關于玻璃纖維增強樹脂筋（GFRP筋）在土釘墻噴錨支護體系中應用的幾點思考

【摘 要】 本文通過對一個基坑案例的失敗分析，對GFRP筋在土釘墻支護體系中的應用提出了幾點有建設性的思考。

【關鍵詞】 基坑圍護 GFRP筋 土釘墻

一、GFRP筋的簡介

GFRP筋（Glass-Fiber-Reinforced Plastic Bar）是一種由縱向連續的玻璃纖維和熱固性的聚合物樹脂通過拉擠工藝和表面處理制成的復合物桿體材料，具有較好的力學性能和耐腐蝕性能。

玻璃纖維增強復合材料是一種高強度、抗腐蝕和抗磁干擾的新型復合材料，廣泛應用于土木工程、建筑工程、市政工程及地下工程等領域，近年來，對于GFRP筋的研究在我國也是方興未艾，并己經有了一些實際工程應用。

二、GFRP筋與傳統鋼筋的優缺點分析

與傳統的鋼筋相比較，GFRP筋具有以下優點：

（1）具有優良的抗腐蝕性能，耐久性好；

GFRP筋材的腐蝕機理與金屬材料有著本質的區別。金屬材料的腐蝕主要是發生在表面的電化學腐蝕，從外向內逐步腐蝕，GFRP材料的腐蝕主要是環境介質對玻璃纖維和樹脂界面的腐蝕，周圍介質（氣體、液體、蒸汽等）向材料內滲透是腐蝕的主要原因。盡管FRP材料不會像金屬那樣產生電化學腐蝕，但它也會在不同的化學環境下發生變化，玻璃纖維容易受到堿性和中性溶液的腐蝕，但在樹脂包裹下形成FPR制品后會有很大改善，目前國內外專業研究人員對此已有一定的研究，ACI440委員會有關研究沒有給出明確規定，但是強調對于曝露于環境中的構件采用GFRP筋進行增強時，其強度標準值應乘以0.7的安全系數，以作為設計強度。

（2）抗拉強度高，等于甚至高于預應力鋼筋；

根據相關文章的數據顯示GFRP筋的平均抗拉強度達到612MPa，大于兩倍普通HRB335鋼筋的設計強度。

（3）自重輕，只有預應力鋼筋的15%～20%；

（4）低松弛性，荷載損失較小；

（5）優良的抗疲勞特性；

（6）對電磁場不敏感。

三、GFRP筋應用實例分析

（一）工程概況

擬建項目地上3層（局部4層），地下1層，框架結構，位于蘇州高新區，東、南、西側均為小區內道路，北側為城市支線道路。

本工程基坑面積約為3132.7m2，周長約231.4m，最大開挖深度為6.07m。

針對本工程的特點，本基坑安全等級為二級，重要性系數取1.0。

（二）周邊環境

（a）基坑東側地下室外墻線距圍墻最近距離約6.90m，距東側教學樓最近距離為12.0m；

（b）基坑南側地下室外墻線距圍墻最近距離約2.07m，圍墻內有電纜線，埋深-1.20m；

（c）基坑西側地下室外墻線距圍墻最近距離3.22m，圍墻內有電纜線，埋深-1.20m，距西側居民樓最近距離為20.0m；

（d）基坑北側地下室外墻線距圍墻最近距離約8.10m，圍墻內有污水管線，埋深-2.30m；圍墻外為金山路，金山路下有較多管線分布，由南往北依次為天然氣管道、低壓電管道、電力通訊管道、路燈管道、污水管道。

