BFRP锚杆公路岩质边坡加固工程应用研究

黄代茂， 汪小静， 赵文

(1.广东嘉应环城高速公路有限公司， 广东 广州 510000； 2.西南交通大学)

岩质边坡加固工程锚杆一般选用钢筋锚杆，然而，钢筋锚杆锚固结构不可避免存在钢筋腐锈蚀的耐久性问题。虽然钢筋锚杆防腐技术有所发展，但锚杆的防腐技术没有根本解决。近年来，新型FRP(Fiber reinforced polymer)筋材锚杆(如BFRP、GFRP、CFRP)以轻质高强、耐腐蚀等优越性能，逐渐应用在工程建设中，特别是玄武岩纤维复合筋(简称BFRP)，在公路路面工程中应用广泛。

然而利用BFRP筋材作为工程锚杆，目前应用实例不多。郭成鹏等(2012年)研究了BFRP筋作为锚杆在岩土工程中的适宜性；赵文等(2016年)研究了BFRP锚杆在土质边坡加固工程中的应用；高先建等(2017年)研究了BFRP锚杆土质边坡加固设计参数；冯君等(2019年)研究了BFRP土层锚杆抗拔性能；王安福等研究了BFRP锚杆公路边坡工程的初步应用。目前BFRP筋材作为工程锚杆进行了一些探索性试验研究，而将BFRP筋材作为工程锚杆规模应用却很少。

该文结合BFRP力学性能参数，采用数值分析方法，对BFRP锚杆支护参数进行优化设计。将BFRP锚杆应用于实际岩质边坡加固工程，提出BFRP锚杆岩质边坡加固设计方法、施工工艺及检测方法。

1 BFRP锚杆的主要工程性能

BFRP是一种新型非金属复合材料，具有极好的工程性能，由于工程锚杆一般采用φ12 mm以上BFRP筋材，该文对φ14 mm、φ16 mmBFRP筋进行拉拔试验和与水泥基类黏结性能试验，结果如表1所示。

表1 BFRP筋材主要工程性能

BFRP筋材密度为1.9～2.1 g/cm3，弹性模量为(46.3～54.3)×103MPa，酸碱强度保留率为92.6%～96.0%，抗剪强度为150～180 MPa，蠕变松弛率为4.43%。与钢筋相比，具有强度高、质量轻等优点，且施工方便，综合经济性明显优于传统钢筋锚杆。

2 公路边坡BFRP锚杆的加固设计

2.1 边坡概况

广东省梅州东环高速公路K13+785～K14+060路堑右侧边坡，最大坡高为59 m。线路走向为NW274°，边坡倾向为184°。边坡主要由第四系坡残积粉质黏土和碎石、前泥盆系上统砂岩、碎裂岩及其风化层组成，岩土力学指标如表2所示。

表2 岩土力学指标

根据拟定坡形坡率，1～3级边坡坡高均为10 m，其中1级边坡坡率为1∶0.75；2级为1∶1.00；3级为1∶1.25。4级边坡受地形影响坡高不等，但坡率为1∶1.50，各级边坡平台宽2 m。

采用FLAC软件对开挖边坡稳定性进行分析，以K13+880右侧剖面为代表剖面，分析模型如图1所示。经验算，边坡开挖前稳定系数为 1.77，开挖后稳定系数为1.08，边坡安全储备不足，需要进行加固处理。

图1 分析模型

2.2 锚固设计

锚固设计基本过程参照JTG D30-2015《公路路基设计规范》，BFRP锚杆长度取决于两个方面：① 锚杆与注浆体之间的黏结能力；② 注浆体与岩土层之间的黏结能力。

为使注浆体不会从岩土层中拔出，则岩土层与注浆体间黏结长度L应满足下式：

(1)

式中：K为安全系数；Nt为锚杆轴向拉力设计值(kN)；d为锚孔直径(m)；frb为岩土层与注浆体之间的黏结强度(kPa)。

为使锚杆不会从注浆体中拔出，则锚杆与注浆体之间黏结长度L应满足下式：

(2)

式中：n为锚杆根数；ds为锚杆直径；β为考虑成束筋材系数；fb为注浆体与锚杆体间的黏结强度(kPa)，对于M30砂浆，取4 000 kPa。

按安全系数1.30求得边坡稳定需要锚固力为400 kN/m。取锚杆水平间距为3 m，则每3 m边坡所需要的锚固力为1 200 kN，各排锚杆锚固力设计值如表3所示。FBRP锚杆沿坡面水平间距取3～4 m，锚固体直径设计为100 mm，注浆材料选用M30砂浆。

表3 BFRP锚杆锚固力设计取值

根据锚固力设计值，取单根φ16 mm BFRP 筋材作为锚杆，单根φ16 mm BFRP极限承载力为160 kN，满足100 kN设计锚固力要求。根据式(1)～(2)计算得1～3级边坡锚杆锚固段长度分别为1.91、2.55、2.55 m。锚固段长度不宜小于2 m，也不宜大于10 m，综合取锚杆锚固段长度为3 m。自由段长度主要根据被加固边坡潜在滑面的产状、深度和锚杆设计位置来确定。根据边坡锚杆布设剖面，1、2、3级边坡锚杆所对应的滑面深度为5.5、7.0、8.5 m，则1、2、3级边坡锚杆长度分别为8.5、10.5、11.5 m。

边坡加固设计措施如下：1～3级边坡均采用锚杆格梁加固，锚杆采用φ16 mm BFRP 锚杆，1级边坡锚杆长8.5 m，间距为3 m×3 m；2级边坡锚杆长10 m，间距为3 m×4 m；3级边坡锚杆长11.5 m，间距为3 m×4 m；4级边坡采用6 cm客土喷播防护；5级边坡采用人字形骨架三维网植草防护；6级边坡采用三维网植草防护。

