锚杆结构以其优越的经济性和较高的可靠性，被广泛应用于地下抗浮工程，特别是大型地下工程。建筑抗浮工程常位于地下水位以下，锚杆结构因受到地下水中酸、碱离子等的腐蚀作用，而不断锈蚀、老化，致使其耐久性降低，进而影响建筑物的安全性[1-2]。玻璃纤维增强聚合物 (GFRP) 锚杆是近年来发展运用的新型材料锚杆，它具有抗拉强度高、抗腐蚀性能好、抗电磁干扰能力强及松弛性低等优点[3]。由GFRP锚杆在腐蚀环境[4]、砂浆[5-6]和混凝土[7-9]中的诸多试验研究结果可知，将其应用于抗浮工程中不仅可以从根本上解决建 (构) 筑物抗浮锚杆的耐久性问题，而且解决了地铁等城市轨道交通建设项目中因杂散电流存在而不能使用抗浮锚杆的问题。
在相关抗浮锚杆研究试验中，一般把抗浮锚杆与基岩的锚固段称为内锚固段，简称内锚固；与混凝土基础底板锚固段称为外锚固段，简称外锚固[3]。GFRP锚杆在砂浆中试验发现：GFRP抗浮锚杆锚固长度越长，极限承载力越大，其平均粘结强度越小[10]。但在抗浮锚杆外锚固段，因底板厚度有限，实际工程中，为提高其承载力，常常将钢筋抗浮锚杆现场做弯折处理，但GFRP筋不易弯折，外锚固长度受到限制，所以，为提高外锚固段GFRP抗浮锚杆的承载力，可以通过增大锚杆直径和加设螺母托盘的方式解决。白晓宇等[11]通过不同直径的GFRP抗浮锚杆在砂浆中的拉拔试验，得出在其他条件不变的情况下，锚杆直径越大，其破坏荷载越大；郝庆多等[12]通过拉拔试验，研究发现GFRP筋直径越大，其在混凝土中的抗拉能力越强。刘汉东等[13]通过对直径为10、13和15 mm的GFRP锚杆试件在拉拔试验机上进行试验，研究了GFRP锚杆力学性能及应力应变关系。本文通过自行设计的原位拉拔试验，比较实际工程中不同直径抗浮锚杆外锚固段的抗拔承载力大小，探究GFRP锚杆与混凝土间的粘结性能与受力特性，深入了解GFRP抗浮锚杆外锚固段工作性质，并与加设螺母托盘GFRP抗浮锚杆外锚固试验进行比较[14]，进而达到工程中减少施工工序的目的；同时，与同尺寸的钢筋抗浮锚杆拉拔试验结果进行对比，为GFRP抗浮锚杆的深入研究与应用推广提供理论依据与数据储备。
根据《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152—2012)[15]、《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)[16]、《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)[17]，设计了GFRP抗浮锚杆和钢筋抗浮锚杆外锚固现场拉拔试验。试验在青岛市崂山区某建筑工地内进行，将各类抗浮锚杆浇筑、埋设在混凝土中，好比将工程中混凝土底板倒置，借助试验拉拔测试装置，获取锚杆极限破坏荷载和上拔量。各锚杆样式如图 1所示，各锚杆尺寸见表 1，相应的试验装置示意图如图 2。
试验采用由南京某公司生产的GFRP抗浮锚杆，运用连续成型工艺，经预成型、固化后而形成试验要求的各尺寸抗浮锚杆。其外表面呈螺纹状，主要成分为玻璃纤维和环氧树脂，经出厂测试，杆体密度为2.1 g/cm3，弹性模量41 GPa，极限抗拉强度675 MPa，极限抗剪强度150 MPa；杆体树脂体积分数为25%，玻璃纤维体积分数为75%。
钢筋抗浮锚杆所用钢筋为直径28 mm的三级螺纹钢筋，屈服强度340 MPa，极限抗拉强度570 MPa，伸长率18%。，经钢筋切割机和弯曲机加工为试验要求尺寸。
在试验场地，用挖掘机在已量测区域开挖基槽，基槽的尺寸：长度×宽度×深度为10 m×3 m×0.6 m；在基槽内绑扎好试验锚杆，并灌注强度等级为C30的商品混凝土来模拟基础底板，养护28天后，测得同条件养护的边长为150 mm的立方体试块的抗压强度为30.4 MPa。
