第一章 绪论
1.1 选题意义
土质边坡稳定性分析一直是岩土工程研究的重点和热点之一。边坡内土层的空间分布、基本物理性质、强度特性、地下水文地质条件等都是影响土坡稳定性的重要因素。为了确保边坡的稳定，前人提出了形式多样的支护结构体系，土钉墙就是其中的一种形式。土钉墙作为一种原位土体加筋技术，在土体内设置一定长度和分布密度的加筋材料（土钉），通过加筋材料与土共同作用，发挥了加筋体的抗拉作用，弥补了土体抗拉、抗剪强度低的弱点，充分利用了土体自身强度潜力，改变了边坡变形和破坏的方式，显著提高了边坡整体稳定性。
传统的土钉墙的土钉采用钢筋或钢管作为筋体材料。由于钢筋或钢管抗腐蚀性差的特点，在一些含水率高、盐碱性强的土质中使用寿命会大大缩短，强度减弱或失效，由此造成巨大损失[1]。玻璃纤维复合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer，简称 GFRP）制成的 GFRP 筋质量轻、抗拉强度高，尤其抗腐蚀、防水性能好、宜切割，可以成功解决传统钢筋土钉耐腐蚀性的问题，也可以克服传统的钢筋或钢绞线锚拉支护给相邻基坑后期开挖造成施工切割障碍，因此 GFRP 逐渐成为了最受欢迎的新型土钉材料之一[2]。GFRP 筋土钉墙已经成功应用在我国一些地方的边坡支护中[3, 4]，但在山西地区还没有应用案例，为此，针对山西省内的地层条件，研究 GFRP 筋土钉墙的适应性、设计参数取值及施工工艺等，为本地区的推广应用提供技术支撑，是本课题的研究意义。
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1.2 GFRP 筋在山西省应用的优势
1.2.1 适合山西省的水文地质条件
我省河流属于黄河和海河两大水系，黄河流域的面积为 97 138 km2，海河流域 59133km2。有 240 余条河流流域面积大于 100 km2，其中集水面积大于 3000 km2，河长 150 km以上共有八条河流，即汾河、沁河、涑水河、三川河、昕水河、桑干河、滹沱河、漳河。我省最大的河流为汾河，是黄河的一级支流，全长 695 km，起源于管涔山，途径忻州市、太原市、吕梁市、晋中市、临汾市、运城市等 6 市 29 县，流至万荣县汇入黄河，流域面积共 39 471 km2。我省的西面和南面被黄河环绕，东面和东南面高耸向华北平原陡斜，成为了众多河流的发源地。由于我省在很多地下工程和边坡工程中会存在地下水位高、含水率高、腐蚀性强的情况，传统钢筋、钢管土钉寿命大大减弱。
GFRP 筋组成材料均为无机非金属材料，其中起保护作用的基质主要成分为树脂，该材料耐水耐腐蚀，可在盐碱性或含水充沛的土壤长期使用。基体紧密包裹内部玻璃纤维，为其提供安全的工作环境。玻璃纤维本身受盐碱和水的侵蚀也极弱。故该筋体在盐碱和潮湿的环境下耐久性极高，若将其替代钢管、钢筋等传统土钉，可有效解决我省含水量丰富和盐碱性强的土层中土钉支护的问题。
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第二章 GFRP 筋室内试验
2.1 GFRP 筋简介
GFRP 筋即玻璃钢，是由聚合物基体与玻璃纤维复合成的新型材料[51]。玻璃纤维大多以二氧化硅为原材料，并参杂非金属氧化物与钙、钠等金属材料烧制而成，其成分一定程度上能决定它的物化性能[52]，制成的 GFRP 筋的整体性随玻璃纤维直径的缩小而增加。玻璃纤维按含碱量可划分为无碱玻璃纤维、中碱玻璃纤维、有碱玻璃纤维和特种玻璃纤维等四大类[53]。由于不饱和聚酯价格低、工艺性能良好等特点，常被用为 GFRP 筋基体[54]。从组成材料中可看出，GFRP 筋轻质高强且耐腐蚀性好，因此得到广泛的应用。
2.1.1 GFRP 筋的物理参数
本试验使用的 GFRP 筋直径为 20mm，肋高为 1.58mm，肋宽为 7.38mm，肋间距为2.76mm。由厂商提供数据可知 GFRP 筋中玻璃纤维含量为 65%，泊松比为 0.17，密度为 2.0g/mm3。
图 2-1 GFRP 筋具体尺寸
2.2 室内拉伸试验
2.2.1 试验方案
探究土钉拉伸性能最常用的试验方法为室内拉伸试验，拉伸试验过程参照 GB/T13096-2008《拉挤玻璃纤维增强塑料杆力学性能试验方法》[56]。
1、试件制作
