玻璃纖維錨桿在隧道加固技術(shù)中的應用

趙曉峰 張長國

(中鐵二十三局集團第八工程有限公司，四川成都 610091)

1 概述

近年來我們大興土木，各類基礎(chǔ)交通設施蓬勃發(fā)展，由此帶來了大量的隧道工程，而當下普遍采用的隧道新奧法施工主要理念為錨噴支護，進一步帶來了數(shù)額巨大的錨桿需求市場，同時，由于我國幅員遼闊，各地區(qū)地質(zhì)水文條件復雜、區(qū)域差異性大，這就對普通金屬錨桿的抗腐蝕性提出了很高的要求。目前在許多國家已經(jīng)成熟使用的玻璃纖維錨桿在滿足力學性能要求的情況下，能很好地克服地下水腐蝕這一致命缺陷。

與傳統(tǒng)的金屬材料相比，玻璃纖維錨桿具有高比剛度、高比強度、耐腐蝕、耐疲勞、易成形等優(yōu)點(見圖1)。玻璃纖維錨桿的成形工藝主要包括手糊工藝、模壓工藝和拉擠工藝，并依據(jù)增強體和基體的種類以及成形方法不同，其抗拉強度為300 MPa～2 000 MPa，能夠滿足錨桿在隧道工程中的力學要求，玻璃纖維錨桿的加強纖維一般為普通E-glass玻璃纖維，基體材料為不飽和聚酯樹脂或乙烯基樹脂。

圖1 玻璃纖維錨桿

2 玻璃纖維錨桿力學實驗

2.1 抗拉強度

參照ASTM相關(guān)試驗標準，將玻璃纖維錨桿桿體隨機截取60 cm長的試件，將錨桿兩端各25 cm用植筋膠粘結(jié)在與之匹配的鋼管內(nèi)，鋼管內(nèi)壁刻槽(槽深1.1 mm，寬3 mm，槽間距10 mm)使粘結(jié)強度大于桿體抗拉強度，在萬能試驗機上做破壞試驗，分級加載進行抗拉強度測定，每一級荷載持續(xù)1 min，試驗結(jié)果見表1。

由試驗結(jié)果可以看出，φ25/12中空錨桿和φ20實心錨桿的試驗抗拉強度均能達到500 MPa以上，和20MnSi鋼相當，試驗加載到極限荷載的70%左右后，錨桿開始出現(xiàn)咔咔響聲(錨桿外圈纖維開始斷裂)，之后響聲頻率逐漸變大，最后自由段縱向纖維斷裂后劈裂破壞。

2.2 彈性模量

圖2～圖4描述了φ20聚酯錨桿、φ20乙烯基錨桿和φ25/12乙烯基錨桿在拉伸過程中典型的應力—應變關(guān)系，可以看出:3種錨桿桿體在拉力荷載作用下，應力—應變特征一致，拉伸破壞前基本上處于彈性階段，沒有明顯的屈服階段，達到強度極限后，承載力很快喪失，屬于脆性破壞。

表1 錨桿抗拉試驗結(jié)果

圖2 φ20聚酯錨桿應力—應變曲線

2.3 抗剪強度

將錨桿桿體截成20 cm長的試件，將試件放入剪切專用夾具中，在萬能材料試驗機上以10 kN/min～29 kN/min的速度雙面剪切破壞，根據(jù)上述試驗結(jié)果可得:乙烯基樹脂錨桿和聚酯錨桿抗剪強度基本相同，空心錨桿抗剪強度低于實心錨桿。錨桿剪切破壞的過程中，其剪切力主要由樹脂承擔;實心桿體直接剪切破壞;空心桿體為先將中孔壓擠后剪切破壞。

試驗數(shù)據(jù)見表2。

圖3 φ20乙烯基錨桿應力—應變曲線

圖4 φ25/12乙烯基錨桿應力—應變曲線

表2 錨桿抗剪試驗結(jié)果

2.4 玻璃纖維錨桿與砂漿粘結(jié)強度

為減小砂漿試塊在拉拔試驗中的劈裂對粘結(jié)強度的影響，制作1.8 m×1.5 m×0.2 m砂漿塊，采用普通425號水泥，砂漿配比為 C∶S∶W=357∶1 472∶258，砂漿標號 M20。制作砂漿振搗的同時，將若干纖維錨桿(φ20 mm和φ25/12 mm)和HRB335螺紋鋼筋(φ20 mm)植入砂漿中，植入深度20 cm，測試砂漿28 d強度時錨桿的拉拔力。試驗采用錨桿拉拔計算，結(jié)果如表3所示。

