GFRP（玻璃纤维增强塑料）微型抗拔桩在沿海地区的承载行为及破坏机理：现场试验与数值模拟

《Ocean Engineering》：Bearing behavior and damage mechanisms of GFRP micro uplift piles in coastal areas: Field tests and numerical simulations

GFRP-MUP抗浮桩的荷载传递机制与性能研究通过现场拉拔试验和数值模拟发现其承载能力较钢桩提高1.7倍，锚固深度达3.0米，界面剪切应力5.06MPa，建议优化锚固体尺寸以控制位移和减少材料浪费。

　　

白晓宇|马浩然|张英杰|刘俊伟|吴泽坤|严楠

青岛理工大学土木工程学院，中国山东省青岛市嘉陵江路777号，266520

摘要

沿海地下工程面临着来自地下水浮力和腐蚀性环境的日益严峻的挑战。为了研究玻璃纤维增强聚合物（GFRP）杆微型抗拔桩（GFRP-MUP）的承载性能和荷载传递机制，本研究对GFRP-MUP进行了现场拔出试验。基于现场试验结果，还采用了数值模拟方法来揭示锚固体的损伤演变特性。试验结果表明，GFRP-MUP的承载能力显著提高，约为相同规格的钢杆微型抗拔桩（SB-MUP）的1.7倍，满足了拔出承载力的要求。在极限荷载下，GFRP-MUP的轴向力可以传递至3.0米的深度，且杆-砂浆界面的剪应力达到5.06 MPa，表明其具有有效的粘结性能。数值模拟进一步显示，GFRP-MUP锚固体的损伤在大约2.5米的深度处停止，其临界锚固长度约为3.5米。与传统SB-MUP相比，建议使用直径较大、长度较短的锚固体，以控制GFRP-MUP的整体位移并减少材料浪费。

引言

近年来，随着地下空间的不断发展，海洋和沿海工程面临着新的机遇和挑战，对沿海地下空间建筑的结构抗浮要求逐渐提高。微型抗拔桩（MUP）作为一种小直径灌浆桩，因其施工简便、占用场地小、承载能力高等特点，在抗浮工程中得到广泛应用（Wang等人，2024；Zou等人，2016）。在地下抗浮项目中，尤其是在沿海地区，地下水中常常含有腐蚀性离子，导致MUP中的钢筋长期受到腐蚀，从而显著影响其使用寿命（Wu等人，2025；Wu等人，2024；Hao等人，2023；Qian等人，2023）。玻璃纤维增强聚合物（GFRP）锚具由于其良好的耐腐蚀性、高强度和绝缘性能，成为抗浮工程中钢钢筋的理想替代品（Luo等人，2024；Sun等人，2024；Liao等人，2022；Zhang等人，2024）。

GFRP-MUP通过锚杆将作用在建筑基础底板上的浮力传递到锚固体，并通过砂浆-岩石界面将荷载传递到岩土体中，从而保持结构稳定性。已有研究对单根大直径GFRP-MUP（此处指直径超过25毫米的GFRP杆）的承载行为进行了测试（Hao等人，2023；Kuang等人，2020）。GFRP杆在自来水、海水和碱性溶液中表现出优异的耐腐蚀性（Zhang等人，2025）。进一步研究表明，在海水环境中，杆表面会形成一层保护性盐膜，减缓腐蚀过程。这一发现支持了在MUP中用GFRP杆替代钢钢筋的可行性（Al-Salloum等人，2013）。目前，利用光纤光栅传感器或电阻应变传感器测试锚杆应力传递特性的方法正在成熟（Ahmed等人，2024）。研究表明，在轻微和中等风化的岩石中，GFRP-MUP的应力传递深度集中在孔口下方1.5–3.0米的范围内，在更深的深度难以发挥锚固体的承载能力（Kuang等人，2020；Kou等人，2015；Zhang等人，2018）。尽管GFRP杆具有较高的抗拉强度，但在极限荷载下GFRP-MUP锚杆通常会发生较大位移，而锚固体的位移相对较小（Hao等人，2023；Bai等人，2024）。从失效模式来看，GFRP-MUP通常因锚杆断裂而失效。因此，GFRP-MUP的抗拔能力取决于锚杆的极限抗拉强度，这往往限制了桩体自身承载能力的充分利用（Zhang等人，2022）。相关研究表明，随着锚固体强度和锚杆直径的增加，GFRP-MUP的承载性能有所提高。然而，锚杆直径的增加会导致杆-砂浆界面的剪切强度下降，从而降低锚固效率（Shen等人，2016；Sun等人，2023）。目前，由于建筑基础底板放置在更深的深度，密集的地下岩层为GFRP-MUP承载能力的发挥提供了良好条件（Yan等人，2021；Hao等人，2024）。虽然单根GFRP-MUP的研究相对成熟，但其承载能力往往无法满足工程实践中日益增长的抗浮需求。采用多根GFRP杆配置可以显著提高桩的抗拔性能，从而提高整体结构稳定性。然而，关于多根GFRP杆提高GFRP-MUP抗浮性能的研究较少，多根GFRP-MUP的拔出承载特性和荷载传递机制仍不明确。增加锚杆数量对GFRP-MUP承载特性的影响尚需通过实验验证。因此，开展多根GFRP-MUP承载性能的测试和研究至关重要。这不仅有助于满足更高的结构抗浮要求，还有助于研究多根GFRP-MUP锚固系统内的内力分布和损伤特性。

