP锚杆的研究成果,阐述了 GFRP 锚杆的研究发展历程,分析了 GFRP 锚杆的材料特点、支护理论及工作原理,总结了 GFRP 锚杆的力学试验研究成果,分析了 GFRP 锚杆研究目前存在的问题,为 GFRP 锚杆的后续研究及发展提出了合理化建议。关键词:锚杆支护;锚杆锈蚀;GFRP 锚杆;岩土锚固中图分类号:U 413.6 文献标志码:A 文章编号:1000-4726(2023)19-2416-04RESEARCH AND PROSPECT OF GLASS FIBER REINFORCED POLYMER(GFRP)ANCHOR BOLT IN GE
3、OTECHNICAL ANCHORGEBAI Kai-lin1,2,MIAO Yi-chen1,2,PAN Wen1,2,ZHENG Hai-yuan1,2,CHEN Kang-liang3,ZHU Hao-wei3(1.School of Architectural Engineering and Mechanics,Kunming University of Science and Technology,650500,Kunming,China;2.Earthquake Engineering Researching Center of Yunnan,650500,Kunming,Chin
4、a;3.Sichuan Highway Planning,Survey,Design and Research Institute Ltd,610041,Chengdu,China)Abstract:GFRP anchor bolts feature light weight,high tensile strength,high corrosion resistance and good insulation performance.They also have the advantages of easy cutting,no spark,low price,mature process a
5、nd high cost performance.They can be used as substitutes of steel anchor bolts.Based on the current research results of GFRP anchor bolts,the research and development history of GFRP anchor bolts are described,the material characteristics,supporting theory and working principle of GFRP anchor bolts
6、are analyzed,and the research results on mechanical properties of GFRP anchor bolts are summarized.Moreover,the current problems in research on GFRP anchor bolts are analyzed,and reasonable suggestions are put forward for subsequent research and development of GFRP anchor bolts.Keywords:anchor bolt
7、support;anchor bolt corrosion;GFRP anchor bolt;anchorage in rock and soil锚杆支护技术作为地下工程建设中最成熟的技术手段之一,能够有效控制围岩结构,改善围岩应力,强化围岩强度,形成稳定有效的支护系统。在现有锚杆支护技术中,钢质锚杆因具备良好的力学性能、成熟的生产工艺和宽泛的工程适应性,在水库堤坝、基坑边坡、矿业开采、隧道隧洞等交通和能源工程领域建设中备受青睐。然而在实际使用中,易发生锈蚀成为钢质锚杆的通病,空气和水作用会引起金属氧化锈蚀,土壤中存在的大量易溶无机盐和水作用会引起电化学腐蚀、氢脆腐蚀。地下工程支护结构的可靠性
8、和长期稳定性是开发和利用地球深部资源的前提和必要保障,但在深部地质条件下,“三高一扰动”带来的收稿日期:20230630作者简介:白恺霖(1996),男,云南玉溪人,硕士研究生,e-mail:B.高地压、高地温和高渗透压等复杂因素,无疑会加剧杆体的腐蚀速度和程度。在临时支护要求下,尚可通过一定的防锈防腐工艺减缓锚杆锈蚀,但在半永久、永久支护要求下,金属锈蚀难以避免。因此,钢筋锈蚀问题在很大程度上制约了锚杆的使用寿命,使锚杆成为工程中的“定时炸弹”,为地下工程的耐久性和安全性埋下了隐患。在这种背景下,纤维增强聚合物(FPR)锚杆展现出其得天独厚的优势。与传统钢质锚杆和竹木锚杆相比,FRP 锚杆具
