GFRP靜壓樁擠土效應(yīng)模型試驗(yàn)研究

楊果林，魏賽賽，關(guān)耀,余文華

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410075；2.中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410004)

GFRP靜壓樁擠土效應(yīng)模型試驗(yàn)研究

楊果林1?，魏賽賽1，關(guān)耀2,余文華2

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410075；2.中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410004)

為掌握GFRP樁-土相互作用機(jī)理及壓樁動(dòng)態(tài)力學(xué)效應(yīng)，開展GFRP靜壓樁模型試驗(yàn)研究，對表土隆起量和徑向擠土壓力進(jìn)行分析.分析表明：表土隆起量在徑向距離在1.8D(樁徑)處達(dá)到峰值.此峰值隨沉樁深度的增加而減小，數(shù)值最終大致穩(wěn)定在0.05D；徑向擠土壓力隨沉樁深度的增加而先增大后減小，當(dāng)沉樁深度大致等于測點(diǎn)深度時(shí)，測點(diǎn)處徑向擠土壓力達(dá)到峰值；峰值徑向擠土壓力Pm隨著徑向距離的增大不斷衰減.當(dāng)徑向距離達(dá)到3D時(shí)，Pm衰減至峰值徑向擠土壓力的最大值Pmm的30%以下；Pmm出現(xiàn)在樁身中下部，數(shù)值大致與樁徑成正比.

模型試驗(yàn)；擠土效應(yīng)；玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料樁；表土隆起量；徑向擠土壓力

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)是由高性能纖維和樹脂基體按比例混合加工而成的一種新型復(fù)合材料，當(dāng)所用加強(qiáng)纖維為玻璃纖維時(shí)便稱作玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(glass fiber reinforced polymer，GFRP)，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞的特點(diǎn)[1].在工程結(jié)構(gòu)中使用GFRP材料可以很大程度減少傳統(tǒng)材料由于腐蝕等造成各種破壞和損失，具有廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益[2-6].

美國在20世紀(jì)80年代就開始使用GFRP樁，但大部分是用于海岸防護(hù)樁，輕型結(jié)構(gòu)樁基和試驗(yàn)樁[7].由于缺乏足夠的研究、現(xiàn)場工程實(shí)例和設(shè)計(jì)施工規(guī)范，GFRP樁還沒有在工程上被廣泛地應(yīng)用[8].國外學(xué)者對GFRP樁的性能進(jìn)行了一些研究.如：Giraldo等[9]利用模型試驗(yàn)研究了FRP管樁在原狀粘性土中的豎向和橫向承載力性能，并與鋼管樁進(jìn)行了對比，試驗(yàn)結(jié)果表明FRP樁可以作為承重樁使用；Guades等[10]利用試驗(yàn)研究了FRP樁在沉樁沖擊荷載下影響FRP材料損傷的因素，并利用能量分析理論預(yù)測FRP樁在沖擊荷載下FRP材料的損傷，對FRP樁沉樁具有指導(dǎo)作用；Iskander等[11]應(yīng)用數(shù)值模擬分析了FRP樁的沉樁性能，結(jié)果表明材料本身的比重和模量是影響沉樁性能的關(guān)鍵因素.

GFRP樁屬于擠土樁，擠土樁在沉樁過程中，尤其是在軟土地區(qū)會產(chǎn)生明顯的擠土效應(yīng)，對工程造成不良影響[12].但目前關(guān)于GFRP靜壓樁擠土效應(yīng)的試驗(yàn)研究較少.羅戰(zhàn)友等[13]、趙明華等[14]和雷華陽等[15]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)樁-土界面摩擦參數(shù)是影響靜壓樁擠土效應(yīng)的重要因素；Giraldo等[16]通過直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)FRP-黏土界面摩擦角要比鋼材-黏土界面摩擦角大5%～19%，比混凝土小12%～23%,所以有理由認(rèn)為GFRP樁的擠土效應(yīng)與混凝土樁和鋼管樁有著不同的發(fā)展規(guī)律.因此，本文通過模型試驗(yàn)對GFRP樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行研究，以求為GFRP樁作為承重樁的設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用.

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?/p>

試驗(yàn)采用的模型箱以角鋼為骨架，長寬高尺寸為100 cm×100 cm×150 cm,底部及四側(cè)壁均為鋼板焊接.為保證模型箱側(cè)壁的剛度，外側(cè)壁在豎向和橫向上正交地焊接槽鋼,在一對對稱的外側(cè)壁上焊接槽鋼加高模型箱，并在同一高度水平焊接角鋼，用來在壓樁時(shí)提供反力.

1.2 模型樁

Ashford等[17]通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)FRP樁相對較低的動(dòng)剛度限制了沉樁深度，由此本試驗(yàn)中模型樁的長徑比控制為10～25.

模型樁為3根GFRP樁，直徑分別為38，75和92 mm，壁厚依次為4，6和8 mm.樁長均為100 cm，使用電動(dòng)液壓千斤頂勻速沉樁加載，加載速度為100 N/min，單次沉樁深度為15 cm，共沉入90 cm.