试验装置为自行设计的非金属抗浮锚杆拉拔装置，如图 3所示。因GFRP筋材抗剪性能较差，需提前在加载端用结构胶粘结钢套管对GFRP锚杆进行保护，为保证加载端能提供足够的拉拔力，试验所用钢套管的尺寸与文献[3]相同。试验需测量杆体上拔量，在试验装置安装前，将自行设计的位移测试装置 (半圆钢管与角钢焊接件) 用结构胶对称安装在距混凝土面1 cm的锚杆位置，钢筋抗浮锚杆则对称焊接两个角钢即可，安装完毕后，将精度为0.01 mm，量程为30 mm百分表竖直安装在相应的位移测试装置上，用于测量每级荷载作用下的锚杆的上拔位移量，见图 4、图 5。试验拉拔力由已标定好的手动油压千斤顶提供，其吨位为50 t、行程为20 cm。试验各级荷载通过标定好的MGH500锚索测力计及GSJ2A型检测仪 (量程为500 kN，分辨率≤1 kN) 进行测量。在试验装置最上端将穿心铁块牢固焊接在钢套管上，用于提供锚固反力，钢筋抗浮锚杆则直接焊接在钢筋上即可。
根据相关文献规范[16-18]，试验采用分级、匀速加载方式，各级荷载为30 kN，荷载施加完毕每隔5 min读取杆体上拔量，当每级荷载杆体上拔量变化在0.1 mm之内，即可施加下一级荷载。当锚杆杆体破坏，杆体位移不收敛或锚杆位移增量过大时，可判定锚杆发生破坏，试验结束。
试验各锚杆破坏形式如表 2所示。
抗浮锚杆外锚固破坏形式主要有两种：锚杆自身强度不足，杆体发生屈服破坏，当达到锚杆极限承载力时，杆体发生断裂；混凝土与锚杆界面粘结强度较低，其界面发生剪切，当达到最大粘结强度时，锚杆与混凝土之间发生滑移破坏。试验中GZ-D32-M420、GZ-D28-M420和SZ-D28-M420这3种型号锚杆均发生滑移破坏，而对SW-D28-M420-W420型号锚杆在距混凝土面大约7.5 cm处发生拔断破坏。
在GFRP抗浮锚杆拉拔过程中，当荷载加载到180~210 kN时，锚杆内部纤维开始断裂，杆体发生屈服，随着加载的继续进行，纤维丝断裂声越来越大且连续不断，并伴有混凝土破碎的声音，杆体相对于混凝土的位移量增大，当达到杆体的破坏荷载时，随着“嘭”的一声巨响，杆体发生滑移破坏，周围混凝土发生破碎；对于直锚的钢筋抗浮锚杆，在加载初始阶段，试验荷载上升较快，随着加载继续，荷载达到240~280 kN时，千斤顶加载困难，此时达到钢筋屈服阶段，且周围混凝土出现“起皮”现象，随着荷载持续增大，当到达破坏荷载时，杆体发生滑移破坏；对于弯曲的钢筋抗浮锚杆，当达到钢筋屈服阶段，杆体相对于混凝土滑移量增大，当加载到300 kN以后，杆体在接近混凝土表面位置直径变小，随着荷载达到极限值，锚杆瞬间发生断裂，断裂锚杆的自由端飞起，并打翻试验测试装置。各锚杆破坏形式见图 6~8。
从表 2可以看出，在相同的试验条件下，相同的锚固长度、不同直径的GFRP抗浮锚杆，直径越大，极限抗拔承载力越大；锚杆极限承载力的增大，主要是由于锚杆直径增大，锚固段杆体与混凝土的接触面积增大，混凝土与杆体之间可以形成较大的粘结力。试验过程中，直径大的GFRP抗浮锚杆与直径小的相比，其极限承载力提高幅度为18.75%，张明义等[14]通过室内对拉试验，测得直径28 mm、锚固长度为420 mm增设螺母托盘的GFRP抗浮锚杆极限承载力比直锚的GFRP抗浮锚杆的极限承载力提高24.19 %，比较两者的极限承载力提高幅度发现：就锚杆的承载力而言，增加较小的GFRP抗浮锚杆直径，其承载力增幅较大，可以取代螺母托盘的作用。对于相同锚固长度、相同直径的GFRP抗浮锚杆和钢筋抗浮锚杆，两者极限承载力相差不大，但都小于弯曲处理后的钢筋抗浮锚杆SW-D28-M420-W420；对于GZ-D32-M420与SW-D28-M420-W420两类抗浮锚杆，GFRP抗浮锚杆极限承载力略大一些，因此，GFRP抗浮锚杆可以替代钢筋抗浮锚杆，能够满足实际工程的要求。另外，GZ-D32-M420、GZ-D28-M420和SZ-D28-M420这3种型号锚杆均发生滑移破坏，说明在相应的破坏荷载作用下，各锚杆均未达到杆体材料本身的极限破坏状态，还有相应的荷载储备。
