玄武岩纤维增强锚杆在边坡工程中的研究现状及展望

Research Status and Prospect of Basalt Fiber Reinforced Anchor Rods in Slope Engineering

摘要: 随着工业的崛起，纤维增强聚合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)在土木工程中也得到了较好的发展和应用。玄武岩纤维增强聚合物(Basalt Fiber Reinforced Polymer, BFRP)锚杆作为一种新型绿色复合材料支护结构，因其轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳等特性，在岩土工程中展现出替代传统钢锚杆的潜力。本文基于目前BFRP锚杆的研究成果，阐述了BFRP的材料性能、锚固性能以及工程实践研究现状，说明了在边坡支护工程应用中使用BFRP锚杆取代传统钢筋锚杆的可行性与先进性，并对BFRP锚杆研究领域存在的不足进行了分析，本文可为BFRP锚杆的工程推广提供参考。

Abstract: With the rise of industry, Fiber Reinforced Polymer (FRP) has seen significant development and application in civil engineering. Basalt Fiber Reinforced Polymer (BFRP) anchors, as a novel green composite material support structure, demonstrate considerable potential to replace traditional steel anchors in geotechnical engineering due to their lightweight, high strength, corrosion resistance, and fatigue resistance properties. This paper discusses the current research findings on BFRP anchors by elaborating on the material properties of BFRP, its anchoring performance, and the status of practical engineering studies. It highlights the feasibility and advantages of using BFRP anchors instead of conventional steel rebar anchors in slope support projects. Furthermore, this paper analyzes existing shortcomings within the field of BFRP anchor research and aims to provide valuable insights for promoting the engineering application of BFRP anchors.

1. 引言

在锚固工程中，锚杆由于是主动支护，且能有效提高岩土体的稳定性，控制岩土体的位移和变形，特别是在软弱地层和松散土层中，效果更为显著，与其他支护形式相比锚杆支护通常具有较低的成本，且施工速度快，可以节省大量的经济资源，在边坡工程及地下工程中得到广泛的应用[1]。传统的锚杆技术虽然在一定程度上解决了边坡稳定性的问题，但其材料的耐久性、抗腐蚀性以及施工难度等方面仍存在诸多不足。随着材料学的兴起，在工程领域也相应引入复合纤维增强塑料(FRP)材料[2]。根据纤维的不同，FRP可分为玻璃纤维增强塑料(Glass fiber reinforced plastic, GFRP) [3]、碳纤维增强塑料(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP) [4]、芳纶纤维增强塑料(Aramid fiber-reinforced plastic, AFRP) [5]以及玄武岩纤维增强塑料(Basalt fiber-reinforced plastic, BFRP) [6]。BFRP材料因其轻质、高强度、耐腐蚀等优良特性，逐渐成为岩土锚固领域的研究热点。相较于钢筋锚杆，BFRP锚杆的弹性模量较低，这使其在岩土体发生一定变形时能够提供更好的适应性，同时吸收更多的能量，从而避免出现刚性锚杆可能导致的脆性破坏。早期，BFRP被用于加固钢筋混凝土梁[7]，以及用于海洋环境下代替普通钢筋用于结构工程[8]，随着理论的不断深入，BFRP逐渐开始被用于边坡工程及地下工程。本文基于对BFRP锚杆已有的研究成果进行总结归纳，期望为BFRP锚杆在锚固工程领域的发展及推广提供参考。

2. BFRP锚杆材料性能研究现状

2.1. BFRP锚杆力学性能

力学性能是衡量材料用于工程优劣的重要指标。为了研究BFRP用于土木工程领域的可行性，国内外已有众多学者对BFRP棒材的力学性能进行了大量的试验研究。系统的分析了BFRP筋材的拉伸性能、剪切性能和破坏模式。杜志刚[9]等通过试验分析BFRP筋的线弹性特征及拉伸破坏模式，其抗拉强度平均值是HRB400钢筋的1.5倍，并且发现BFRP筋的破坏模式为脆性破坏，BFRP筋材是典型的线弹性体。陈尚建等[10]对BFRP棒材进行了抗拉强度试验，发现其力学性能已完全满足工程应用要求。Fan [11]、赵文等[12]通过对不同直径的BFRP筋材进行拉伸测试，也得出类似结论。BFRP筋及HRB400钢筋主要规格和性能指标如表1所示。BFRP筋和螺纹钢筋的应力–应变曲线如图1所示。

