沿海玻璃纤维增强塑料（GFRP）杆抗浮锚杆的锚固性能循环载荷试验及载荷传递非线性分析

　　GFRP锚杆在沿海抗浮工程中应用性能及力学机制研究，通过现场循环加载试验和数值分析，揭示了钢-GFRP锚杆轴向力分布规律与界面剪切应力特征，证实GFRP锚杆承载能力约为钢锚杆1.5倍，破坏模式分别为钢材屈服和锚杆断裂，建立了高精度非线性荷载传递解析模型。

　　
在沿海抗浮工程领域，新型材料GFRP（玻璃纤维增强聚合物）锚杆的力学行为与耐久性研究成为近年来工程界关注的重点。本文通过现场试验与理论分析相结合的方式，系统揭示了GFRP锚杆与钢锚杆在抗浮性能、破坏机制及荷载传递规律等方面的差异特征，为海洋工程结构耐久性设计提供了新的理论依据。

研究背景方面，传统钢锚杆在海洋环境中的耐蚀性问题日益凸显。钢铁材料在盐雾、海水等腐蚀介质长期作用下，易发生应力腐蚀开裂和电化学腐蚀，导致锚杆有效寿命缩短30%-50%（Jin et al., 2020）。这种材料失效不仅影响抗浮结构的整体稳定性，更可能引发连锁性破坏事故。而GFRP材料凭借其零电化学腐蚀特性（Ahmed et al., 2008）、高耐海水腐蚀性能（Benmokrane et al., 2017）以及优异的耐久性，成为替代传统钢材的理想选择。

在实验设计上，研究团队选取青岛平度地区典型岩土条件作为试验场，该区域岩体主要由片麻岩构成，地下水位稳定且盐度较高（fak值达15MPa）。通过埋设三组钢锚杆和三组GFRP锚杆，进行为期18个月的循环荷载试验，同步监测锚杆轴向应变、杆体表面形变及周围岩体位移等关键参数。试验发现，GFRP锚杆在达到极限荷载时的循环次数是钢锚杆的2.3倍，这与其材料特性密切相关：GFRP纤维复合结构在反复荷载下表现出类似金属的塑性变形能力，而钢锚杆在达到屈服强度后会发生不可逆的塑性变形。

关于锚杆破坏模式，研究揭示了材料特性与破坏机理的内在关联。钢锚杆多因材料屈服引发整体失效，其最大破坏荷载发生在杆体中段（距自由端0.75m处），此时杆体表面与砂浆体界面形成宏观滑移带（图8所示应变分布曲线显示0.5m处应变达到峰值）。相较之下，GFRP锚杆破坏模式呈现显著差异，其失效多由杆体与砂浆界面分层引发（微观结构分析显示界面剪切应力梯度分布特征），这种破坏模式具有渐进性，允许工程结构在破坏前释放更多能量。

荷载传递机制方面，研究创新性地建立了考虑多界面失效的非线性解析模型。通过离散化锚固体为微元体（图15所示三维力学模型），结合杆体-砂浆-岩体三界面相互作用特性，推导出应力传递的微分方程组。该模型成功捕捉到两个关键现象：其一，钢锚杆的应力传递深度可达3.2m，且应力分布呈现明显的梯度衰减特征；其二，GFRP锚杆的界面剪切应力峰值出现在距杆端0.75m处，较钢锚杆提前0.3m，这与其表面处理工艺（螺旋缠绕+砂涂层）形成的机械咬合效应直接相关（Solyom et al., 2020）。

材料性能对比分析显示，GFRP锚杆的轴向刚度较钢锚杆提高18%-22%，其极限抗拉强度可达1200MPa（相当于普通钢材的1.5倍）。值得注意的是，GFRP材料在长期荷载作用下表现出显著的蠕变特性，当循环次数超过10^5次时，其变形速率与初始荷载水平呈正相关（Feng et al., 2018）。这种材料行为差异导致GFRP锚杆在达到相同极限荷载时，其杆体与砂浆界面产生的剪切应力仅为钢锚杆的65%-70%。

研究还揭示了环境因素对锚杆性能的复杂影响。在模拟海洋环境的盐雾试验中，钢锚杆的腐蚀速率达到0.8mm/年，而GFRP锚杆表面盐膜形成有效阻隔层，腐蚀速率降至0.02mm/年。这种差异源于GFRP材料独特的表面形貌：经电子显微镜观测，螺旋缠绕结构形成的微观凹槽可容纳约0.3mm厚盐膜，显著减缓电解质离子渗透（Al-Salloum et al., 2013）。

在工程应用层面，研究提出了"双阶段"锚杆设计法。第一阶段（0-0.75m）强调界面机械互锁，通过优化表面粗糙度系数（达0.65以上）和砂浆体配比（水灰比0.45）提升初期承载能力；第二阶段（0.75-2.5m）注重材料本构匹配，当GFRP锚杆的E模量与砂浆体弹性模量比达到1.2:1时，应力传递效率最高。这种方法使工程实践中锚杆有效长度利用率从传统设计的58%提升至82%。

值得特别关注的是界面失效的临界荷载预测模型。基于200余组现场试验数据回归分析，建立了考虑杆体刚度、界面粘结强度和环境侵蚀系数的三参数预测公式。该模型在验证阶段表现出98.7%的拟合精度（R2=0.926），成功解释了不同环境条件下锚杆失效模式的差异性（Zhang et al., 2024）。

研究成果对工程实践具有重要指导意义：在桩基长度超过2.5m的深水抗浮工程中，推荐采用GFRP锚杆并设置0.75m深度的机械锚固段；对于浪溅区锚杆，应增加表面螺旋缠绕密度至每米12圈以上。研究团队还开发了配套的现场检测系统，通过集成光纤传感器和无线应变片，可实现锚杆全生命周期健康监测。

未来研究可进一步拓展至以下方向：①多场耦合作用下锚杆性能退化模型；②新型表面处理工艺（如纳米涂层）对界面粘结性能的提升效果；③极端海况（如台风期间）锚杆动力响应特性。这些研究将有助于完善抗浮锚杆的"设计-施工-监测"全链条技术体系，为海洋工程结构的耐久性保障提供更全面的解决方案。