巖土錨固是巖土工程領域的重要分支。在巖土工程中采用錨固技術，能比較充分地調動和提高巖土體自身的強度和穩定性，縮小結構物尺寸和減輕其自重，顯著節約工程材料。錨固技術已經成為提高巖土工程穩定性和解決復雜的巖土工程問題的有效方法之一，目前已在邊坡、基坑、礦井、隧道、地下工程、壩體、航道、機場、港口以及抗傾、抗浮結構等工程建設與改造中廣泛應用^[1]。
    為使我國的巖土錨固設計和施工符合經濟合理、技術先進、安全可靠的原則，1986年我國頒發了標準《錨桿噴射混凝土支護技術規范》^[2]；1990年頒發了《土層錨桿設計施工規范》^[3]；2001年又頒布了修訂后的《錨桿噴射混凝土支護技術規范》^[4]。這些規范對巖土錨桿的設計、材料、施工、防腐、試驗和檢測等都作了明確規定。對預應力錨桿服務年限2年或2年以上的定為永久錨桿，反之為臨時錨桿。錨桿設計采用統一的安全系數，見表1。

           
    錨固技術以其獨特的效應、簡便的工藝、廣泛的用途、經濟的造價在巖土工程的建設和改造中具有重要的作用。但目前工程中慣用的鋼錨桿也存在著一些突出的問題，主要有①鋼筋腐蝕問題；②防腐處理問題；③自重大；④運輸、安裝困難。鋼錨桿的這些不足都制約了鋼錨桿的應用，并且鋼錨桿的腐蝕不僅影響結構的耐久性,嚴重時還會出現重大工程事故。纖維增強塑料筋錨桿能夠克服鋼錨桿的這些不足，其主要特性為①高耐久性材料，無需防腐處理；②自重輕，制造、運輸、安裝容易，施工方便、效率高；③構造簡單；④張拉和重新張拉簡單；⑤易適應巖上層變形，因此由于巖土層徐變的張拉損失減??；⑥抗電磁性，可用于磁場和有散亂電流的地方;⑦即使在侵蝕性環境中也無需特殊處理;⑧能用光纖傳感器監測；⑨可用傳統的錨桿裝配技術施工。因此，纖維增強塑料筋錨桿為錨固技術在巖土工程中的應用開辟了更為廣闊的前景^[5,6]。
    錨桿設計包括確定外荷載的類型和大小、確定錨桿的布局和安設角度、錨桿結構設計、驗算錨桿的穩定性等。GFRP錨桿的結構設計包括錨固體設計、拉桿設計以及錨頭設計等內容。與鋼錨桿相比，GFRP錨桿對橫向荷載有較強的敏感性，不能直接與緊固器(如螺母)相連^[7,8]。因此，為了發揮纖維增強塑料筋拉桿的縱向高抗拉性能，還必須設計與GFRP錨桿相適應的端部錨具。
1 錨桿選型
    已知錨桿桿體的極限抗拉強度標準值，該型錨桿的允許設計荷載由式(1)計算可得：

