岩土锚固是岩土工程领域的重要分支。在岩土工程中采用锚固技术，能比较充分地调动和提高岩土体自身的强度和稳定性，缩小结构物尺寸和减轻其自重，显著节约工程材料。锚固技术已经成为提高岩土工程稳定性和解决复杂的岩土工程问题的有效方法之一，目前已在边坡、基坑、矿井、隧道、地下工程、坝体、航道、机场、港口以及抗倾、抗浮结构等工程建设与改造中广泛应用^[1]。
    为使我国的岩土锚固设计和施工符合经济合理、技术先进、安全可靠的原则，1986年我国颁发了标准《锚杆喷射混凝土支护技术规范》^[2]；1990年颁发了《土层锚杆设计施工规范》^[3]；2001年又颁布了修订后的《锚杆喷射混凝土支护技术规范》^[4]。这些规范对岩土锚杆的设计、材料、施工、防腐、试验和检测等都作了明确规定。对预应力锚杆服务年限2年或2年以上的定为永久锚杆，反之为临时锚杆。锚杆设计采用统一的安全系数，见表1。

           
    锚固技术以其独特的效应、简便的工艺、广泛的用途、经济的造价在岩土工程的建设和改造中具有重要的作用。但目前工程中惯用的钢锚杆也存在着一些突出的问题，主要有①钢筋腐蚀问题；②防腐处理问题；③自重大；④运输、安装困难。钢锚杆的这些不足都制约了钢锚杆的应用，并且钢锚杆的腐蚀不仅影响结构的耐久性,严重时还会出现重大工程事故。纤维增强塑料筋锚杆能够克服钢锚杆的这些不足，其主要特性为①高耐久性材料，无需防腐处理；②自重轻，制造、运输、安装容易，施工方便、效率高；③构造简单；④张拉和重新张拉简单；⑤易适应岩上层变形，因此由于岩土层徐变的张拉损失减小；⑥抗电磁性，可用于磁场和有散乱电流的地方;⑦即使在侵蚀性环境中也无需特殊处理;⑧能用光纤传感器监测；⑨可用传统的锚杆装配技术施工。因此，纤维增强塑料筋锚杆为锚固技术在岩土工程中的应用开辟了更为广阔的前景^[5,6]。
    锚杆设计包括确定外荷载的类型和大小、确定锚杆的布局和安设角度、锚杆结构设计、验算锚杆的稳定性等。GFRP锚杆的结构设计包括锚固体设计、拉杆设计以及锚头设计等内容。与钢锚杆相比，GFRP锚杆对横向荷载有较强的敏感性，不能直接与紧固器(如螺母)相连^[7,8]。因此，为了发挥纤维增强塑料筋拉杆的纵向高抗拉性能，还必须设计与GFRP锚杆相适应的端部锚具。
1 锚杆选型
    已知锚杆杆体的极限抗拉强度标准值，该型锚杆的允许设计荷载由式(1)计算可得：

            
    其中，N_f为GFRP锚杆轴向拉力设计值，kN;A为锚杆有效截面积，mm²;f_puk为GFRP锚杆的抗拉强度标准值，MPa；K为锚杆设计安全系数，参照《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086-2001)，临时锚杆取1.6，永久锚杆取1.8。
    项目前期工作中，对国内两个不同厂家生产的GFRP锚杆进行力学特性测试。
    试验结果表明，南京奥沃科技发展有限公司生产的OW系列φ32锚杆的抗拉强度标准值412MPa；海绩满玻璃钢制品有限公司的K60-φ32锚杆的抗拉强度标准值560MPa。K60-φ32锚杆的抗拉强度标准值高于OW系列φ32锚杆0.35倍。同时，K60-φ32锚杆的试验结果重复性优于OW系列φ32锚杆。因此，建议采用K60-φ32锚杆作为设计使用锚杆。
    K60-φ32锚杆有效直径A＝706.85mm²，带入式(1)，计算得K60-φ32临时锚杆的设计荷载为250kN，K60-φ32永久锚杆的设计荷载为220kN。
2 GFRP锚杆外锚段设计
    钢筋锚杆安装过程中，孔口段，钢筋锚杆直接打弯后和框架梁内的主筋搭接在一起。
    GFRP锚杆属于树脂纤维复合材料。锚杆本身不能焊接，同时，GFRP复合材料的抗弯性能和钢筋相比，存在明显不足。因此，不可能像钢筋锚杆那样在孔口处弯曲。
    我国国内设计的锚杆框架梁的小截面积为300×350mm。框架梁小厚度为30mm。中间布置钢筋笼。钢筋笼距框架梁边缘为50mm。确保混凝土完全包裹钢筋，避免钢筋裸露在外，受到外界环境侵蚀。[-page-] 
    (1)纯粘结型的大抗拔力
    未对GFRP锚杆外锚固段做任何处理，仅凭GFRP锚杆与框架梁内的混凝土之间的粘结，可由下式计算可得GFRP锚杆的大抗拉拔力：
             N＝πdqL             (2)
    其中，L为锚固段的长度，mm；N为锚杆轴向抗拉力，kN;d为纤维增强塑料筋锚杆直径，mm;q为水泥浆与纤维增强塑料筋拉杆间的粘结强度设计值，参照标准《锚杆喷射混凝土支护技术规范》，取0.8倍标准值，见表2。

