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摘要：对一种新型基础型式-FRP螺旋锚基础进行了研究，从现场试验出发，设计选择了不同埋深螺旋锚杆基础，并提出计算上拔极限承载力的方法。并对拉拔力公式的理论计算值与拉拔试验结果实测值进行了比较，并对FRP螺旋锚的结构和施工提出一些改进意见。
关键词：FRP螺旋锚；拉拔试验；基础工程
螺旋锚杆基础因其制造简单、安装施工方便、工期短、造价低的优点而引起工程技术人员关注 , 又因其对原状土扰动较少、能充分利用原状土强度、施工完毕后立即就能承受荷载的特点 , 必将在基础工程中具有广泛的应用前景。螺旋锚具有自身的很多优点，但是在实际应用中，也发现了一些亟待解决的问题。一是在受力过程中，杆体截面积只需满足抗拉要求即可，但是螺旋锚杆体的截面是按抗扭要求设计的，比抗拉要求设计的大得多，造成材料浪费。如果采用一种高拉伸强度的新材料代替钢材制成杆体，并且使杆体不承担下锚扭矩，就可以减小杆体截面积，从而减小下锚扭矩，节约钢材，这在锚杆制作成本上的经济性是十分可观的。二是钢制螺旋锚的锚板和杆体易生锈，限制了其在永久性工程中的应用。
一、FRP螺旋锚基础
1.1纤维加筋塑料
纤维加筋塑料（Fiber Reinforced Plastic简称FRP），是以合成树脂为基体粘结剂，玻璃纤维或碳纤维及其制品作为增强体而制成的复合材料，按增强材料的不同称为玻璃纤维加筋塑料（GFRP）或碳纤维加筋塑料（CFRP）。因为纤维加筋塑料强度高，可与钢铁相比，故俗称玻璃钢。玻璃纤维加筋塑料拉伸强度高、柔韧性好、造价相对低，国内厂家多以生产玻璃纤维加筋塑料为主。作为一种新型复合材料，与钢材等其它建筑材料相比，玻璃钢具有良好的性能：（1）轻质高强。玻璃钢的比重为1.4~2.0，是普通钢材的1/4~1/6，约是铝材的2/3，而其机械强度却能达到或超过普通碳钢水平。在工程应用中可减轻自重，在运输、安装和施工中更加方便。（2）耐蚀性。玻璃钢不导电，在电解质溶液中无游离离子，故对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐等介质有良好的化学稳定性，特别是对非氧化性酸有良好适应性。（3）电、热绝缘性。（4）表面性质好。（5）可设计性好。玻璃钢可通过改变组成材料的种类和含量来满足不同的工程需要，同时，也可通过调整纤维的排列方向来改善制品整体力学性能。（6）施工工艺性好。玻璃钢制品生产机械化，有良好的切割性能，可按需要进行模具尺寸调节和现场切割来满足尺寸、形状要求。
1.2 FRP螺旋锚结构
FRP 螺旋锚主要由锚头、锚杆和锚尾三部分组成，FRP螺旋叶片整体成型在锚头的圆筒上，锚头圆筒上端设两道啮合口与下锚用钢管啮合，以方便下锚。圆筒的内径渐变 ( 形成 3个锥面形状)，以便与锚杆通过玻璃钢制成楔块（圆台形）锁紧。锚杆截面尺寸按锚杆的设计抗拔力的大小来确定，锚杆横截面为一般做成空心圆环，由六股或八股等弧瓣状组成。锚杆插入内径渐变的锚头圆筒内，然后用玻璃钢制成楔块锁接。锚杆的尾部也是通过楔块，借助螺母和内径渐变的钢套管，可以与坡面的护坡结构连接锁定( 具体见图1)。
图1 玻璃钢（FRP）螺旋锚
FRP螺旋锚的杆体是采用玻璃钢束拼装而成，有几个优点，一是增加杆体柔性。整体成型杆体的刚度大，容易发生垂直于杆体方向的材料层间剪碎破坏。而拼装杆体能增大柔度，在绷紧时能充分发挥玻璃钢拉伸强度高的特点，杆体处于松弛状态时不会产生折断，在土体达到再次稳定后，杆体又能被绷紧，重新受力。可见柔性杆体的设计能充分发挥玻璃钢抗拉强度高的特点，尽可能使杆体发生轴向拉伸破坏。二是便于运输。杆体在运输途中可形成卷材，能节约大量的运输成本。此外在现场施工时，杆体可以根据实际下锚进行截取，满足不同的锚固要求。三是在不灌浆的情况下，有利于排水。FRP螺旋锚的抗拔力和土体的性质有关。土体的抗剪强度又与含水量大小有直接关系。试验发现，螺旋锚的抗拔力在饱和土中只有非饱和土中的1/3～1/2。FRP螺旋锚的空心杆体可加速土体固结，提高土体抗剪强度。可见，在一定时间内FRP螺旋锚的抗拔力不断增长。
