《Results in Engineering》：Innovative self-sensing and recyclable composite strand anchor for pit support: design, experimentation, and application
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本文针对传统基坑支护锚杆难以实时监测应力状态且不可回收的问题，研究团队开发了一种集成FBG传感器的自感知可回收复合钢绞线锚杆。通过静力拉伸与自感知试验，验证其抗拉强度达1703.1 MPa，弹性模量为194 GPa，FBG监测误差小于1.5%。该锚杆可实现应力实时监测与施工后回收，显著提升工程安全性与可持续性，为智能土木工程提供新方案。
在深基坑工程中，预应力锚杆是确保边坡稳定性的关键构件，但其内部应力状态的实时监测与长期可靠性一直是行业难题。传统传感器如应变片和伸长仪因安装空间受限、易受环境干扰，难以实现精准长期监测。此外，常规锚杆在使用后常被永久埋入地下，导致材料浪费和环境污染。针对这些问题，北京科技大学的研究团队在《Results in Engineering》发表了一项创新研究，提出了一种集自感知与可回收功能于一体的复合钢绞线锚杆，通过嵌入式光纤布拉格光栅传感器和材料结构优化，实现了锚杆应力状态的实时监测与循环使用。
本研究主要采用三类关键技术方法：一是基于拉挤成型工艺将FBG传感器嵌入碳纤维增强聚合物芯材中，形成自感知单元；二是通过静力拉伸试验和自感知对比测试，验证锚杆的力学性能与监测精度；三是在实际基坑工程中开展锚杆安装、预应力张拉与回收试验，结合FBG波长变化反演应力数据。试验样本包括实验室制备的复合锚杆及北京富源医疗项目现场的工程应用锚杆。
3.1 静力拉伸试验
通过万能拉伸试验机对五组复合锚杆进行测试，结果显示其平均抗拉强度为1703.1 MPa，略高于传统钢绞线，弹性模量为194 GPa。载荷-位移曲线表明，CFRP芯材在达到应变极限时先于外围钢绞线断裂，导致曲线在屈服阶段出现陡降，但整体结构仍满足工程强度要求。
3.2 自感知试验
在120 kN载荷下，嵌入式FBG传感器监测的波长变化为5314 pm，通过应变-波长换算公式计算得到的载荷值为118.04 kN，与试验机记录值119.89 kN误差仅为1.5%。结果表明，传感器在复杂应力环境下仍能保持高精度监测能力，且多批次锚杆的弹性模量偏差控制在±1.8%以内，证明材料工艺稳定性良好。
3.3 传感器对比分析
与表贴式FBG、电阻应变计和振弦传感器相比，嵌入式FBG锚杆在精度、耐久性和可回收性方面均具优势。其聚酰亚胺涂层和CFRP封装结构有效抵抗湿热、化学腐蚀，生命周期成本更低。
4.3 锚杆张拉与预应力监测
现场应用中，FBG传感器监测到张拉后波长变化1139 pm，对应预应力25.3 kN；3个月后波长变化增至1435 pm，预应力微增至31.9 kN。这种变化与温度波动（ΔT=23°C）及周边施工活动引起的土体变形相关，证实了监测系统对环境因素的敏感性。
4.4 锚杆回收
通过敲击锚杆边缘钢丝触发机械锚头解锁，实现了锚杆完整回收。现场操作表明，回收过程无需复杂设备，且锚杆结构无损伤，支持重复使用。
研究结论表明，该复合锚杆成功融合了CFRP材料的轻质高强特性、FBG传感器的实时监测功能及机械可回收设计，解决了传统锚杆在监测精度与可持续性方面的瓶颈。其1.5%以内的监测误差、194 GPa的弹性模量以及便捷的回收机制，为基坑工程提供了兼具智能化与绿色化的新技术路径。未来可通过长期跟踪研究进一步验证其在复杂地质条件下的耐久性。