Table 1. Main specifications and performance indicators of BFRP bars and HRB400 bars

表1. BFRP筋和HRB400钢筋主要规格和性能指标

性能	规格(mm)	BFRP筋	HRB400钢筋
拉伸强度/MPa	12	851	极限强度标准值400
	16	1000
	20	900
拉伸弹性模量/GPa	12	45	200
	16	48
	20	45
极限应变/%	12	1.90	平均伸长率为14
	16	2.08
	20	2.08
密度/(kg﹒m^-3)	12	1956.8	7800
	16	2050.0
	20	2020.0

Figure 1. Comparison diagram of stress-strain between BFRP bars and ordinary bars

图1. BFRP筋与普通钢筋应力–应变对比图

相较于普通钢筋锚杆，BFRP锚杆的抗拉性能要更优越，但是其抗剪性能和弹性模量要低于普通钢筋锚杆，这就造成BFRP锚杆控制岩土体的变形能力要弱于普通钢筋锚杆。高先建等[13]通过剪切试验发现BFRP锚杆平均剪切强度要比普通钢筋锚杆低10%左右，王路兰[14]通过试验也验证了该结论。张书博等[15]通过室内直剪试验研究对比了BFRP筋与传统钢筋锚固节理岩体抗剪性能发现BFRP筋与钢筋在剪切过程中同样表现出韧性，且抗剪强度受锚固倾角的影响较大。Xie等[16]通过节理岩体双剪试验，研究发现较大的锚固倾角或预应力可以提高BFRP锚杆的抗剪性能。虽然BFRP的抗剪性能不如钢筋锚杆，但是可通过调整锚杆倾角来增强锚杆的整体强度。在后续研究中，如何提高BFRP锚杆的抗剪性能以及提高控制岩土体变形能力是一个重要课题。

2.2. BFRP锚杆耐腐蚀性能

在边坡支护工程中，由于岩土体中含有水分。边坡支护结构的抗腐蚀性能直接关系到工程的安全性和稳定性。如果支护结构因腐蚀而损坏，可能导致边坡滑坡、崩塌等危险情况，所以对于支护结构的抗腐蚀性能要求尤为重要[17]。普通钢筋锚杆一般通过涂抹防腐涂料以达到防腐效果，但随着时间的推移防腐涂层难免会脱落，很难达到防腐效果。吴刚等[18]对浸泡在60℃碱溶液的BFRP筋进行拉伸试验，发现经过45天后BFRP筋的抗拉强度保留率仍有70.4%。杨国梁[19]将BFRP筋置于酸溶液中，经38天浸泡测试抗拉强度发现平均保留率仍有92.6%。一般来说，玄武岩纤维在酸性环境下的耐受性优于碱性环境。对于水泥基锚固剂，BFRP锚杆的耐腐蚀性能要优于普通钢筋锚杆。俞晨晖[20]通过数值模拟比较了BFRP锚杆和钢锚杆在腐蚀环境下抗拉力的变化，研究发现BFRP锚杆的安全稳定性远远高于钢锚杆，可替换钢锚杆做永久支护构件。

3. BFRP锚杆锚固性能

3.1. 黏结性能

FRP锚杆主要由三部分组成，包括：锚杆、锚具、锚固体[21]。FRP筋之间的粘结力由化学粘结、机械咬合、摩擦力机制构成[22]。当锚杆体受力时，化学胶着力是粘结力的主要部分，当岩土体施加给锚杆体的力持续增加时，随着化学胶着力的破坏，杆体与粘结剂之间的机械咬合力、摩擦力是粘结的主要部分。BFRP锚杆的锚固性能核心体现在其与周围介质的黏结强度和荷载传递机制。高丹盈等[23]建立了FRP锚杆与岩石体的粘结–滑移理论方程，并对锚固性能进行了有限元数值分析和现场试验，几种典型的FRP筋粘结滑移关系如图2所示[24]。国内外学者通过大量试验验证BFRP筋的荷载–滑移基本上可以分为微滑段、滑移段、剥离段和下降段这四个阶段。

