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摘要：抗浮锚杆因其单点受力小、施工工艺简单、成本低等优点，被广泛应用于解决建（构）筑物基础底板的抗浮问题。钢筋作为传统的抗浮锚杆材料，能够胜任多种工况下的抗浮问题，但由于其耐腐蚀性差，导致其在某些恶劣环境中的使用寿命大打折扣。非金属抗浮锚杆的出现，能够弥补钢筋锚杆的不足，可以在恶劣环境（如地下水含较多腐蚀性离子的地区、城市轨道交通等产生杂散电流的项目等）中长效使用。玻璃纤维增强聚合物（GFRP）锚杆因其抗拉强度高、耐腐蚀和抗电磁干扰性能好及造价低等优点，逐渐成为非金属锚杆的代表。
关键词：玻璃纤维增强聚合物抗浮锚杆抗拔性能试验研究与机制分析
前言：实际工程中，设计人员通常会加大抗浮锚杆的锚固长度，以保证结构的安全性能。通过对GFRP 抗浮锚杆的现场拉拔试验，发现锚杆达到一定深度后便不再受力，该深度即所谓的临界锚固长度，表明一味地增加锚杆的锚固长度，对于提高抗浮锚杆的锚固性能意义不大，且容易造成成本增加、材料浪费的后果。因此，寻求一种合适的方法，用以准确确定GFRP 抗浮锚杆的临界锚固长度，对于节约成本，提高施工效率具有重要意义。
一、概述
国内外众多学者从多方面对GFRP 锚杆进行了研究，包括锚杆自身的构造和破坏形态、锚筋滑移、杆体应力和黏结力、锚筋周围锚固体的应力、锚杆端头锚固（外锚）方法等等。研究了混凝土中螺纹GFRP 筋玻璃纤维束缠绕肋的工作状态，在试验中未出现突然滑移现象，而且自由端处出现较大滑移时仍保持较高黏结应力。GFRP 筋混凝土与钢筋混凝土的锚固滑移及破坏有着本质的区别，钢筋混凝土产生滑移时主要是混凝土撕裂和压碎，而GFRP 筋混凝土滑移破坏是以筋肋的削弱或剪切破坏为主要特征通过模型试验研究了混凝土中不同表面形状GFRP 筋的黏结-滑移特性，应力传递较浅，最大荷载为100 kN 时，应力影响深度仅1.70 m；并利用室内模型对GFRP 筋的蠕变特性进行了研究，发现加荷水平低时未出现蠕变，当加载水平升至77%出现蠕变。2010 年，其对公路边坡的GFRP 锚杆进行了现场监测，在长期作用下没有发现持续的蠕变变形。数值模拟方面，GFRP 锚杆的出现，为岩土锚固增添了新的手段，特别是GFRP 材料优异的耐腐蚀及抗电磁干扰的特性，解决了困扰岩土锚固界的难题，适合用作抗浮锚杆，特别适合那些地层坚硬而又不容许采用金属锚杆的工程，如地铁车站等。但迄今为止，国内外尚无GFRP 材料锚杆用于抗浮的报道。
二、玻璃纤维增强聚合物抗浮锚杆抗拔性能试验研究与机制分析
1.试验场地工程地质概况。已开挖建筑基坑内，场地土层分布情况与地铁站一致，基底标高为-8.00 m。试验用GFRP 锚杆全长位于中风化花岗岩中，平均厚度为13.74 m，岩体呈散体状结构，且极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级。
2.加载装置及试验方法。GFRP 螺旋状筋表面不平，粘贴应变片时的打磨会造成表面纤维断损，造成锚杆的初始缺陷，而且应变片容易脱落，导致测试过程数据缺失，因此，用普通电测方法不能对GFRP 锚杆工作性状进行全面监测，可采用光纤对其进行测试。光纤测试主要分为两种方法：分布式（布里渊法）及准分布式（布拉格光栅法）。前者是用一根光纤连续测试，特点是适合长距离测量；后者采用光纤传感技术的准分布式方法（FBG）对构件进行测试。目前的GFRP 锚杆光纤测试几乎都采用了前一种方法，该方法名义上可以连续测试，但空间分辨率低，测点定位最多只能精确到20 cm，不适合对抗浮锚杆这样的短构件进行测试，尤其是接近孔口处的应力集中变化区不能准确定位，测试实践已经反映出该问题在外径为55 mm 的管状GFRP 土钉上刻2 mm 宽、2mm 深的通长槽沟安纤FBG 传感器，然后采用准分布法对土钉进行现场应力-应变测试，但在GFRP 材料上刻槽存在切断纤维的问题。
