在基坑支护工程中采用锚杆技术已经有100多年的历史，Xieinerz (Germany)在1912年就已经提出该项技术.我国在20世纪50年代开始使用锚杆支护技术，1978年正式推广，20世纪90年代，我国学习澳大利亚的施工形式，锚杆技术得到了再一次发展^[1].

根据材质不同锚杆大体上可以分为金属锚杆与非金属锚杆.金属锚杆又细分为中空注浆锚杆、复合锚固锚杆等^[2]，非金属锚杆又包括竹锚杆、玻纤锚杆^[3]等.在土方进行开挖的过程当中，土壤、岩石的应力平衡状态会遭到破坏，其间所产生的应力场将重新分布.为了防止土壤、岩体的坍塌，保持其稳定性，需要在掘进后进行支护.现场采用的支护形式为刚性、柔性加固并行的加固形式^[4].锚杆加固技术是一种柔性加固技术，其实质是通过岩石和土壤的承载力，使岩体的稳定性得到提高.同时加固体不被破坏^[5]，对围岩的作用主要是组合梁作用和挤压加固拱作用^[6].

现阶段建筑物施工高度持续上升，在超高层地下施工区域预留空间狭小，地质环境复杂，不能对周边建筑物造成破坏，施工质量控制、安全保证、组织安排难度大^[7].与此同时，随着城市地下工程的大量建设，土地资源日益稀缺.城市建筑基坑和地下空间工程的建筑占地现象愈发严重，随之增多的是传统锚杆施工时，因其长度过长对其他建筑物、构筑物施工造成影响和不便^[8].

1 玻璃纤维锚杆基本力学性能

玻璃纤维锚杆即GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)锚杆^[9]，作为一种新型材料锚杆，与传统的钢锚杆相比，其长度短、受力机理好、破除简单.玻璃纤维锚杆是在树脂基质中加入玻璃纤维而形成的一种胶合体锚杆(如图 1)，它是由多股玻璃纤维纱浸渍基质材料(含有促进剂、固化剂等多种助剂的聚酞氨树脂或环氧树脂等)胶合而成.其主要成型工艺包括手糊工艺、挤压工艺和模压工艺，在牵引机的作用下依据增强体的种类、成型方式等不同要求，通过模具挤压、拉拔成型，高温高压下固化后，可以通过对其表面处理形成半螺纹、全螺纹玻璃纤维锚杆，并且抗拉强度可达到250~1 900 MPa.

2 玻璃纤维锚杆理论模型研究

对于玻璃纤维锚杆进行三维建模，并作出如下假设：1)锚杆的轴向位移沿锚杆方向成线性分布，沿径向位移为常数；2)灌浆的轴向位移沿锚杆方向呈线性分布，沿径向则取空间轴对称；3)轴向应力主要由锚芯承担; 4)不考虑径向的法向应力；5)切向剪应力主要与锚杆和灌浆间的轴向相对位移有关; 6)横向剪应力主要与锚杆的侧向位移有关.综上所述引入插值函数：

式中：, 0≤ξ≤1, ξ为比值系数, l为单位长度, x为位移长度.则单元中任一点的位移分量可通过插值函数用节电位移向量表示为

式中：{δ}为集中点应力作用位移; {u′}为单元位移的分量.

根据空间轴对称问题的基本方程得到锚杆轴向位移的解析表达式为

式中：u为单位位移量；r_h为点在高度体应力上的位移；r_b为点在平面体应力上的位移；r为位移的空间坐标中的圆柱角.

由于该模型认为锚杆单元中主要有4个应变分量，由此即可根据虚功方程得到局部坐标系下的锚杆单元刚度矩阵：

式中：B为体积力分量的特延矩阵；D为弹性体表面位移分量的矩阵.

最后通过引入一人工刚度K_e，最终得到锚杆单元在局部坐标系下的单元刚度矩阵.

3 玻璃纤维的试验结果

玻璃纤维锚杆是由树脂和玻璃纤维胶合而成，由表 1数据可得，相对于传统钢锚杆而言，其比重仅占到前者的1/4~1/5，弹性模量也只有前者的1/5.但是玻璃纤维锚杆的抗拉强度可达到600~700 MPa，相比于传统钢锚杆的350~500 MPa提高了1.5倍.大量实验表明，玻璃纤维锚杆在拉伸破坏前基本上处于弹性阶段，没有明显的屈服阶段，从图 2可以直观地看到该线性关系.根据图中数据可知，其达到强度极限后，很快就丧失了承载能力，属于脆性破坏.

根据其相应的力学性能可以发现，玻璃纤维锚杆在弹性变形阶段可承载超过700 MPa的拉力，能很好地进行地下加固及相应的承载措施.与此同时，由于玻璃纤维锚杆的自重轻，在施工现场实施方便，运输容易，是非常好的加固替代性材料.根据相应的锚杆应力变形曲线得知其在达到相应的承载力后会呈现脆性断裂，快速降低承载力，这种特性在实时应用中要加强，相应的基坑加测时检测器应力值保持在弹性范围内，与此同时锚杆发生脆性断裂之后可以轻易地采用挖机或者相应的施工机械进行破除.

4 玻纤锚杆力学实验分析 4.1 抗拉强度测试

玻璃纤维条片具有较大的抗拉强度，试验参考了美国ACI440.3R-04^[11]中的相关试验方法.考虑实际的工程需要，分别选取6种型号的玻璃纤维条片试件，长度45 cm，进行拉伸试验.取长度45 cm的玻璃纤维条片，在符合国家检测标准的万能材料试验机(CSS-WAW500DL)上进行试验，结果见表 2.