对已有文献中BFRP锚杆试验及模拟总结发现：BFRP锚杆破坏与钢筋锚杆破坏有很多相似之处，主要破坏模式有：锚杆杆体材料破坏、第一界面破坏(锚杆与锚固体界面)、第二界面破坏 (锚固体与岩土体界面)、岩土体破坏[25]，如图3所示。冯君等[26] [27]通过室内拉拔试验与现场试验发现BFRP锚杆均为第二界面破坏，第一界面在受到拉拔时并未达到极限状态，且第二界面强度已经发生滑移破坏，罗金标等[28]也有类似的结论。这是由于灌浆料与锚杆的粘结性能较好，而由于岩土体的力学性能较弱造成的。

Figure 2. Comparison of different FRP bar bonding and sliding models

图2. 不同FRP筋粘结滑移模型对比

Figure 3. Failure modes of the BFRP anchor bolt anchoring system

图3. BFRP锚杆锚固系统的破坏形式

3.2. 影响锚固性能的因素

影响BFRP锚杆与灌浆体的粘结效果有很多因素，如BFRP筋的粗糙度、螺纹深度、灌浆体的含沙量以及灌浆体的强度等[29]。高先建等[30]通过粘结试验发现，水泥基灌浆料强度越高，锚杆与灌浆体的粘结强度越高。沈新等[31]对不同螺纹深度的BFRP筋进行拉拔试验，发现无螺纹的BFRP筋拉拔性能要低于带螺纹的BFRP筋。冯君等[29]通过调整灌浆体的含沙量，发现灌浆体中的含砂越高，锚固体系的粘结性越好。这是因为灌浆料中的砂可以有效增加锚杆与灌浆体的机械摩擦力，从而增大第一界面锚固力。通过学者们的试验可以知道，虽然BFRP锚杆通常为第二界面破坏，但提高第一界面的锚固力同样重要，当灌浆料与锚杆粘结力不足时则会发生突然的拔出破坏。当应用于工程现场时，此时破坏造成的损失巨大。

目前针对BFRP第二界面破坏理论研究还不够充分，学者们大部分是通过确定性因素影响来研究第二界面破坏。较大的锚杆直径可以提供较大的极限拉拔性能，抵抗剪切破坏的能力也会越强。随着锚固长度的增加，BFRP锚杆的极限荷载也会随之增加，但增大幅度会越来越小。陶亚文等[32]通过BFRP砂浆锚杆拉拔试验，研究了BFRP砂浆锚杆的锚固粘结性能，发现锚固长度、筋材直径对锚杆粘结强度造成显著影响，但随着锚固长度的增加，锚杆与锚固体的粘结强度却降低，这说明BFRP锚杆与钢筋锚杆类似，也存在“临界锚固长度”。冯君等[26]通过室内加载试验也得到同样的结论，当锚固长度大于临界长度时，锚杆的极限承载力将不再增加。王路兰[14]通过FLAC^3D模拟BFRP锚杆支护边坡不同的锚杆入射倾角，发现当入射倾角为45˚时锚杆的支护效果最好。目前BFRP锚杆的支护设计参数未有相应的系统规范，参数仍参考钢筋锚杆的相应规范。