采用数值方法对加固边坡稳定性进行分析表明，采用上述加固措施后，边坡稳定性系数为1.28，满足规范要求，计算锚杆拉拔力(图2)低于设计抗拔力。

3 边坡BFRP锚杆施工工艺

BFRP锚杆根据设计规格由厂家生产和裁剪，在钢筋加工场进行统一制作，制作完成后运送至现场进行安装。

图2 代表性剖面锚杆计算轴力(单位：N)

3.1 BFRP锚杆构造设计

FBRP锚杆不同于钢制锚杆，锚头不能焊接，需采用特制锚具将锚杆与格梁连接。BFRP锚杆构造如图3、4所示。

图3 BFPR构造图(单位：mm)

图4 BFRP构造细节

锚具钢套管采用φ25 mm无缝钢管，壁厚3.2 mm，单根长40 cm。采用植筋胶作为BFRP锚杆与钢管黏结材料。

3.2 BFRP锚杆制作工艺

BFRP锚杆制作工艺流程：锚具制作→锚杆上涂植筋胶→锚具中填充植筋胶→锚具与锚杆连接→锚具头填充植筋胶并封锚头→锚杆成型。

制作锚具时要求钢管与钢筋双面焊，焊缝饱满，保证焊接质量；因植筋胶凝固速度快，锚杆体涂抹植筋胶和锚具填充植筋胶速度要快，填充后立即进行连接，不能超过20 min；锚杆体涂植筋胶应均匀，锚具填充植筋胶要饱满，保证两者连接牢固；连接好后不能拖拽锚杆，达到24 h以上方可运至现场施工。

3.3 BFRP锚杆施工工艺

BFRP锚杆施工与普通锚杆施工主要步骤类似，包括：测量放线→钻孔至设计深度→清孔→BFRP锚杆安装→注浆→养护→裸露BFRP筋材保护→格梁施工→BFRP锚杆锚头钢筋与格梁钢筋绑扎→格梁浇筑混凝土。

(1) 为使锚杆置于钻孔中心，在锚杆上每隔1 500 mm设置一个定位环。

(2) 使用前检查锚杆有无油污、缺裂等情况。

(3) 钻孔完毕后立即安装成品BFRP锚杆以防塌孔。

(4) 检查注浆管无破裂和堵塞，接口牢固，防止注浆压力加大时开裂跑浆。

(5) 注浆体采用M30水泥砂浆，注浆时采用孔底反浆法，注浆过程中严禁上拔绑定的注浆管。

(6) 在注浆过程中看见孔口出浆时封闭孔口。

(7) 注浆后自然养护不少于7 d，在注浆体硬化之前，不得扰动BFRP锚杆。待强度达到设计强度的70%时方可进行张拉检测。

(8) 锚头钢筋与格梁钢筋采用双面焊接，以保证焊缝饱满，锚头外BFRP筋预留长度20～30 cm，浇筑于格梁之中，可提高锚固效果。

4 BFRP锚杆加固边坡变形监测

为了验证BFRP锚杆加固边坡的有效性，对边坡在开挖及加固过程中的变形进行监测，监测点布置如图5所示，其中6个坡面位移监测点，位于1～5级边坡坡顶平台上，1个深层位移监测点位于K13+860断面4级边坡坡顶平台上。

图5 监测点布置图

施工过程中边坡变形如图6所示。边坡于2018年7月开始施工，由上至下开挖，并依次施工加固措施。从图6可以看出：在开挖6～3级边坡过程中， 边坡变形不大，最大约为20 mm；开挖1、2级边坡后，边坡产生了一定的变形，变形增量约为60 mm，这是因为1、2级边坡较陡，导致变形量稍大。监测结果显示地表位移速率较小，且趋于稳定，现场巡查堑顶周边、截水沟、坡面、平台等部位未发现坍塌、开裂，表明该坡体处于稳定状态。

图6 边坡坡面变形曲线

图7为K13+840处4级平台的深层水平位移曲线。监测历时近1年，于2019年9月28日结束监测。

从图7可以看出：4级平台坡顶在近1年的周期内，最大水平变形约为11 mm，且随深度的增加逐渐减小。整体上看，边坡水平变形不大，边坡整体稳定，也说明了1～3级边坡采用BFRP锚杆加固，部分区段2级边坡采用锚索加固的措施是有效的。

图7 边坡深层水平位移曲线

5 结论

通过试验研究了BFRP锚杆加固公路岩质边坡的可行性及适用性，得到如下结论：

(1) 提出了BFRP锚杆设计方法。BFRP锚杆设计时，抗拉强度标准值为700 MPa，与砂浆的黏结强度标准值为4 000 kPa。

(2) BFRP锚杆锚具黏结采用高强度植筋胶，并注胶饱满。BFRP锚杆锚头钢筋与格梁钢筋双面焊接，并预留 20～30 cm筋材浇筑于格梁，以提高锚固效果。

(3) BFRP锚杆加固岩质边坡变形监测结果表明，BFRP锚杆达到了加固边坡的目的，变形速率较小，且边坡趋于稳定，BFRP筋材作为锚杆加固边坡是适宜的。

(4) 在同等拉拔力要求下，BFRP筋材相比普通钢筋，具有高强、轻质、耐腐蚀、与注浆体黏结性能良好等优势。且BFRP锚杆经济优势明显，施工方便，建议扩大范围推广应用。