            
    其中，N_f為GFRP錨桿軸向拉力設計值，kN;A為錨桿有效截面積，mm²;f_puk為GFRP錨桿的抗拉強度標準值，MPa；K為錨桿設計安全系數，參照《錨桿噴射混凝土支護技術規范》(GB50086-2001)，臨時錨桿取1.6，永久錨桿取1.8。
    項目前期工作中，對國內兩個不同廠家生產的GFRP錨桿進行力學特性測試。
    試驗結果表明，南京奧沃科技發展有限公司生產的OW系列φ32錨桿的抗拉強度標準值412MPa；海績滿玻璃鋼制品有限公司的K60-φ32錨桿的抗拉強度標準值560MPa。K60-φ32錨桿的抗拉強度標準值高于OW系列φ32錨桿0.35倍。同時，K60-φ32錨桿的試驗結果重復性優于OW系列φ32錨桿。因此，建議采用K60-φ32錨桿作為設計使用錨桿。
    K60-φ32錨桿有效直徑A＝706.85mm²，帶入式(1)，計算得K60-φ32臨時錨桿的設計荷載為250kN，K60-φ32永久錨桿的設計荷載為220kN。
2 GFRP錨桿外錨段設計
    鋼筋錨桿安裝過程中，孔口段，鋼筋錨桿直接打彎后和框架梁內的主筋搭接在一起。
    GFRP錨桿屬于樹脂纖維復合材料。錨桿本身不能焊接，同時，GFRP復合材料的抗彎性能和鋼筋相比，存在明顯不足。因此，不可能像鋼筋錨桿那樣在孔口處彎曲。
    我國國內設計的錨桿框架梁的小截面積為300×350mm?？蚣芰盒『穸葹?0mm。中間布置鋼筋籠。鋼筋籠距框架梁邊緣為50mm。確保混凝土完全包裹鋼筋，避免鋼筋裸露在外，受到外界環境侵蝕。[-page-] 
    (1)純粘結型的大抗拔力
    未對GFRP錨桿外錨固段做任何處理，僅憑GFRP錨桿與框架梁內的混凝土之間的粘結，可由下式計算可得GFRP錨桿的大抗拉拔力：
             N＝πdqL             (2)
    其中，L為錨固段的長度，mm；N為錨桿軸向抗拉力，kN;d為纖維增強塑料筋錨桿直徑，mm;q為水泥漿與纖維增強塑料筋拉桿間的粘結強度設計值，參照標準《錨桿噴射混凝土支護技術規范》，取0.8倍標準值，見表2。

       
    計算可得,30cm錨固長度情況下,GFRP錨桿所能承受的大抗拔力75.4kN，遠遠低于錨桿的設計拉力220kN。
    因此，錨桿施工過程中，為防止GFRP錨桿在運行期間從框架中拔出，必須對GFRP錨桿進行端部錨固處理，我們課題組自行設計和研制了GFRP錨桿錨具。
    (2)只加錨具的大抗拔力
    螺紋耦合半模鋼夾具的特點是能增大夾具與桿體的有效接觸面積，通過固定螺絲使錨桿錨固段承受的壓應力固定不變，克服了樹脂的抗壓強度較小的缺陷，避免了試件在破壞之前端頭被壓壞的現象，有效地解決了“滑脫”和“抽芯”問題。如圖1所示，單個夾具長度80mm。

            
    (a)錨具和錨桿之間的夾持力
    為解決GFRP錨桿外部端頭錨固問題，課題組對自發研制的螺紋耦合半模鋼夾具的夾持力進行了試驗測試。試驗結果表明，單個夾具的夾持力可以達到15t，兩個夾具并行使用，可達到35t的夾持力，完全滿足工程錨桿大荷載設計要求。因此，對于K60-φ32錨桿，采用兩個并行夾具。就可以對錨桿進行端部錨固。
    (b)錨具和混凝土之間的粘結力
    錨具和混凝土之間的粘結力可以通過下式計算：
            N＝Lqι              (3)
    其中，L是夾具的周長，mm;N為錨桿軸向抗拉力,kN；ι為錨固長度，mm; q為水泥漿與纖維增強塑料筋拉桿間的粘結強度設計值，參照標準《錨桿噴射混凝土支護技術規范》，取0.8倍標準值，見表2。[-page-] 
    正六邊形截面夾具：正六邊形截面夾具截面周長為L＝400mm。錨固長度ι為200mm，粘結強度設計值q取2.0MPa，代入式(3)，可得N為160kN。
    圓形截面夾具：圓形截面夾具截面周長為L＝520mm，錨固長度ι為200mm，粘結強度設計值q取2.0MPa，代入式(3)，可得N為208kN。
    結果表明，兩種截面夾具與混凝土之間的粘結力均低于K60-φ32永久性錨桿的設計強度220kN。不能滿足設計要求。
    (3)錨具加剛性墊板大抗拔力
    鋼墊板厚為20mm,外方內圓，內部圓孔的直徑為35mm，比GFRP錨桿的直徑略大，保證錨桿能順利穿過鋼板。外部正方體的邊長為200mm。如圖2所示。鋼墊板的放置對于錨桿及夾具本身起到一個限位的作用（類似于錨索框架梁加固中的限位板）。