4. BFRP锚杆在边坡工程中的研究进展

在边坡支护中，锚杆支护作为主动支护形式，由于其施工简单、对岩土体的扰动小得到了广泛应用。由于土压力依靠锚杆提供的拉力承担，且土体存在滑动面，所以对锚杆的抗拉以及抗剪强度有较高的要求。高先建[30]通过对某项目场地内开挖的基坑边坡进行BFRP锚杆支护并结合FLAC^3D模拟，验证了非预应力BFRP锚杆加固土质边坡的设计方法是合理的可行的。高岩川[33]等通过现场试验对比钢筋锚杆与BFRP锚杆，发现玄武岩筋材锚杆在锚杆最大拉力、边坡变形都要小于钢筋锚杆，验证了玄武岩纤维筋材替换现有普通钢筋锚杆是可行的。Feng [34]和Wang [35]，通过试验研究表明，BFRP锚杆用于边坡锚固具有轴力衰减率低的特点，也得到了上述相似的结论。郭成鹏等[36]对玄武岩纤维杆体材料和灌浆料进行力学性能测试，在此基础上，依据FLAC^3D对玄武岩纤维锚杆与灌浆料粘结性能进行数值模拟分析，结果表明BFRP具有耐腐蚀、轻质、高强等优良特性，比钢筋或钢绞线更适合作为锚杆材料应用于岩土工程锚固。多项研究验证了BFRP锚杆的轻质、高强、耐腐蚀等特性，其抗拉强度与钢筋锚杆相当甚至更优，且能显著降低锈蚀风险，延长工程寿命。刘毅[37]利用路堑边坡进行支护试验将BFRP锚杆与钢筋锚杆做对比，发现采用直径14 mm的BFRP筋材支护路堑边坡，其效果与采用直径为32 mm的钢筋锚杆支护边坡相当，BFRP锚杆支护比普通钢筋锚杆支护要节约10%的成本，且BFRP锚杆不会存在锈蚀问题。结合其长期寿命和维护成本低的特点，全生命周期成本要比普通钢筋锚杆要更低，其非金属的特性也更符合绿色工程的发展趋势。Wu等[38]研究发现BFRP锚杆作为一种支撑边坡的柔性结构，与钢锚相比，可以有效降低地震波对边坡的影响，并在一定程度上衰减地震波。此外，BFRP锚杆可以与边坡协调变形，提高边坡的整体工作性能，特别是限制中下边坡的动力响应。

现有的研究成果多为在短期实验或数值模拟，对于BFRP锚杆在复杂支护条件(如冻融循环、土壤酸碱环境下的侵蚀)下的长期耐久性验证。建议在以后的研究中可以着重于BFRP锚杆在复杂环境(腐蚀、冻融、干湿循环)下的力学性能退化规律，及其与土体-锚固界面-灌浆料的耦合作用机理的研究。

5. 结论与展望

目前学者针对BFRP锚材料性能、锚杆力学性能以及实际工程应用都验证了BFRP锚杆在边坡工程中的可行性且效果较好。相较于普通钢筋锚杆，BFRP锚杆有以下优势：

(1) 力学性能优越：玄武岩纤维增强锚杆具有较高的抗拉强度、抗剪强度和耐腐蚀性能，能够有效提高边坡的稳定性。实验结果表明，玄武岩纤维增强锚杆的抗拉强度比传统钢锚杆高出20%以上，且在长期使用中表现出优异的耐久性。

(2) 环境友好：玄武岩纤维是一种天然材料，生产过程中产生的环境污染较小，符合绿色建筑和可持续发展的要求。此外，玄武岩纤维增强锚杆在废弃后可以回收再利用，减少了对环境的负担。

尽管玄武岩纤维增强锚杆在边坡工程中展现出诸多优势，鉴于BFRP锚杆的未来发展趋势，还需对其进行以下研究与探索：

(1) 由于BFRP锚杆抗剪强度要低于钢筋锚杆，提高其抗剪性能是一个重要课题。进一步优化玄武岩纤维的制备工艺，研究不同纤维长度、直径和排列方式对锚杆性能的影响，开发出更加高性能的玄武岩纤维增强锚杆。

(2) 现有研究多集中于短期力学性能，缺乏长期服役周期的蠕变、疲劳及多场耦合(冻融–化腐蚀–荷载)退化规律数据研究，应进一步探讨多种因素作用下BFRP锚杆的力学行为及锚固性能。

(3) 由于BFRP锚杆存在第一和第二界面破坏，应该在提高第一界面粘结性能和构建第二界面粘结滑移模型再继续探索。

(4) 进一步完善BFRP锚杆相关国家和地方标准的制定，推动行业的进步，使得BFRP制品在生产过程中规范化，试验操作标准化，试验方法科学。