9、有自重轻、抗拉强度高、耐腐蚀能力强、绝缘性好等优势,但部分材料也存在价格昂贵、抗剪强度低、粘结性能差等缺点。在 FRP 锚杆中,玻璃纤维增强复合材料(GFPR)锚杆在具备上述优点的同时,还独具价格低廉、易切割、不产生火花、工艺成熟且性价比高等优势,能够成规模地应用于各 2023 年 10 月2417大领域工程建设中,具有良好的应用前景。基于当前GFRP锚杆研究成果,分析了GFRP锚杆的材料特点、支护理论及工作原理,总结了GFRP锚杆的试验研究成果,指出了GFRP锚杆研究目前存在的问题,为GFRP锚杆的后续研究及发展提出了合理建议。1 GFRP 锚杆GFRP 锚杆是一种常见的纤维增强复合材料(F
10、RP)锚杆。目前常见的 FRP 锚杆主要有玻璃纤维增强聚合物锚杆、碳纤维增强聚合物锚杆、玄武岩纤维增强聚合物锚杆、芳纶纤维增强聚合物锚杆,在此基础上,又衍生出 FRP 包覆筋锚杆、南竹加筋锚杆1等应用于特殊领域的锚杆。1.1 GFRP 锚杆材料特性玻璃纤维是一种力学性能优异的无机非金属材料,是目前工程中应用最广泛的纤维材料之一,具备良好的绝缘性、耐热性、抗腐蚀性,但性脆,耐磨性较差。GFRP 锚杆是以玻璃纤维及其制品为增强材料,以合成树脂为基体材料,并加入适量引发剂、促进剂、胶连单体、阻燃剂、阴聚剂、填料、蚀变剂等辅助剂,经过一定的成型工艺(手糊、喷射、层压、SMC、缠绕、注射、拉挤、模压等)
11、加工而成的一种新型复合材料聚合物锚杆。其杆体材料属于非均质各项异性复合材料,树脂和纤维的配比、树脂强度、固化剂类型及含量、纤维胶结均匀程度、固化环境温度等因素都会影响 GFRP 锚杆杆体的强度,纤维的含量一般为 70%80%,树脂占 20%30%2。与 GRFP 锚杆相比,AFRP 锚杆疲劳性能较好,但材料昂贵、适用性不高3;CFRP 锚杆抗拉性能、耐腐蚀性能优越,但粘结性能较差、抗剪强度低且价格高昂4;BFRP 锚杆弹模较低、长期蠕变较大,且密度比其他 FRP 锚杆大5;FRP 包覆筋锚杆和南竹加筋锚杆主要用于文物保护领域的土遗址修复和加固6,不适用于其他工程领域。GFRP 锚杆在具备良好力
12、学性能的基础上,独具切割、不产生火花、价格低廉、工艺成熟且性价比高等优势,大规模应用于各大领域工程建设中。1.2 GFRP 锚杆常规支护理论根据锚杆支护作用可将 GFRP 锚杆常规支护理论归纳为 3 类:(1)基于锚杆的悬吊作用而提出的悬吊理论、减跨理论;(2)基于锚杆的挤压和加固作用在锚固区内形成某种结构(梁、层、拱、壳等)提出的组合梁理论、加强拱理论、销钉理论;(3)基于锚杆改善锚固范围内围岩的应力状态提出的最大水平应力理论。1.3 GFRP 锚杆及工作原理常规结构的 GFRP 锚杆的主要由直杆体、托盘、螺母组成,属于全长粘结式锚杆。锚杆内锚端配合锚固剂,锚固在深部的稳定岩土体中,杆体通过
13、锚固剂与岩土体有效连结,外锚段与螺母、托盘配合工作,施加一定的预应力,对表面不稳定岩土体的变形形成体的变形形成有效控制。常规支护条件下,GFRP 锚杆是轴向受拉杆件,主要依靠杆体自身材料的弹塑性变形提供。常规结构GFRP锚杆工作原理如图1所示。GFRP 锚杆以玻璃纤维增强筋作为拉杆,可充分发挥其较强的轴向抗拉强度。杆体材料的强度、最大延伸量分别为锚杆的最大工作阻力、允许锚固体最大变形量。锚固剂锚固剂变形量岩土体岩土体图 1 常规结构 GFRP 锚杆工作原理示意2 GFRP 锚杆力学性能试验研究目前在我国有关 GFRP 锚杆的试验研究已开展了40 余年,为探究其在岩土锚固中的破坏机理,获取其基本
14、力学指标,指导其在岩土锚固技术中的应用,使其在一定程度上代替钢质锚杆用于锚固支护,许多学者针对GFRP锚杆开展了杆体拉伸试验、拉拔试验。2.1 杆体拉伸试验GFRP 锚杆杆体抗拉性能的测定,通常采用液压万能试验机对试件进行直接拉伸试验。受材料属性的影响,GFRP锚杆抗拉强度大,但其抗压强度低。因此,在试验过程中,存在试件端部夹持段易压碎问题,较难实现试件的抗拉强度测试,通常不能得到试件的最大抗拉强度。针对这一问题,刘汉东等7提出了两种措施:(1)将试件端部加工成螺纹凹槽,然后用铜丝缠绕螺纹或粘贴铝板,可避免端头部分表层破坏滑移;(2)对小直径试件采用夹持端部进行拉伸的直接方法,对大直径试件采用
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