¹重庆科技学院建筑工程学院，重庆

²重庆交通大学土木工程学院，重庆

收稿日期：2023年6月3日；录用日期：2023年6月23日；发布日期：2023年6月30日

摘要

近年来，纤维复合材料(Fiber Reinforced Polymer, FRP)由于其优异的力学性能，逐渐在土木工程、矿山工程和岩土工程等领域中得到广泛应用。作为一种新型结构材料，其具有重量轻、强度高、耐久性好等优点，受到越来越多领域的关注和青睐。锚杆作为一种支护结构，广泛应用于地质灾害防治、深基坑支护、隧道开挖等领域。对FRP锚杆在力学性能、监测与识别、设计与锚固性能、锚杆拉拔破坏全过程、磁致伸缩导波技术应用、土层锚杆界面力学行为、危岩崩塌稳定性分析与治理、工作面帮支护性能试验、纤维材料筋制备及其增强混凝土结构、岩土锚固等方面进行了全面总结和分析，对FRP锚杆未来的研究方向提供了参考和展望。本文旨在对纤维复合材料在锚杆领域的应用研究进展进行综述。

关键词

纤维复合材料，FRP锚杆，力学性能，应用展望

Research Progress in the Application of Fiber Composite Materials (FPR) in the Field of Anchor Rods

Quanwei Sun¹, Kailing Tang², Mengji Wang²

¹School of Architecture and Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing

²School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing

Received: Jun. 3^rd, 2023; accepted: Jun. 23^rd, 2023; published: Jun. 30^th, 2023

ABSTRACT

In recent years, fiber reinforced polymer (FRP) has gradually been widely used in fields such as civil engineering, mining engineering, and geotechnical engineering due to its excellent mechanical properties. As a new type of structural material, it has the advantages of light weight, high strength, and good durability, and has attracted more and more attention and favor from various fields. Anchor rods, as a support structure, are widely used in fields such as geological disaster prevention and control, deep foundation pit support, and tunnel excavation. A comprehensive summary and analysis were conducted on the mechanical properties, monitoring and identification, design and anchoring performance, the entire process of anchor rod pull-out failure, the application of magnetostrictive guided wave technology, the interface mechanical behavior of soil anchor rods, the analysis and treatment of dangerous rock collapse stability, the testing of working face support performance, the preparation of fiber reinforced steel bars and their reinforced concrete structures, and geotechnical anchoring. This provides a reference and outlook for the future research direction of FRP anchor rods. This article aims to summarize the research progress in the application of fiber composite materials in the field of anchor bolts.

Keywords:Fiber Composite Materials, FRP Anchor Rods, Mechanical Properties, Application Prospects

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1. 引言

随着城市化和基础设施建设的不断推进，土木工程、矿山工程和岩土工程等领域对材料力学性能和工程效益提出了更高的要求 [1] 。在这些领域中，纤维复合材料(FRP)因其强度可以达到8000 MPa以上，而其密度仅为1.7~1.9 g/cm³，比钢材轻50%~70%。碳纤维的弹性模量约为230 GPa，比钢材高5~6倍 [2] ，作为一种新型的锚固材料，FRP锚杆在隧道、高边坡等工程中由于高强度、轻质、抗腐蚀、易加工等优点而得到广泛应用 [3] 。FRP材料相比于传统的钢筋、钢绞线锚杆具有更轻的重量，同时具有良好的强度和刚度，耐腐蚀性好，施工过程简便，可以根据实际需要调节强度和刚度如图1，并且纤维种类多样，如碳纤维、玻璃纤维等，可以获得不同的力学性能 [4] 。国内外对FRP锚杆的研究已经取得了一系列的成果。

图1. FRP筋示意图

2. FRP锚杆国内外研究现状

2.1. FRP锚杆国内研究现状

纤维增强聚合物(FRP)锚杆因其在公路、铁路、桥梁和隧道等结构加固中的优异性能而在土木工程中得到广泛应用。在过去的十年里，许多研究人员对非金属FRP锚杆的安全性和可靠性进行了研究。