为了全面研究GFRP-MUP的承载性能，本文对多根锚杆的GFRP-MUP进行了现场拔出试验，并结合数值模拟方法，系统研究了其荷载-位移分布、荷载传递机制和损伤演变特性。同时，还与相同规格的钢杆MUP（SB-MUP）进行了对比分析。本研究旨在为GFRP-MUP在沿海地下结构抗浮工程中的应用提供基础，并为相关抗浮标准的制定提供参考。

试验概述

GFRP-MUP的承载特性与地质条件密切相关。试验选定了一个具有均匀地质条件的中风化花岗岩代表性层作为试验层。试验地点位于青岛市的一个建筑工地。根据工程地质调查数据和现场钻探取样结果，在调查区域及试验场地附近未发现断裂带。岩土层界限清晰。

对照试验

为了为多根GFRP-MUP试验提供对比基准，进行了两项对照试验：（1）对锚杆直径分别为25毫米和28毫米的单根GFRP-MUP进行拔出试验；（2）使用HRB400钢杆的SB-MUP进行拔出试验。根据《建筑基坑支护与防护技术规范》（JGJ 120-2012），当锚杆位移超过40毫米时，定义为失效。

失效特性

MUP的失效模式主要包括锚杆断裂失效、锚杆拔出失效、杆-砂浆界面滑移失效、砂浆-岩石界面滑移失效以及涉及两种界面的复合剪切失效（Marco和Antonio，2019；Ma等人，2025）。本次拔出试验观察到的失效模式总结在表4中。图4显示了GFRP-MUP加载试验完成后GFRP杆的失效特性。

GFRP-MUP拔出过程中的失效过程可以描述为

有限元验证

由于试验中桩体埋设于地下，直接观察桩体和锚杆的变形及损伤特性较为困难。有限元分析方法（FEM）在研究机械作用下的内部结构变形和损伤方面具有明显优势（Han等人，2023）。

该数值模拟按照与现场试验1:1的比例进行建模。为了消除边界效应的影响，

结论

本研究对GFRP-MUP进行了现场拔出试验和数值模拟分析，系统研究了其失效模式、锚杆内的内力分布规律及损伤特性。主要结论如下：

(1)

与SB-MUP相比，GFRP-MUP的承载能力显著提高。双杆和三杆GFRP-MUP的极限荷载分别为751 kN和942 kN，约为相同规格SB-MUP的1.7倍

作者贡献声明

白晓宇：正式分析。马浩然：撰写——初稿。张英杰：调查、概念构思。刘俊伟：调查。吴泽坤：概念构思。严楠：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢以下机构的财政支持：

国家自然科学基金（项目编号：52478348），山东省自然科学基金（项目编号：ZR2025MS792），山东省泰山学者基金（项目编号：tsqn202306234），青岛市自然科学基金（项目编号：24-4-4-zrjj-180-jch）。