4.2 剪切强度测试

取6种型号的玻璃纤维条片试件，长度10 cm.取长度10 cm的玻璃纤维条片，在符合国家检测标准的万能材料试验机上进行剪切试验，记录条片破坏的剪切强度.试验中各玻璃纤维条片试件的剪切试验数据见表 3.

4.3 扭矩测试

许多注浆锚固工程对注浆管扭矩有一定的要求，利用剪切扭转试验台对玻璃纤维条片进行扭矩测试，测试结果见表 4.

从试验结果可以得出，玻璃纤维锚杆是一种脆性材料.材料的线弹性关系明确，材料的抗拉强度高(与同面积的钢材抗拉强度相当)，抗剪和抗扭强度低.

5 监测数据及分析

根据试验数据绘制锚索KBMS1荷载-位移(Q-S)曲线、荷载-弹性位移(Q-S_e)曲线和荷载-塑性位移(Q-S_p)曲线(如图 3所示).锚索KBMS1在实验过程中，每级循环最大荷载分别为39、65、91、104、117和130 kN，每级循环累计位移分别为1.24、3.06、5.07、6.49、8.76和11.20 mm.6根玻璃纤维锚索在规定时间内位移达到稳定标准，应设计要求可终止加载，根据规范取最大加载值130 kN为承载力极限值.可看出玻璃纤维锚索拔破坏时产生的滑移量比钢筋大，玻璃纤维锚索和普通钢锚索的平均粘结应力大致相同.

玻璃纤维锚杆作为一种新型材料锚杆，不仅杆体强度优于等直径的传统锚杆，高性能的玻璃纤维锚杆重量仅为同等规格钢锚杆的1/4，抗拉强度可达到钢质锚杆的1.5倍，能够在较为广阔的地域和工程项目中部分替代目前使用量极大的传统锚杆，并可用作长久支护.

6 普通锚杆力学理论分析

普通预应力中空注浆锚杆的现场操作工序流程为^[11]：筹备施工→孔位放样→凿岩机钻孔→钻孔清空→插杆并张开锚头→安装止浆塞→施加预应力→注浆.

具体的锚杆受力结构模型如图 4所示：最内层为中空注浆锚杆里面的浆液，向外为锚杆，再往外层为锚杆外的浆液，最外层为围岩.中空锚杆的内层注浆体、外层注浆体和中空锚杆自身构成了锚固体.锚杆在未加预应力之前是不受力的，加上预应力之后，锚杆被拉长，受到向外的拉力作用，该拉力就是预应力.

依据局部变形理论，将围岩、注浆体、锚杆的接触简化为弹簧连接，并假定锚固体微段上的内力和此段锚固体与围岩体之间的相对位移是线性关系，则在离锚固段始端o点距离为x的微段锚固体的剪力集度可以表示为^[12]

其中：q为单元长度的锚固体所受的剪应力, kN/mm; w(x)为x点围岩体和微元段锚固体由于剪切滑移所发生的位移, mm；k_s为围岩体与锚固体界面上的剪切模量，它是由单元的剪切位移所产生的剪力.本模型中剪切模量k_s包含4部分：即由锚杆外层注浆体变形引起的部分、锚杆内层注浆体变形引起的部分、锚杆变形引起的部分和由围岩变形引起的部分^[13].

依据锚固体微元段静力平衡得出：

同时有：

所以：

距锚固段始端间隔为x处围岩体与锚固体的轴向应变和相对位移w(x)的关系为

其中:E_d为相关材料的弹性模量, A_d为材料的横截面面积.

根据应力叠加原理，锚杆在岩石未变形之前，给围岩施加了压应力，在围岩变形之后，预应力存在且没有发生变化.因此，由于锚杆的压应力导致围岩给锚杆施加的反作用力、锚固体的轴向荷载和界面剪应力构成了相互作用的平衡力.因此，轴向荷载的表达式为

式中：a为应力应变的形变位移；l为界面全长；C为给中空注浆锚杆施加的预应力.剪应力在围岩变形之后才出现，而预应力在给锚杆施加之后一直存在，因此给锚杆施加的预应力对锚固体所受到的剪应力没有影响.

7 普通锚杆力学实验分析

该工程锚杆采用M30水泥，配筋采用3条直径20 mm的3级钢筋，持力层深度为中风化泥质粉砂岩，采用反锚法分级循环加载方式进行工程检测^[14].试验结果见表 5、6和图 5.

对比玻璃纤维锚杆与钻孔后注浆混凝土钢筋的锚杆荷载-位移曲线可以知道，玻璃纤维锚杆在前期抗拉承载力上升较快，混凝土锚杆虽然前期小应变下强度上升缓慢，但在后期位移增大后强度上升变快.结合玻璃纤维锚杆的相应检测数据可知，玻璃纤维锚杆为脆性材料，在弹性限度内可以快速得到相应强度，但脆性破坏后强度下降快，而混凝土锚杆在位移增大后强度增加，但增加速度慢.

8 结论

1) 在深基坑施工过程中，玻璃纤维锚杆提高了锚固体系的承载力和变形性能.随着时间的推移，锚杆内力的变化幅度很小，持续的索力维持了支护的稳定性，大大降低了对邻近建筑物基坑的扰动.

2) 玻璃纤维锚杆承载力特征值高于普通混凝土注浆锚杆.

3) 玻璃纤维锚杆在刚度方面表现较强，但脆性形变破坏出现较早，使用中需要实施相应监测，如何改变其脆性破坏性能值得研究.

4) 普通混凝土锚杆虽然在位移大的情况下有较好的强度，但实际施工中若基坑产生较大位移，基坑支护实际已产生较大形变，深基坑已不安全，且混凝土锚杆后期拆除复杂，后注浆技术对原有土层产生较大的影响，在承载力计算范围内建议采用玻璃纤维锚杆.