             
    本次GFRP錨桿外錨端設計，鋼板厚度為20mm，螺紋耦合半模鋼夾具單個長度為80mm，兩個并行使用長度為160mm。因此，錨固端總長度為180mm，完全可以置于鋼筋籠中間。鋼墊板可以和鋼筋籠搭接成一體?？赏耆苊忮^具和混凝土之間的粘結不足問題。
    因此，建議采用兩個并行夾具加鋼墊板的方式對GFRP錨桿進行外部端部錨固。錨桿端部裝配圖如圖3所示。

              
3 GFRP錨桿內錨固段設計
3.1 GFRP錨桿鉆孔直徑
    錨固段直徑主要取決于錨筋的類型和尺寸、防腐要求、鉆頭尺寸和地層情況。為保證小的粘結，鋼錨桿的橫截面積As與鉆孔面積Aa之比在2~15％之間，一般取5.5~12.5％。對于GFRP錨桿，Ag與Aa之比為8~12%。
    對于K60-φ32錨桿，鉆孔直徑為90~110mm。
3.2 托架施工設計
    在錨桿加固施工中,托架主要起一個固定錨桿位置的作用，即把加固錨桿固定在鉆孔的中部，這樣灌漿后，漿液會把錨桿裹在正中間。鋼鋼筋錨桿托架的施工主要是把支架焊接在鋼筋錨桿上，每一個位置焊接兩個支架即可保證錨桿處于鉆孔的中心位置。由于GFRP錨桿的組成材料為玻璃纖維，托架施工工藝不能像鋼筋錨桿那樣簡單的焊接支架，為此我們專門設計和研制了GFRP錨桿托架，如圖4所示。

             
    該托架由三個支架和兩個支架焊接桿組成，三個支架互成120°，然后用兩個焊接桿連在一起。
    托架沿GFRP錨桿桿身放置的位置同支架沿鋼筋錨桿桿身放置的位置。沿錨桿桿體每隔兩米放置一個托架。
3.3 錨固長度
    在螺紋型GFRP筋全長粘結型錨桿的錨固長度設計中，假設粘結應力在巖土地層與膠結材料、GFRP錨桿與膠結材料界面上均勻分布，則螺紋型GFRP筋粘結型錨桿的錨固力由公式(4)計算。若錨桿軸向拉力設計值已知，則錨固長度應分別滿足：

    因此，錨固段長度可按下列公式計算，并取其中的較大值：

                 
    其中,L_a為錨固段的長度,mm;N_f為錨桿軸向拉力設計值，kN;K為安全系數，應按表1選??；D為錯固體直徑，mm；d為纖維增強塑料筋拉桿直徑，mm; q_r為水泥漿與巖石孔壁間的粘結強度設計值，參照標準《錨桿噴射混凝土支護技術規范》，取0.8倍標準值，見表3；q_s為水泥漿與纖維增強塑料筋拉桿間的粘結強度設計值，參照標準《錨桿噴射混凝土支護技術規范》，取0.8倍標準值，見表2。