从数值模拟的角度， [5] 基于建立的纤维增强塑料锚杆在岩土体中的粘结锚固方程和连续光滑粘结–滑移本构关系模式，提出了纤维增强塑料锚杆锚固性能分析的数值计算方法，并验证了其正确性。而张钢琴 [6] 介绍了一种新型复合锚杆——MFRP锚杆，由金属材料、FRP和钢纤维层构成，通过理论分析和模拟计算发现，MFRP锚杆具有比普通FRP锚杆更好的延展性和协调性。这些通过对FRP锚杆锚固性能的影响，结果表明新型锚杆的性能较好，能够提供较为详细的理论支撑 [7] [8] [9] 。研究通过室内土工试验和数值模拟分析探讨了纤维类材料改良膨胀土的可行性和效果。研究发现聚乙烯纤维能有效提高膨胀土的膨胀性和膨胀力，同时减少了收缩性。数值模拟结果表明，纤维增强复合塑料能有效提高膨胀土边坡的安全系数并减少滑动位移。FRP锚杆作为新型锚固材料具有优异的抗拉强度和长期性能，但其抗弯和抗剪性能有待改进。FRP锚杆的研究现状和应用情况 [10] [11] [12] [13] ，能够提供较为全面的研究背景，介绍了FRP锚杆的优越工程性能，从材料、力学性能和生产工艺等方面介绍了各类FRP锚杆的技术特点，分析了FRP锚杆在设计理论和工程应用中存在的问题，展望了其发展趋势和应用前景，并指出了需进一步研究的方向。此外，还提到了FRP锚杆适宜代替钢质锚杆应用在腐蚀性强、耐久性要求高的岩土锚固工程中，并介绍了锚具研究的进展以及FRP锚杆的发展方向。王洋 [14] 进行了9组BFRP锚杆和2组钢筋锚杆加固黄土边坡的现场拉拔试验，并分析了锚固体系在不同锚杆直径、锚固长度下的承载性能。通过现场试验，分析了锚固体系的破坏模式和相应的失效机理。

在智能监测方面，其中，白金超 [15] 在其研究中提出了结合FRP材料和光纤光栅传感器的FBG-FRP智能锚杆方案。通过理论分析和有限元模拟，研究了FRP锚杆的工作机理，并根据锚固系统的目的确定了监测内容和方法，构建了智能监测系统，以提高锚杆的耐久性和安全性；刘龙等人 [16] 则设计研制了一种GFRP锚杆结构预应力锁定装置，并对其在现场进行了试验，B-GFRP锚杆的预应力损失控制在5%~35%之间，达到了精轧螺纹钢锚杆预应力损失的控制标准。而唐谢兴等人 [17] 则对锚杆–砂浆界面黏结行为进行了模拟分析，探讨了其粘结能力。

同时，综合文献中的内容可以看出 [18] - [24] ，主要分为材料性能研究和工程应用研究两个方面。其中，涉及到的锚杆材料包括纤维增强聚合物(FRP)、玻璃钢、玄武岩纤维等。研究内容包括锚杆的耐久性、工作面支护性能、安全可靠性、智能化等方面，研究方法主要包括室内外试验和理论模拟。这些研究对于推动锚杆技术的发展和提高其在不同工程领域中的应用水平具有重要意义。首先罗金标等人 [25] 研究了新型玄武岩纤维复合材料(BFRP)锚杆的力学性能，研究三种类型BFRP锚杆的性能，采用平行–内锥式锚具时，绞索整体性好，锚固效率系数大于97%。其次，李锦辉等人 [26] 通过研发了内嵌光纤的自感知FRP锚杆，并提出基于其的隧道围岩智能监测系统，可识别松动圈厚度，提高隧道结构安全，并取得了较好的实验结果。再次，刘浪 [27] 对不同形式的预应力BFRP锚杆进行了设计和锚固性能研究，得出了BFRP锚杆具有优秀的拉伸强度和拉伸模量，锚具锚固效率大于90%，施加预应力后的剪切承载力和剪切刚度显著提高等结论。此外，王燕杰 [28] 通过三维轴对称解析方法研究了锚杆拉拔破坏的全过程，揭示了其力学行为和破坏机理。最后，董永 [29] 则探讨了磁致伸缩导波技术在纤维增强塑料锚杆中的应用，为提高锚杆的监测效果和安全性提供了新思路。这些文献的研究成果，有助于进一步推动FRP锚杆的设计应用和发展。