表3 砂漿28 d強度時錨桿拉拔試驗結(jié)果

纖維錨桿和鋼筋在拉力荷載的作用下，首先克服桿體與砂漿之間的化學膠結(jié)力，其次再克服桿體與砂漿之間的摩擦力和機械咬合力，最后發(fā)生拉拔破壞。

由試驗結(jié)果可以看出:全螺紋纖維增強樹脂錨桿與砂漿的粘結(jié)強度基本與螺紋鋼筋相當，且能夠滿足錨桿規(guī)范中粘結(jié)強度標準值的要求。

3 玻璃纖維錨桿加固隧道數(shù)值模擬

3.1 錨桿加固圍巖的機理

錨桿桿體的彈性模量Eb遠高于巖體的彈性模量E，當錨桿隨巖體變形時，這種差異造成巖體等效變形模量的增加，可近似的表示為:

忽略巖體的泊松比的前后改變，則巖體的等效剪切模量可以近似的表示為:

隧道跨徑為5 m、埋深為30 m，圍巖級別為Ⅴ級圍巖，其物理力學參數(shù)為:變形模量 E=1.5 GPa、泊松比 γ =0.4、密度 ρ=1 850 kg/m3、粘聚力 C=0.1 MPa、摩擦角 φ =25°;玻璃纖維錨桿的物理參數(shù)為:彈性模量 E=40 GPa、泊松比 γ=0.35、密度 ρ=1 706 kg/m3、錨桿長度為3 m，采用φ25/12 mm的中空錨桿，錨桿的布置為1 m ×0.8 m。

玻璃纖維錨桿的長度為3 m，因此考慮3 m的加固圈，根據(jù)上述分析可得加固區(qū)的物理力學參數(shù)為:變形模量E=1.53 GPa，泊松比 γ =0.4，密度 ρ=1 850 kg/m3，粘聚力 C=0.171 MPa，摩擦角φ=25°，具體模型見圖5。

圖5 隧道及加固區(qū)圍巖單元

計算模型基于ANSYS有限元平臺，總共有2 543個單元，2 489個節(jié)點，模型左右寬90m，上下寬80m。邊界條件為左右邊水平方向約束，底邊垂直方向約束。然后加上重力場，采用彈塑性分析，屈服準則為D-P屈服準則。

3.2 計算結(jié)果分析

由圖6，圖7可見:玻璃纖維錨桿支護后，隧道塑性區(qū)明顯減小。

圖6 沒有加固區(qū)毛洞的塑性區(qū)

圖7 玻璃纖維錨桿加固后毛洞的塑性區(qū)

由圖8，圖9可見:玻璃纖維錨桿支護后，隧道的豎向位移明顯減小。

圖8 毛洞開挖后的圍巖豎向位移

圖9 玻璃纖維錨桿加固后的圍巖豎向位移

因此，采用玻璃纖維錨桿加固，能夠有效地控制圍巖變形和改善隧道受力情況。

4 結(jié)語

以上分析數(shù)據(jù)表明，全螺紋玻璃纖維錨桿是一種新型錨桿，它能克服金屬鋼錨桿易腐蝕的致命缺陷，是一種性能上的優(yōu)化，只要解決好錨桿系統(tǒng)應用中的錨固、系統(tǒng)應力施加、灌漿飽滿等重要環(huán)節(jié)的問題，特別適用于特定條件下的地下支護工程，配合施工方法的改進，在煤礦、地鐵、隧道及其他地下工程支護中有著較大的應用前景。

同時，玻璃纖維錨桿的彈性模量約40 GPa，斷裂延伸率1% ～2%，且基本為脆性破壞，隧道工程中一般要求金屬系統(tǒng)錨桿的斷裂延伸率達到6%以上，這似乎限制了玻璃纖維錨桿在隧道系統(tǒng)錨桿支護中的應用，但國內(nèi)外大量的隧道工程金屬系統(tǒng)錨桿監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)錨桿的最大受力僅達到設計強度的20%，即錨桿仍處于彈性階段，在彈性階段玻璃纖維錨桿的伸長量大于鋼錨桿(鋼筋彈性模量210 GPa)，說明其適應圍巖變形的能力更強。

［1］ 盧小剛.漲殼式預應力中空錨桿的研究與應用［J］.鐵道建筑技術(shù)，2009(11):17-19.

［2］ 鐘 衛(wèi)，李成宏.基坑采用樁加錨桿支護方案分析［J］.鐵道建筑技術(shù)，2010(zl):30-31.

［3］ 黃明琦.鎖腳錨桿作用機理及其在廈門翔安隧道中的應用研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2009(7):80-82.

［4］ 尤春安.全長粘結(jié)式錨桿受理分析［J］.巖石力學與工程學報，2000(3):9-10.

［5］ 吳 波，高 波，駱建軍.地鐵區(qū)間隧道水平旋噴預加固效果數(shù)值模擬［J］.西南交通大學學報，2004(5):60-63.