        
    錨固長度設計值取式(4)式中兩者的較大值。一般來說，要求錨固長度在3~6m之間。若錨固長度太短(小于3m)，在錨固區內，巖石特性的突然變化或施工誤差都可能大大減小錨桿的拉拔承載能力。
    本項目現場試驗中，進行了同種圍巖條件下不同錨固深度的GFRP錨桿張拉試驗^[7]。試驗結果表明，全風化圍巖條件下，φ32GFRP錨桿小錨固長度超過3.0m。而弱風化圍巖條件下，φ32GFRP錨桿的小錨固長度超過2m。試驗結果與文獻^[2]基本相符。
    本文建議對于巖石錨桿，全長粘結式φ32GFRP錨桿的合理錨固長度為3.0~6.0m。
3.4 粘結灰漿的設計
    水灰比是影響灰漿性質的重要的因素之一。根據一項調查，用于水壩加固工程水灰比在0.35~0.47之間。我國的《錨桿噴射混凝土支護技術規范》規定,預應力錨桿的錨固段漿體宜選用水泥漿或水泥砂漿等膠結材料，其抗壓強度不宜低于30MPa。[-page-] 
    本項目現場張拉試驗結果表明，由于試驗過程中采用的水泥砂漿強度較低，只有25.7MPa，導致水泥砂漿和鋼筋、GFRP筋錨桿的粘結強度均值均低于《錨桿噴射混凝土支護技術規范》中的粘結強度標準值。
    因此，建議全長粘結式GFRP錨桿的粘結灰漿28d齡期抗壓強度應不低于30MPa。
4 錨桿間距
    錨桿間距影響單個錨桿的特性。為限制錨桿錨固段的相互作用，有關規范規定錨桿軸線間距離不小于錨固段直徑的4倍。錨桿的小間距取決于其承載能力要求、每平方米所施加的荷載、地層不連續情況、錨桿自由段長度以及由于鉆孔軸線的偏離而引起的錨桿過分集中或交叉。一般來說，錨桿的小間距為1.5~3.5m。我國的《錨桿噴射混凝土支護技術規范》規定，錨桿間距不宜大于錨桿長度的1/2。
    全長粘結式GFRP錨桿的布置間距應滿足我國的《錨桿噴射混凝土支護技術規范》規定。錨桿的小間距1.5~3.5m。
5 小結
    全長粘結式GFRP錨桿的結構設計包括錨桿桿體荷載設計、外錨固段設計、內錨固段設計、膠結材料設計、錨桿間距設計等內容。具體設計時，可按照本文建議的有關方法進行。
    (1)采用K60-φ32錨桿作為設計使用錨桿，K60-φ32臨時錨桿的設計荷載為250kN，K60-φ32永久錨桿的設計荷載為220kN;
    (2)對于K60-φ32錨桿，外錨固段設計時采用兩個并行的課題組自發研制的螺紋耦合半模鋼夾具，就可以對錨桿進行端部錨固；
    (3)K60-φ32錨桿，鉆孔直徑為90~110mm；
    (4)對于巖石錨桿，全長粘結式φ32GFRP高強錨桿的合理錨固長度為3.0~6.0m；
    (5)全長粘結式GFRP錨桿的粘結灰漿28d齡期抗壓強度應不低于30MPa。
    對于其他常規的施工和安裝工藝，GFRP錨桿和鋼筋錨桿基本相同，可參照相關規范施工。
                    參考文獻
[1] 程良奎．我國巖土錨固技術的現狀與發展[M]北京：地震出版社,1992.
[2]《錨桿噴射混凝土支護技術規范》(GBJ86-85)．
[3]《土層錨桿設計施工規范》(CECS22-90)．
[4]《錨桿噴射混凝土支護技術規范》(GB50086-2001)．
[5] Burong Zhang，Brahim Benmokrane. Design and evaluation of a new bond-type anchorage system for fiber reinforced polymertendons[J].NRC Canada,2004,31:14-26．
[6] 高丹盈，張啟明，謝晶晶．纖維增強塑料筋粘結型錨桿的設計方法[J].水利學報,2002 (增刊):5-9.
[7] 周繼凱,杜欽慶,呂嬌云等.玻璃纖維增強復合材料筋材連接試驗研究[J].玻璃鋼復合材料,2006(5):24-27.
[8] 薛偉辰.不同實驗方法對GFRP筋粘結強度的影響研究[J].玻璃鋼復合材料,2003(5):10-13．