二、破坏机理和极限上拔承载力公式
2.1 破坏模式
螺旋锚在砂土中竖向拉拔破坏主要有3 种模式，主要考虑螺旋锚片的埋置深度对竖向拉拔受力性能的影响, 如图 2 所示，螺旋锚的埋置深度越深 , 则竖向拉拔极限承载力就越大，但如螺旋锚的埋深超过一定临界深度后，极限承载力则无显著变化。
倒圆锥型-埋置深度较浅 局部破坏型-埋置深度较深 花瓶型-埋置深度中等
图2 螺旋锚竖向拉拔三种破坏模式
2.2 极限上拔承载力公式
螺旋锚板承受拉拔荷载时，其受力和变形的机理与受压时基本相同，忽略锚板的螺旋形状，视为一刚性圆板。极限拉拔力由锚板承载力和锚杆表面与周围土的摩擦特性确定：
式1
式中，As 、A分别为锚杆的侧壁面积和锚板的净面积，q为锚板上覆土的自重应力，c 为黏聚力，Nc、Nc为承载力因子，f s为锚杆单位表面积上的平均摩阻力。
三、现场竖向抗拔试验
3.1土层物理力学参数
实测粉质粘土土层的主要物理力学性质如下：密度为1.82g/cm3 ，饱和密度为1.89g/cm3，含水率ω=28.6%，孔隙比e=0.88，液限WL =45.6%，塑限Wp=27.7%，黏聚力c=16.1 kPa，内摩擦角 ? =18.2°，承载力特征值为200 kPa。
3.2 拉拔试验
（1）、试验锚杆数量：4根。
（2）、锚杆埋深：分别为3.0m、3.5 m、4.0 m、4.5 m
（3）、加载方式：采用分级循环加载。
（4）、破坏标准：
①、后一级荷载作用下的锚头的位移增量大于或等于前一级荷载作用下锚头位移增量的2倍；
②、锚头位移24小时内不收敛；
③、锚杆杆体被拉断。
3.3试验结果
从表 1的比较可见，式（1）的计算结果比实测的拉拔力稍大；埋深4.0m之前、拉拔力随深度增加而增大，在4.0~5.0m之间增幅不大，可以认定在这区间为临界深度。
四、结论及建议
对不同的入土深度的现场竖向拉拔试验，将理论公式计算值与实测最大竖向拉拔力比较后，就玻璃钢螺旋锚的构造、施工工艺和极限抗拔力等归纳出以下结论和建议。
(1) 、极限竖向上拔承载力随玻璃钢螺旋锚板埋深增大而增加，因此应尽量深埋；
(2) 、对c=16.1 kPa、? =18.2的这类粉质粘土而言，其临界深度应该在4~5m之间；
(3)、文中现场实测值与公式计算理论值比较接近，理论公式较好的反映了玻璃钢螺旋锚工作性状；
(4)、因试验场地为粉质粘土，抗剪强度不高，另外螺旋锚片的入土对土体的扰动也导致玻璃钢螺旋锚的抗拔力较低。
玻璃钢螺旋锚是一种新型的、有良好发展前途的抗拔结构的型式及锚固技术，笔者认为下面几个问题仍值得进一步研究及探讨：
(a)、不同土质中，玻璃钢螺旋锚临界深度的确定方法；
(b)、群锚作用下竖向抗拔极限承载力计算方法。
参考文献
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[3] 王钊等. 玻璃钢螺旋锚的现场拉拔试验[J]. 岩土工程学报, 2007, 29(10):
[4] 王钊等. 螺旋锚和土工合成材料修复膨胀土渠坡实例[J]. 南水北调与水利科技,2007, 5(5),127-131
注：项目编号：2013YB313 名称：FRP 螺旋锚基础在输电线路中应用研究
论文作者:蒋文凯1,朱瑞钧2
论文发表刊物:《防护工程》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/29
标签：螺旋论文; 拉拔论文; 玻璃钢论文; 承载力论文; 锚杆论文; 深度论文; 基础论文; 《防护工程》2017年第17期论文;