       
    计算可得,30cm锚固长度情况下,GFRP锚杆所能承受的大抗拔力75.4kN，远远低于锚杆的设计拉力220kN。
    因此，锚杆施工过程中，为防止GFRP锚杆在运行期间从框架中拔出，必须对GFRP锚杆进行端部锚固处理，我们课题组自行设计和研制了GFRP锚杆锚具。
    (2)只加锚具的大抗拔力
    螺纹耦合半模钢夹具的特点是能增大夹具与杆体的有效接触面积，通过固定螺丝使锚杆锚固段承受的压应力固定不变，克服了树脂的抗压强度较小的缺陷，避免了试件在破坏之前端头被压坏的现象，有效地解决了“滑脱”和“抽芯”问题。如图1所示，单个夹具长度80mm。

            
    (a)锚具和锚杆之间的夹持力
    为解决GFRP锚杆外部端头锚固问题，课题组对自发研制的螺纹耦合半模钢夹具的夹持力进行了试验测试。试验结果表明，单个夹具的夹持力可以达到15t，两个夹具并行使用，可达到35t的夹持力，完全满足工程锚杆大荷载设计要求。因此，对于K60-φ32锚杆，采用两个并行夹具。就可以对锚杆进行端部锚固。
    (b)锚具和混凝土之间的粘结力
    锚具和混凝土之间的粘结力可以通过下式计算：
            N＝Lqι              (3)
    其中，L是夹具的周长，mm;N为锚杆轴向抗拉力,kN；ι为锚固长度，mm; q为水泥浆与纤维增强塑料筋拉杆间的粘结强度设计值，参照标准《锚杆喷射混凝土支护技术规范》，取0.8倍标准值，见表2。[-page-] 
    正六边形截面夹具：正六边形截面夹具截面周长为L＝400mm。锚固长度ι为200mm，粘结强度设计值q取2.0MPa，代入式(3)，可得N为160kN。
    圆形截面夹具：圆形截面夹具截面周长为L＝520mm，锚固长度ι为200mm，粘结强度设计值q取2.0MPa，代入式(3)，可得N为208kN。
    结果表明，两种截面夹具与混凝土之间的粘结力均低于K60-φ32永久性锚杆的设计强度220kN。不能满足设计要求。
    (3)锚具加刚性垫板大抗拔力
    钢垫板厚为20mm,外方内圆，内部圆孔的直径为35mm，比GFRP锚杆的直径略大，保证锚杆能顺利穿过钢板。外部正方体的边长为200mm。如图2所示。钢垫板的放置对于锚杆及夹具本身起到一个限位的作用（类似于锚索框架梁加固中的限位板）。

             
    本次GFRP锚杆外锚端设计，钢板厚度为20mm，螺纹耦合半模钢夹具单个长度为80mm，两个并行使用长度为160mm。因此，锚固端总长度为180mm，完全可以置于钢筋笼中间。钢垫板可以和钢筋笼搭接成一体。可完全避免锚具和混凝土之间的粘结不足问题。
    因此，建议采用两个并行夹具加钢垫板的方式对GFRP锚杆进行外部端部锚固。锚杆端部装配图如图3所示。

              
3 GFRP锚杆内锚固段设计
3.1 GFRP锚杆钻孔直径
    锚固段直径主要取决于锚筋的类型和尺寸、防腐要求、钻头尺寸和地层情况。为保证小的粘结，钢锚杆的横截面积As与钻孔面积Aa之比在2~15％之间，一般取5.5~12.5％。对于GFRP锚杆，Ag与Aa之比为8~12%。
    对于K60-φ32锚杆，钻孔直径为90~110mm。
3.2 托架施工设计
    在锚杆加固施工中,托架主要起一个固定锚杆位置的作用，即把加固锚杆固定在钻孔的中部，这样灌浆后，浆液会把锚杆裹在正中间。钢钢筋锚杆托架的施工主要是把支架焊接在钢筋锚杆上，每一个位置焊接两个支架即可保证锚杆处于钻孔的中心位置。由于GFRP锚杆的组成材料为玻璃纤维，托架施工工艺不能像钢筋锚杆那样简单的焊接支架，为此我们专门设计和研制了GFRP锚杆托架，如图4所示。

             
    该托架由三个支架和两个支架焊接杆组成，三个支架互成120°，然后用两个焊接杆连在一起。
    托架沿GFRP锚杆杆身放置的位置同支架沿钢筋锚杆杆身放置的位置。沿锚杆杆体每隔两米放置一个托架。
3.3 锚固长度
    在螺纹型GFRP筋全长粘结型锚杆的锚固长度设计中，假设粘结应力在岩土地层与胶结材料、GFRP锚杆与胶结材料界面上均匀分布，则螺纹型GFRP筋粘结型锚杆的锚固力由公式(4)计算。若锚杆轴向拉力设计值已知，则锚固长度应分别满足：