（三）工程地質條件

根據建設單位提供的現場勘察資料，本工程地基土結構特征自上而下分述如下：

①素填土：雜色，松軟，以粘性土為主，夾碎磚瓦塊及小石子等雜物，上部含植物根莖， psmax/ psmin大于1.55，為不均勻填土，全場地分布。

②粘土：褐黃色，可～硬塑，含鐵錳質結核，夾灰色條紋。無搖振反應，切面光滑，韌性及干強度高。全場地分布。

③粉質粘土：灰黃色，可～軟塑，局部含Mn質氧化物斑點，夾粉土薄層。無搖振反應，稍有光滑，干強度、韌性中等，全場地分布。

④粉土：灰色，很濕，稍～中密，含云母碎片，微層理發育，搖振反應迅速，切面無光澤，韌性及干強度低，全場地分布。

⑤粉砂：青灰色，飽和，中密，微層理發育，局部夾細砂薄層，主要為長石、石英碎屑，少量云母碎片，搖振反應迅速，切面無光澤，全場地分布。

⑥粉質粘土：灰色，軟塑，含有機質，無搖振反應，稍有光澤，干強度、韌性中等，該層未揭穿。

（四）水文地質條件

⑴ 地下水類型

場區內對本工程建設有影響的地下水類型有：孔隙潛水及微承壓水。

⑵ 地下水補給、排泄條件

孔隙潛水，主要賦存于第①層素填土中，地層透水性較差，主要受大氣降水及地表水滲入補給，以地面蒸發為主要排泄方式，水位升降隨季節變化明顯，年變幅在1米左右；微承壓水賦存于第④層粉土和第⑤層粉砂中，富水性一般，透水性弱～中等，主要補給來源為淺部地下水的垂直入滲及地下水的側向徑流，以民井抽取及地下水側向徑流為主要排泄方式。

⑶ 地下水水位

勘察期間，實測潛水穩定水位埋深0.70～1.10米，穩定水位標高1.71～2.30米。實測微承壓水穩定水位埋深1.80米，標高為1.15米。

（五）圍護結構體系

根據江蘇省建苑巖土工程勘測有限公司提供的工程基坑圍護設計方案，本基坑支護主要采用放坡土釘墻噴錨支護、樹根樁等支護形式。

采用二級放坡開挖，上部坡高2.0m，放坡坡度系數1： 0.5，設置2道GFRP土釘：Φ25@1500L=4000～5000，下部坡高3.6m，放坡坡度系數1：0.2，設置2道GFRP土釘：Φ25@1500L=4000～5000，無馬道。坡面掛Φ8@200×200mm雙向鋼筋網，面層噴C20素砼進行防護，厚度為100mm；坡面設置泄水孔，間距1.5m，局部填土區域間距加密為1.0m；坡腳設置反壓加固素混凝土。該部位須進行壓密注漿加固處理：3排花管（Φ48×3鋼管）注漿孔，排距0.5m，孔距1.0m，孔深3.0m，水灰比0.45，水泥用量80kg/m，注漿壓力0.3～0.5MPa。

（六）支護效果評價

本工程最終因雨季來臨而塌方，究其原因，主要有以下幾點：

1、設計方案中GFRP筋與面層的連接有問題

在支護剖面大樣圖中，GFRP筋與面層之間未設置縱、橫雙向的通長加強筋是導致本方案失敗的直接原因。鋼制托盤下只有2根Φ8mm的掛網筋，且該掛網筋為松散的綁扎連接，根據無法傳遞側向土壓力至錨桿，導致錨桿“單兵作戰”，根本無法和掛網噴砼面層形成一個整體，土釘墻噴錨支護體系“重力式擋墻”的擋土作用機理就無法實現，這是導致本方案失敗的最主要的原因。

2、 土方開挖未能嚴格按照“分層開挖，分段施工”原則來實施

為趕工期進度，土方單位未能嚴格按照分段分層開挖的原則，整個土方分2次開挖，在上層剖面土釘剛施工完畢強度未達設計標準之前就開挖下一層土，導致第一層面層整體下滑塌方。

3、 雨季地表水的大量入滲

由于受臺風天氣的影響，大量雨水短時間內注入邊坡土體之中，土層浸水軟化，使得土體的物理力學性質指標急劇下降，嚴重偏離設計狀態，土體沿軟弱滑動面整體下滑。

四、GFRP筋在土釘墻噴錨支護體系中應用的思考與建議

土釘墻支護體系的作用機理是：使土釘錨桿和掛網面層形成一個有機整體，從而使得因土方開挖而產生的側向土壓力經面層傳遞至錨桿，再由錨桿傳遞至土釘墻后面的穩定土體之中。由此可見，在設計與施工過程應注意以下幾點：

1、 土釘錨桿與噴射面層的連接一定要牢固，這是土釘墻支護體系成敗與否的關鍵所在。

2、 土釘注漿一定要嚴格按照設計要求進行，能否形成錨固體關系到土壓力能否順利傳遞至穩定土層之中。

3、 土方開挖必須順應土釘的施工的工藝流程安排，分層分段開挖。