试验测试装置设置在锚杆自由段底部，高出混凝土面1~2 cm，所以，试验百分表测出的位移量可以认为是抗浮锚杆相对于混凝土底板的滑移量。各类锚杆荷载与滑移量关系见图 9。
由图 9可知，在相同试验条件下，同尺寸的GFRP抗浮锚杆的最终滑移量比钢筋抗浮锚杆小，因钢筋弹性模量较大，在加载初始阶段，钢筋抗浮锚杆滑移量较小，当达到屈服阶段，滑移量剧增，超过GFRP抗浮锚杆，由此说明，相同条件下，GFRP材料与混凝土之间的粘结性能比钢筋好。相同试验条件的不同直径的GFRP抗浮锚杆，锚杆直径越大，其相对于混凝土滑移量越小，且在每一级荷载作用下，滑移变化量均小。究其原因，主要是GFRP抗浮锚杆直径越大，与混凝土的接触面积越大，在相同的荷载作用下，单位面积分担的平均荷载越小，其粘结强度越大，因此，锚杆滑移量变化值较小。就钢筋抗浮锚杆而言，埋入混凝土中越长的钢筋抗浮锚杆，即弯折处理后的钢筋抗浮锚杆，其滑移量较小，原因也是由于混凝土接触面积较大所致。
由图 9还可以看出，GFRP抗浮锚杆与钢筋抗浮锚杆荷载滑移曲线变化特征不同。GFRP抗浮锚杆变化曲线变化均匀，呈缓变型，且锚杆直径越大，曲线斜率越小。在试验加载初期，GFRP抗浮锚杆滑移量较小，而后变化量有所增加，但较均匀。而钢筋抗浮锚杆荷载滑移曲线存在明显的拐点；在加载初期，荷载滑移曲线呈线性分布，滑移量随荷载的变化较小，约1~2 mm，当荷载达到240 kN时，曲线出现拐点，随后，锚杆滑移量骤增，曲线出现明显的陡降。由此可知，GFRP材料与混凝土的协同工作能力较钢筋更强，能够满足实际工程的需要。
在锚固长度较短的情况下，锚固界面上的剪应力可以认为是均匀的，将拉拔承载力除以锚杆与锚固混凝土的接触面积所得到的值定义为锚杆与混凝土之间的平均粘结应力[19-21]。根据相应的计算方法，计算各类型抗浮锚杆的平均粘结强度，比较其强度值如图 10所示。
由图 10可知，对于发生滑移破坏的不同直径的GFRP抗浮锚杆，平均粘结强度相差不大；而相同破坏特征、相同直径、不同材料的GZ-D28-M420和SZ-D28-M420两种型号的锚杆，GFRP抗浮锚杆的平均粘结强度大于钢筋抗浮锚杆，可以说明，GFRP材料与混凝土的粘结性能较好，主要由于GFRP材料与混凝土的弹性模量相近所致；对于SZ-D28-M420与SW-D28-M420-W420两种钢筋抗浮锚杆，锚杆伸入混凝土中的尺寸越大，其平均粘结性能越小，由两种锚杆发生破坏方式不同也可证明，钢筋抗浮锚杆锚固长度愈短，愈能发挥杆体与混凝土之间的粘结力。
因GZ-D32-M420和GZ-D28-M420两种型号锚杆的平均粘结强度近似相等，破坏形式相同，也可说明当GFRP抗浮锚杆平均粘结强度达到锚杆与混凝土的极限粘结应力，却未达到锚杆本身的屈服极限时，锚杆发生滑移破坏。结果表明，在极限拉拔荷载作用下，锚杆发生滑移破坏时的平均粘结强度为锚杆的极限平均粘结强度；当锚杆处于极限平均粘结强度下，增加材料与混凝土接触面积，其最终的滑移破坏荷载会相应增加，当该值超过锚杆自身发生拉断破坏荷载时，GFRP抗浮锚杆会发生拉断破坏。在这里，可以定义，当GFRP抗浮锚杆最大滑移破坏荷载等于其拉断破坏荷载时，GFRP抗浮锚杆与混凝土底板的接触面积为最佳外锚固面积，它的取值与锚杆直径和锚固长度有关。其相应的计算式为
式中:A为锚杆最佳外锚固面积，mm2；P为锚杆拉断破坏时的荷载，kN；P0为锚杆滑移破坏时荷载，kN；A0为滑移破坏时，锚杆与混凝土底板的接触面积，mm2。