    因此，锚固段长度可按下列公式计算，并取其中的较大值：

                 
    其中,L_a为锚固段的长度,mm;N_f为锚杆轴向拉力设计值，kN;K为安全系数，应按表1选取；D为错固体直径，mm；d为纤维增强塑料筋拉杆直径，mm; q_r为水泥浆与岩石孔壁间的粘结强度设计值，参照标准《锚杆喷射混凝土支护技术规范》，取0.8倍标准值，见表3；q_s为水泥浆与纤维增强塑料筋拉杆间的粘结强度设计值，参照标准《锚杆喷射混凝土支护技术规范》，取0.8倍标准值，见表2。

        
    锚固长度设计值取式(4)式中两者的较大值。一般来说，要求锚固长度在3~6m之间。若锚固长度太短(小于3m)，在锚固区内，岩石特性的突然变化或施工误差都可能大大减小锚杆的拉拔承载能力。
    本项目现场试验中，进行了同种围岩条件下不同锚固深度的GFRP锚杆张拉试验^[7]。试验结果表明，全风化围岩条件下，φ32GFRP锚杆小锚固长度超过3.0m。而弱风化围岩条件下，φ32GFRP锚杆的小锚固长度超过2m。试验结果与文献^[2]基本相符。
    本文建议对于岩石锚杆，全长粘结式φ32GFRP锚杆的合理锚固长度为3.0~6.0m。
3.4 粘结灰浆的设计
    水灰比是影响灰浆性质的重要的因素之一。根据一项调查，用于水坝加固工程水灰比在0.35~0.47之间。我国的《锚杆喷射混凝土支护技术规范》规定,预应力锚杆的锚固段浆体宜选用水泥浆或水泥砂浆等胶结材料，其抗压强度不宜低于30MPa。[-page-] 
    本项目现场张拉试验结果表明，由于试验过程中采用的水泥砂浆强度较低，只有25.7MPa，导致水泥砂浆和钢筋、GFRP筋锚杆的粘结强度均值均低于《锚杆喷射混凝土支护技术规范》中的粘结强度标准值。
    因此，建议全长粘结式GFRP锚杆的粘结灰浆28d龄期抗压强度应不低于30MPa。
4 锚杆间距
    锚杆间距影响单个锚杆的特性。为限制锚杆锚固段的相互作用，有关规范规定锚杆轴线间距离不小于锚固段直径的4倍。锚杆的小间距取决于其承载能力要求、每平方米所施加的荷载、地层不连续情况、锚杆自由段长度以及由于钻孔轴线的偏离而引起的锚杆过分集中或交叉。一般来说，锚杆的小间距为1.5~3.5m。我国的《锚杆喷射混凝土支护技术规范》规定，锚杆间距不宜大于锚杆长度的1/2。
    全长粘结式GFRP锚杆的布置间距应满足我国的《锚杆喷射混凝土支护技术规范》规定。锚杆的小间距1.5~3.5m。
5 小结
    全长粘结式GFRP锚杆的结构设计包括锚杆杆体荷载设计、外锚固段设计、内锚固段设计、胶结材料设计、锚杆间距设计等内容。具体设计时，可按照本文建议的有关方法进行。
    (1)采用K60-φ32锚杆作为设计使用锚杆，K60-φ32临时锚杆的设计荷载为250kN，K60-φ32永久锚杆的设计荷载为220kN;
    (2)对于K60-φ32锚杆，外锚固段设计时采用两个并行的课题组自发研制的螺纹耦合半模钢夹具，就可以对锚杆进行端部锚固；
    (3)K60-φ32锚杆，钻孔直径为90~110mm；
    (4)对于岩石锚杆，全长粘结式φ32GFRP高强锚杆的合理锚固长度为3.0~6.0m；
    (5)全长粘结式GFRP锚杆的粘结灰浆28d龄期抗压强度应不低于30MPa。
    对于其他常规的施工和安装工艺，GFRP锚杆和钢筋锚杆基本相同，可参照相关规范施工。
                    参考文献
[1] 程良奎．我国岩土锚固技术的现状与发展[M]北京：地震出版社,1992.
[2]《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GBJ86-85)．
[3]《土层锚杆设计施工规范》(CECS22-90)．
[4]《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(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，张启明，谢晶晶．纤维增强塑料筋粘结型锚杆的设计方法[J].水利学报,2002 (增刊):5-9.
[7] 周继凯,杜钦庆,吕娇云等.玻璃纤维增强复合材料筋材连接试验研究[J].玻璃钢复合材料,2006(5):24-27.
[8] 薛伟辰.不同实验方法对GFRP筋粘结强度的影响研究[J].玻璃钢复合材料,2003(5):10-13．