由于本项目所属工程采用φ20 GFRP 土钉，则本实验选用同规格 GFRP 筋。取 3 根长度为 75cm 的φ20 GFRP 筋试件备用，将每根试件的两端用长 25cm、直径 32cm 的钢套管保护，防止试件端头被夹至劈裂。每根土钉两侧配置钢丝制成的简易定位器，保证钢套管套入时与土钉同心。使用膨胀水泥浆填充试件与套管之间的缝隙，防止试件与钢管壁之间在拉伸时产生滑移。将钢套管用外端密封，防止膨胀水泥浆注入后流出。
膨胀水泥浆按水灰比 1：0.5 制备，掺入水泥质量 4%的膨胀剂拌合。先在试件一端注入膨胀水泥浆，分 7 至 8 次注入，每次注入后用铁棒敲击钢套管侧壁十余次，使水泥浆流入底部并排出气泡。一侧注完后静置一天，终凝后按同样方法浇注另一端。
两端终凝后放入温度 25±℃、湿度 95%以上的环境中进行 14 天的养护。
图 2-2 简易定位器 图 2-3 套入套筒
3. GFRP 土钉墙现场试验....................18
3.1 工程概况..........................................18
3.1.1 位置与交通条件........................................18
3.1.2 地质水文条件......................................20
4. 托盘应力计算及优化.....................50
4.1 理论计算...............................................50
4.2 数值模拟...........................................56
5. 结论与展望.................60
5.1 结论...................................67
5.2 展望....................................68
第四章 托盘应力计算及优化
4.1 理论计算
经试验方案改进，该拉拔破坏主要是由于螺母磨损、托盘与螺母连接处产生扩张和微小裂纹，致使整体托盘、螺母固定系统失效滑脱所致。因此应用弹性力学对托盘极限受力状态进行理论分析。
为简化计算且接近托盘工作状态，将千斤顶施加的局部荷载更改为满布荷载，取q = 5.71MPa（拉拔极限最小值）。由于该托盘内壁截面为斜面，荷载 q 可分解为沿内壁方向荷载 1和垂直内壁方向荷载 2。
图 4-1 托盘计算简图
第五章 结论与展望
5.1 结论
基于传统土钉的局限性和 GFRP 材料的优异性，本文将 GFRP 筋运用在土钉墙支护中，通过室内试验、现场试验、理论分析和数值模拟等手段对其进行了全面的探究。首先，通过室内拉伸试验分析了 GFRP 筋的破坏机理，测得其弹性模量和抗拉强度，并分析了其应力应变曲线。其次，通过现场拉拔试验确定了 GFRP 土钉系统的破坏形式，测得其抗拔力，并在试验过程中对钉头锚固系统进行了相应的优化，取得一定的成效。后运用分布式光纤光栅传感系统对土钉开挖过程中的应力变化进行了监测，发现了各施工阶段对土钉杆体应力影响程度，并分析了各阶段土钉内力变化特点。通过现场试验发现，本次试验的 GFRP 土钉系统主要破坏形式为土钉与托盘之间连接的破坏。最后，为优化GFRP 土钉墙，本文运用理论计算和数值模拟等手段对极限承载力状态下的托盘整体受力情况进行了分析，探究了其破坏机理，得出以下结论：
1、本土钉墙使用 GFRP 筋弹性模量为 7MPa，平均抗拉强度为 391.5MPa，破坏形式为玻璃纤维断裂产生的脆性破坏。
2、本 GFRP 土钉墙土钉平均抗拔力为 93kN，现场拉拔试验时破坏主要螺母磨损、托盘内壁下部开裂产生的钉头锚固系统滑脱。
3、现场施工时开挖和喷面对土钉内力受力影响最大，吊车、地下管廊主体结构加载及不施工时土钉几乎无变化。开挖时边坡共产生两个潜在破坏面，潜在破坏面随开挖深度的增加而后移。喷面时靠近坡面处变化大，随距离坡面距离的增加应力变化减小。预估土钉全生命周期总应力大概在 0.86~30.44MPa 范围内，远小于其破坏极限。
4、托盘的应力最大值位于托盘内壁底部，破坏极限为-143.38MPa（压应力）。泊松比的改变对托盘应力几乎无变化。对托盘截面进行优化后，截面面积节省 9.84%，原截面破坏处（托盘内壁底部）径向应力减小为原来的12，原截面突变处径向应力也减小为原来的12，托盘性能明显提高。
5、GFRP 土钉抗拉、抗拔性能满足设计要求，现场施工时全杆受力满足安全要求，对托盘的优化可明显提高 GFRP 土钉系统的工作性能。
参考文献（略）