沿海区域FRP（纤维增强塑料）杆抗浮锚杆的承载性能现场试验及锚固机制分析

《Ocean Engineering》：Coastal FRP bar anti-floating anchor rods bearing performance field tests and anchorage mechanism analysis

FRP棒作为抗浮工程中替代钢棒的材料，其承载力、位移特性及锚固机制通过现场试验和理论分析得到研究，发现FRP棒承载力优于钢棒但位移较大，持续荷载会削弱锚杆性能，影响荷载传递深度和速率，研究结果对工程应用有指导意义。

　　

孙干|白晓宇|严楠|李兆志|王凤娇|李明

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

在沿海抗浮工程中，FRP筋可以作为钢筋的替代品，但其在实际工程应用中的性能仍不明确。本文通过现场试验研究了FRP筋的内部力分布，阐明了FRP筋在短期持荷作用下的变形行为，并从介观和宏观角度解释了锚固界面的锚固机制。结果表明，FRP筋的承载能力优于钢筋，但其变形相对较大，且持续加载会削弱FRP筋锚杆的承载能力。锚杆的轴力呈现先加速后减小的趋势。FRP筋中的轴力传递深度较小，但变化率较大。锚固界面的剪应力先迅速增加后减小，FRP筋的峰值剪应力较高。在持荷作用下，锚杆的变形随时间增加。周围岩石的强度和锚杆的弹性模量都会影响载荷传递的深度和变化率。本研究具有一定的理论价值和工程意义。

引言

近年来，海洋资源开发和沿海区域的建设不断推进。随着沿海工程规模的扩大，对基础设施结构的抗浮要求也不断提高。在富含盐离子的海水环境中，结构中的钢筋容易生锈，而干湿循环和冻融循环会加速腐蚀过程（Yang等人，2024年），严重影响结构的耐久性。纤维增强聚合物（FRP）筋具有较高的抗拉强度、良好的耐腐蚀性和优异的介电性能（D'Antino等人，2019年），可以替代钢筋作为受拉构件，有效解决这一问题并大幅延长结构的使用寿命。然而，FRP筋在抗浮工程领域仍是一种相对较新的材料，大多数关于FRP筋的研究集中在实验室试验上（Ali等人，2020年；Benmokrane等人，2021年）。然而，它们在实际工程应用中的承载性能仍需进一步研究。

FRP筋是通过挤出、浸渍和固化等工艺，将纤维增强材料与树脂基体以约4:1的体积比结合而成的棒状材料（Feng等人，2022年）。常用的纤维增强材料包括碳纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维。其中，GFRP筋因其生产成本低而受到青睐，广泛应用于各种土木工程中（Ma等人，2025年）。FRP筋在地下水、碱性溶液和酸性环境中表现出优异的机械性能和耐腐蚀性（Li等人，2015年）。在海水中，盐离子在FRP筋表面形成一层盐膜，增强了其耐腐蚀性（Al-Salloum等人，2013年）。这些材料特性使得FRP筋非常适合用于抗浮工程。抗浮锚杆是多种抗浮措施之一，它依靠锚杆与周围砂浆之间的粘结锚固效应（称为锚固效应）将浮力传递到岩石和土壤层，从而保持基础的稳定性（Kou等人，2015年）。锚固效应的强度受多种因素影响，包括锚杆的尺寸（Nepomuceno等人，2021年）、锚杆的表面类型（Chen等人，2023年）、荷载效应（Wang等人，2014年）、岩石和土壤的质量（Chen，2014年）以及环境因素（如温度、湿度和盐腐蚀）（Lu等人，2020年）。这些因素直接决定了抗浮锚杆的承载能力。此外，锚体的包裹效应可以提高FRP筋的耐久性（Robert等人，2009年）。锚固效应的大小与锚杆的长度呈正相关（Hussain等人，2022年），尽管这种影响有一定的限度（Kong等人，2023年），并与锚杆的直径呈负相关（El Refai等人，2015年）。对锚杆表面进行喷砂处理可以增加锚固界面的摩擦力（Wei等人，2019年），而缠绕处理可以增强界面的承载力（Yokota等人，2019年），从而提高锚固效应。增加额外的肋条或安装锚固装置可以显著增强锚固效应（Carozzi等人，2018年）。在加载作用下，FRP筋和锚体会发生相对位移，锚体在界面处会遭受不可逆的损伤，损伤从浅层逐渐向深层发展（Sun等人，2026年）。这种损伤的程度受荷载水平的影响，从而削弱了抗浮锚杆的承载性能。在循环加载下，锚固界面的损伤会随时间累积，最终导致锚固系统的累积疲劳失效（Tistel等人，2017年）。当受到持续加载和环境因素的共同作用时，FRP筋内部会产生微裂纹并扩展，使腐蚀离子损坏纤维-基体界面，导致FRP筋的抗拉强度降低（Wang等人，2018年），并引起杆的纵向变形。这一过程的宏观表现是蠕变现象（Laoubi等人，2006年）。