2.2. FRP锚杆国外研究现状

针对FRP锚杆在土木工程中的应用，已经有大量的研究进行，主要涉及FRP锚杆的性能评估、FRP锚杆的设计方法、FRP锚杆的施工质量控制等方面。

首先，研究了玻璃纤维增强塑料(FRP)锚杆在矿山盾构隧道初始支护监测中的应用 [30] ，在2.5公里的隧道监测中，FRP锚杆避免了风险并对内部变化做出了响应，为初期支护提供了新的技术支持。在Diana等人 [31] 研究了螺栓类型对玄武岩纤维增强聚合物(BFRP)多螺栓双搭接连接的静态和疲劳性能的影响。研究表明，可以完全用BFRP螺栓替换不锈钢螺栓而不影响连接件的静态和疲劳性能。同时，混合钢–FRP螺栓具有韧性行为，可以显著延长复合材料连接件的疲劳寿命。Kai Yan等人 [32] 介绍了一种创新的基于光纤光栅的FRP智能锚固系统，并进行了拉拔试验和理论分析，进一步提出了FRP筋与环氧树脂界面剪应力的脱粘损伤机理和失效模式，并发展了玻璃钢粘结锚理论以及基于光纤光栅的玻璃钢锚的安全监测和失效评估方法。Yasir等人 [33] 使用CFRP锚索粘接到未开裂混凝土上的FRP锚具的拉伸行为，用于加强RC柱的抗弯性能。 [34] 讨论了 [32] 中智能FBG FRP锚具的安全性能监测，探讨了其在现场应用的可行性。在通过数值模拟 [35] [36] ，研究了FRP尖刺锚具安装质量和混凝土修复对FRP加固RC柱地震行为的影响以及评估了用于外加加固的FRP锚具的性能。Zheng等人 [37] 研究了纤维锚杆在嵌入实心砖中的性能，考虑五个参数。结果表明预湿折叠FRP片材制成的锚固件具有最佳性能，从拉拔试验中观察到四种失效模式，提出两种砖中三棱柱体破坏的拉拔强度模型。最后，是一篇关于不同参数对FRP锚具在与EBR-FRP加固系统结合时性能的影响的综述 [38] ，并分析了各种参数对其性能的影响。在最近的一项研究中，Zhang等人 [39] 研究提出一种新型NSM FRP锚，用于抗剪加固RC梁，通过全尺寸试验验证其有效性，结果表明所提出的锚杆可以减轻或防止FRP脱胶失效，显著提高加固梁的承载力和变形能力，锚杆配置对性能影响显著。总体来说，这些研究表明，FRP锚具是一种有效的加固材料，能够提高建筑物和结构的抗震性能和安全性能。

3. 纤维复合材料在锚杆领域的应用

3.1. FRP锚杆的分类

FRP锚杆按材料组成和结构形式可以分为：碳纤维增强聚合物锚杆(CFRP)、玻璃纤维增强聚合物锚杆(GFRP)、碳纤维增强陶瓷锚杆(AFRP)、玄武岩纤维(BFRP)增强复合材料。表1列出了FRP筋材与钢筋的性能指标。

表1. 各类纤维筋力学性能对比 [9] [40]