植入式裸光纤传感技术是将裸露的光纤光栅在GFRP 筋材加工成型的过程中，在筋材中间部位沿长度方向埋设将其一起浇筑成型。裸光纤直径约为00 μm，其外表面涂层为聚合物，与GFRP 材料具有较好的融合性，不会改变GFRP 筋材自身的力学特性，最大限度地保持了锚杆体纤维结构的完整性，对于试验结果的代表性更富有说服力。同时裸光纤传感技术测试空间分辨率高，成为GFRP 抗浮锚杆性能测试的最佳选择方法。采用普通注浆方式，注入M32.5 水泥砂浆，养护28 d 后进行拉拔试验。GFRP 锚杆垂直于纤维方向抗挤压能力差，拉拔试验夹持式加力易引起杆体破坏，试验开始前在锚杆自由段部位安装长1.5 m 钢套管。锚杆与钢套筒间隙注入高性能结构胶使两者紧密黏结在一起，养护7 d 后进行锚杆的抗拔试验，拉拔时锚杆夹具固定在套筒外，防止试验过程中杆体材料的破坏。试验测试系统包括：FBG 传感器应变测试采用SI425 光纤光栅解调仪；杆体位移测试采用机械式百分表；加载系统采用手动同步千斤顶，两台千斤顶并联。试验开始前，在实验室内对高精度液压表进行标定，以保证试验过程中每级施加荷载量的准确性。试验过程中使用同步千斤顶并配合同步分流阀，使每台千斤顶的负荷均衡，保证起升及下降速度的同步，防止加拉拔荷载装置产生弯矩，导致锚杆提前破坏。为防止加载过程中地面因起重物重量不均匀可能发生的下陷，在千斤顶下面事先铺垫2 cm 厚铁板以增加地基土刚度。本次试验为破坏性试验，整个加载过程采用分级加载方式，每级施加荷载为50 kN，待每级加载达到预定荷载后，稳定5～10 min，记录位移增量。
3.抗拔试验结果及分析。一是杆体破坏特征分析。试验过程中均未出现锚杆与砂浆界面脱开、锚杆杆体被拔出或锚固体整体拔出的现象，而是在杆体锚固段最大剪应力处发生剪切破坏，因最大剪应力不在锚固段端头，而是发生在一定深度，所以在最大剪应力达到GFRP 材料的抗剪强度时，在锚固段内最大剪应力处发生剪切破坏，此破坏貌似杆体受拉破坏，容易误判。二是锚头位移变化情况。试验过程中结构胶与钢套筒及GFRP 锚杆黏性状态良好，没有出现滑移现象，所测锚头位移为GFRP 锚杆相对于地面的真实位移。GFRP 抗浮锚杆杆体表面的剪应力峰值出现在距孔口约80 cm 处，且随着荷载的增大，剪应力峰值逐渐增大，当其达到杆体自身极限抗剪能力时，在锚固段最大剪应力处发生剪切破坏，议实际工程中加强对该区域的处理，以提高锚杆的锚固效果。荷载作用下金属抗浮锚杆剪应力分布不均匀，沿深度方向自上至下逐渐减小，剪应力峰值出现在孔口处，其破坏形式以第1 界面失效钢筋拔出为主。结合试验过程中锚头位移变化情况及锚杆杆体的极限抗拔力，分析可知，对材质、直径相同的锚杆而言，当内锚固段足够长且大于临界锚固深度时，其极限承载力基本是一定值。尤其对于GFRP 锚杆，其拉拔破坏时主要是杆体受剪切破坏，其极限承载力仅与其抗剪能力有关，基本是一个定值。锚杆加载初期，杆体与锚固体之间剪应力较小，小于两者之间黏结强度，剪切滑移量较小，剪应力峰值出现在临近自由端处，远端为0 值点。随着荷载加大，杆体与锚固体之间剪应力及剪切滑移量逐渐增大，黏结应力峰值逐步向锚固段深部转移，锚固段临近自由端的黏结应力则显著下降。在峰值剪应力点发生转移的同时，0 值点也会向杆体深部转移。
结束语：试验表明，风化岩地基GFRP 抗浮锚杆的极限抗拔承载能力较高，完全可以替代传统金属锚杆用于抗浮工程。GFRP 抗浮锚杆具有传统金属锚杆无法比拟的耐腐蚀优良特性，无论是地下水的腐蚀还是地铁等城市轨道交通中由直流供电系统产生的杂散电流的电化学腐蚀，GFRP 抗浮锚杆具有较强的适用性，具有广阔的应用前景。
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