尽管现有研究为FRP筋的使用提供了一些设计建议（Doostmohamadi等人，2023年；Hao等人，2024年），但这些结果大多基于仅考虑单一因素影响的组件试验，缺乏实际工程应用所需的说服力。而且，在施工现场进行的FRP筋承载性能试验也很少。因此，有必要在实际工程应用中对FRP筋进行承载性能试验。基于此，本文对不同锚杆埋深（称为“埋岩深度”）和不同锚杆材料的抗浮锚杆进行了单调加载试验和短期持荷试验，重点研究了FRP筋抗浮锚杆的承载性能、变形行为和短期持荷特性。通过全面分析失效现象、锚杆的轴力分布、锚固界面的剪应力分布以及抗浮锚杆中锚固界面锚固机制的发展过程，本文具有重要的理论意义，并提供了宝贵的工程指导。

试验现场概述

试验现场位于青岛市的一个特定区域，该地区的地质条件较为均匀。试验用锚杆嵌入了风化严重的片麻岩层中，暴露厚度范围为2.00米至11.00米，平均厚度为8.44米。试验现场的地质特征表现为：中粗粒结构、片状和脊柱状结构以及块状结构。岩石结构部分受损，含有次生矿物

锚杆失效模式

锚杆失效时的荷载值以及锚杆和锚体的位移在表2中进行了统计展示。试验数据经过统计分析，如表3所示，锚杆的试验数据分散度较低，表明试验结果具有良好的重复性。只有G-S-3锚杆的标准偏差较大，这与锚杆的拔出失效有关。从表2中可以看出

锚杆的变形分析

FRP筋在短期持荷作用下的位移曲线如图13所示（注意GFRP筋在单调加载下的最小荷载为334 kN，而G-R-3锚杆的最终荷载仅为330 kN）。短期持荷试验后，继续加载直至试验锚杆破坏。锚杆的失效荷载和位移在表4中展示，试验结果经过统计分析，如表5所示，试验数据表现出

锚杆锚固机制分析

为了阐明FRP筋与锚体之间的锚固行为，使用直径为25毫米的GFRP筋进行了三组室内拔出试验，如图21所示。锚体为尺寸为200×200×200毫米的立方体，由M30级水泥砂浆制成。FRP筋的锚固长度为杆直径的5倍（125毫米）。为了准确测量FRP筋与锚体界面之间的粘结锚固力，对FRP筋的剩余部分进行了处理

结论

本文对不同埋岩深度和不同锚杆材料的抗浮锚杆进行了单调加载试验，并对不同锚杆材料的抗浮锚杆进行了短期持荷试验。研究了这些抗浮锚杆的承载能力，明确了抗浮锚杆的载荷传递行为，并分析了锚固界面的锚固机制。基于这些研究，得出以下结论

CRediT作者贡献声明

孙干：撰写——初稿。白晓宇：正式分析、概念化。严楠：撰写——审阅与编辑。李兆志：调查。王凤娇：数据整理。李明：数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52478348）、山东省自然科学基金（资助编号：ZR2025MS792）、山东省泰山学者计划（资助编号：tsqn202306234）以及青岛市自然科学基金原创探索（资助编号：24-4-4-zrjj-180-jch）的支持。