3.2. FRP锚杆的优势

FRP锚杆相比传统金属锚杆具有多个优势。FRP锚杆具有高强度、轻质化、耐腐蚀、环保、耐久性、良好的电磁性能和防爆性等特点，可以有效增强工程结构的承载能力，并且重量轻、易于运输、安装和加工。FRP锚杆的聚合物基质具有优异的耐腐蚀性能 [41] ，可以在恶劣环境下使用，并且生产过程无污染，材料可回收利用，符合环保要求。此外，FRP锚杆具有良好的耐久性、抗老化性能和优良的电磁性能，可以应用于多种工程领域，例如需要防止电磁干扰的工程以及易爆、易燃等危险环境下的使用。

3.3. FRP锚杆的应用

FRP锚杆在地下支护、岩土工程、桥梁工程和海洋工程等领域中得到广泛应用 [42] [43] [44] [45] ，主要因为其具备以下优势：首先，FRP材料具有较高的强度和刚度，可以有效地增强结构的承载能力；其次，FRP材料具有轻质化和耐腐蚀等特性，可以提高工程的安全性和可靠性；此外，FRP材料还具有易于加工和施工等优势，可以降低工程成本并提高施工效率。总的来说，FRP锚杆在各个领域的应用都具有非常广泛的前景，同时也需要不断地推进研究和发展，以更好地适应不同的工程需求。

3.4. FRP锚杆的制造工艺

FRP锚杆的制造工艺主要包括预浸料法和纺织法 [46] [47] ，预浸料法将纤维材料和树脂混合制成成型材料，具有高成型精度和适用范围广等优点，但成本较高；纺织法通过编织、缠绕等工艺将纤维材料制成织物，再加入树脂固化成型，具有生产效率高、成本较低等优点，但成型精度和强度相对较低。

3.5. FRP锚杆的应用现状

FRP锚杆是一种新型结构材料，在土建、煤矿、水利、隧道、桥梁和海洋等领域得到广泛应用。国内外都在逐渐提高对新材料的需求，因此FRP锚杆的应用越来越广泛。FRP锚杆具有优异的性能，如高强度、轻质、耐腐蚀、耐久性好等，因此在隧道支护、地铁车站、大坝加固、泄洪闸门固定 [48] 、桥梁加固、海底管道、海底隧道等方面得到了广泛应用。

虽然FRP锚杆应用已经取得了很大的进展，但仍存在一些问题需要解决，如设计规范、加工工艺、安装方法等需要进一步完善和优化。同时，FRP锚杆的成本仍然较高，需要进一步降低成本以提高其市场竞争力。另外，长期性能和可靠性的验证和研究也需要进一步加强，以确保其在工程实践中的可靠性和稳定性。

随着FRP锚杆技术的不断发展和应用推广，相信在未来会有更多的领域和场景开始采用FRP锚杆，以满足工程结构对高强度、轻质、耐腐蚀等性能要求的需求。同时，进一步降低成本并加强长期性能和可靠性的验证研究，将是未来FRP锚杆技术发展的关键。

4. 结论

在这些文献的基础上，我们可以看到碳纤维边坡锚杆在地质灾害治理领域的应用越来越广泛。这些文献不仅从理论角度对碳纤维边坡锚杆的性能进行了研究，还从实践角度对其在不同工程中的应用进行了探讨。同时，这些文献也指出了碳纤维边坡锚杆技术在材料强度、安装施工和应用领域等方面的不足之处，需要进一步加以完善和优化。

在未来的研究中，可以探索新型的碳纤维材料，如碳纳米管增强碳纤维等，以提高其力学性能；同时也可以研究更加便捷、高效的锚固技术，如现场注浆锚固技术等，以提高其施工效率和工程质量。此外，还可以进一步扩展碳纤维边坡锚杆的应用领域，如在高速公路、铁路、隧道等交通基础设施工程中的应用，以及在海岸防护、水利工程等领域的应用，从而进一步推动碳纤维边坡锚杆技术的发展和应用。

文章引用

孙权伟,汤凯菱,王梦稷. 纤维复合材料(FPR)在锚杆领域的应用研究进展
Research Progress in the Application of Fiber Composite Materials (FPR) in the Field of Anchor Rods[J]. 土木工程, 2023, 12(06): 882-888. https://doi.org/10.12677/HJCE.2023.126100

参考文献