GFRP材料为正交各向异性材料，其纵向和横向的力学特性不同，所以以上分析只针对直锚形式的GFRP抗浮锚杆外锚固情况。
GFRP筋与混凝土的粘结特性的研究是GFRP抗浮锚杆的关键技术问题，GFRP筋与混凝土之间的粘结力可以实现锚杆与混凝土之间的荷载传递。因此，GFRP抗浮锚杆的平均粘结强度与滑移关系可以反映杆体与混凝土共同作用的机理。锚杆平均粘结强度与滑移曲线如图 11所示。
在锚杆受拉过程中，锚杆与混凝土之间的作用力主要由化学胶着力、机械咬合力、相互摩擦力组成。由图 11可知，GFRP抗浮锚杆与钢筋抗浮锚杆粘结滑移曲线变化规律不同，GFRP抗浮锚杆曲线呈缓降趋势，不存在明显拐点，在初始阶段，锚杆滑移量甚小，而其平均粘结强度增长较大，说明此时锚杆与混凝土之间的化学胶着力起主要作用；随着荷载的增加，锚杆平均粘结强度随荷载增速变小，说明二者的机械咬合力开始发挥作用；在试验最后阶段，曲线基本呈线性变化，说明此时锚杆与混凝土之间化学胶着力基本完全丧失，机械咬合力发挥主要作用。对于钢筋抗浮锚杆，其曲线由缓变段和陡降段两部分组成，并有明显拐点，当0~80 kN时，化学胶着力在杆体与基础底板之间起主要作用，曲线较平缓；随着试验进行，曲线斜率变大，杆体与混凝土之间机械咬合力开始发挥作用；进而，两者关系曲线出现拐点，机械咬合力发挥作用越来越大，致使杆体上拔量增速变大，平均粘结强度增速变缓。由此可见，GFRP锚杆与混凝土之间的作用机理与钢筋抗浮锚杆相比不同，GFRP锚杆与混凝土之间的化学胶着力较大，使加载过程中，位移变化量更均匀，也可证明，GFRP材料与混凝土的协同作用能力更强。
对于不同直径的GFRP抗浮锚杆，在相同的平均粘结强度下，锚杆直径越大，滑移量越小，说明锚杆与混凝土接触面积越大，其分担荷载能力越强，致使其平均粘结能力发挥越慢。对于不同形式的钢筋抗浮锚杆，相同的荷载作用下，埋入混凝土内长度较短的锚杆粘结能力发挥较快；另外，锚杆埋入长度越长，曲线拐点出现越慢，可见，锚杆锚固长度越长，即埋入混凝土中长度越长，杆体与混凝土之间的联合作用效果越好。对于不同的材料的抗浮锚杆，GFRP材料曲线变化更均匀，也可说明其与混凝土之间粘结性能更好，更能满足实际抗浮工程的需要。
在GFRP抗浮锚杆外锚固段，锚杆与混凝土之间粘结力的大小决定了锚杆承载力，而锚杆的形式及锚固长度是粘结力的主要影响因素。由此，通过拉拔试验测定各类GFRP抗浮锚杆在不同标号混凝土内的极限平均粘结强度和拉断破坏荷载，可以求得GFRP抗浮锚杆最佳外锚固尺寸，进而能为GFRP抗浮锚杆的优化设计及工程应用提供依据。
1) GFRP抗浮锚杆直径越大，其外锚固极限承载力越大，可见，在工程中提高有限的杆体直径，可以取代配套螺母托盘的作用，施工简便。
2) 与工程中常见的钢筋抗浮锚杆相比，GFRP抗浮锚杆有较强的适用性，能够满足工程中抗浮锚杆的承载力和变形的需求。
3) 通过试验研究，给出了GFRP抗浮锚杆最佳外锚固面积，即当GFRP抗浮锚杆最大滑移破坏荷载等于其拉断破坏荷载时，GFRP抗浮锚杆与混凝土底板的接触面积，并提出了其相应的计算公式。
4) 通过对试验变化曲线分析可知，与钢筋抗浮锚杆相比，GFRP抗浮锚杆与混凝土之间粘结性能较好，GFRP材料与混凝土之间的协同作用更佳，更能满足实际工程需要。
5) 基于试验结果与理论分析，得到GFRP抗浮锚杆最佳外锚固面积，并提出计算式，为GFRP抗浮锚杆优化设计和工程应用提供借鉴和参考。
2017, Vol. 39 Issue (2): 107-114
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2017, Vol. 39 Issue (2): 107-114
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