1.3 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣采用重塑黏土.為保證填土均勻，填土?xí)r逐層填鋪，每層鋪設(shè)15 cm，總填土高度120 cm.每層土填鋪時(shí)，先采用落雨式填土方式把固定質(zhì)量(260 kg)的土粒均勻地撒入模型箱，找平后，擊實(shí)到指定高度.土體填筑完成后靜置24 h，再進(jìn)行壓樁試驗(yàn).模型箱中土體主要物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1模型用土的物理力學(xué)參數(shù)

Tab.1Physicalandmechanicalparametersofsoilinmodel

含水率ω/%密度ρ/(g·cm-3)孔隙比e液限ωL/%塑限ωp/%黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)221.770.53612710.76.1

為防止產(chǎn)生界面效應(yīng)，在上層土體鋪設(shè)前，把下層擊實(shí)面刮毛.填筑過程中將土壓力盒按照試驗(yàn)方案埋設(shè)在相應(yīng)位置,導(dǎo)線歸至一處并從模型箱內(nèi)側(cè)壁引出.模型箱中土樣在進(jìn)行單根樁的壓樁試驗(yàn)后,需清理干凈,再次填土后方可進(jìn)行下一個(gè)模型樁的沉樁試驗(yàn).

1.4 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

試驗(yàn)擬量測2類數(shù)據(jù)：1)表土隆起量，由百分表測得.2)水平擠土壓力，由土壓力盒測得.測量儀器參數(shù)見表2，具體布置見圖1.

表2 測量儀表參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 表土隆起量分析

為研究沉樁過程中表土隆起量的變化規(guī)律，在以樁外壁為起點(diǎn)，徑向距離分別為5,10,15,25和35 cm處架設(shè)百分表進(jìn)行量測.具體布置見圖1.

圖1 模型箱Fig.1 Model box

為研究擠土效應(yīng)的一般規(guī)律，分析數(shù)據(jù)前，對沉樁深度、徑向距離和表土隆起量按照樁徑進(jìn)行歸一化處理.為描述沉樁動(dòng)態(tài)的過程引入變量深徑比λ，定義為沉樁深度與樁徑的比值，即λ=h/D.圖2為各個(gè)樁徑的GFRP樁沉樁到不同深度時(shí)，表層土體的隆起量.

由圖2可知，經(jīng)歸一化處理后，直徑75 mm和92 mm模型樁的表土隆起量都呈單峰分布，且都在徑向距離為1.8D(樁徑)時(shí)達(dá)到峰值.對于38 mm模型樁，由于缺少較小徑向距離處的表土隆起量測量值，所以無法看到其數(shù)據(jù)呈單峰分布，但是可以看到數(shù)據(jù)的衰減段.因此，有理由把75 mm模型樁和92 mm模型樁的表土隆起規(guī)律當(dāng)作一般模式進(jìn)行分析.

(a)38 mm模型樁

(b)75 mm模型樁

(c)92 mm模型樁圖2 表土隆起量沿徑向分布圖Fig 2 Radial distribution of heave of topsoil

觀察發(fā)現(xiàn)，表土隆起量的發(fā)展趨勢類似于數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的F分布.F分布函數(shù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)中代表隨機(jī)變量的分布規(guī)律.拋開其數(shù)學(xué)意義不談，它的函數(shù)圖像與表土隆起量的分布相似.因此可以把F分布函數(shù)作為一種擬合函數(shù)，對表土隆起量進(jìn)行擬合，通過對擬合系數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)表土隆起量的某些固定規(guī)律.

本文利用F(10，10)的密度函數(shù)，通過縱橫軸伸縮及圖像的平移，對圖2(c)的圖像進(jìn)行擬合.用如下函數(shù)對92 mm模型樁在6種深徑比時(shí)的表土隆起量進(jìn)行擬合.

S=A·F[B·(x-C)]

式中：S為表土隆起量；A為縱坐標(biāo)伸縮系數(shù)；F(x)為F(10，10)的概率密度函數(shù)；B為橫坐標(biāo)伸縮系數(shù)；x為經(jīng)樁徑歸一化后的徑向距離，即徑向距離/樁徑；C為橫坐標(biāo)平移量.擬合結(jié)果為：A=15.5/λ+5，B=0.57，C=0.52.為了檢驗(yàn)此擬合結(jié)果的一般性，用此結(jié)果預(yù)測75 mm模型樁的表土隆起量,如圖3所示.

(a)75 mm模型樁(深徑比為6.0)

(b)75 mm模型樁(深徑比為10.0)圖3 預(yù)測值與實(shí)測值對比圖Fig.3 Comparison between predicted and measured values

擬合系數(shù)B和C為固定值，說明GFRP樁的擠土效應(yīng)有著固定的發(fā)展規(guī)律.其中B決定著表土隆起量的徑向分布規(guī)律，B和C共同決定了表土隆起量峰值出現(xiàn)的位置.從擬合數(shù)據(jù)中可以看出，3根試驗(yàn)樁的表土隆起量峰值均出現(xiàn)在徑向距離為1.8D處，且徑向距離為4D時(shí)表土隆起量已衰減至峰值的30%.因此為防止沉樁時(shí)造成群樁中的臨近樁被拉斷，應(yīng)設(shè)置樁心距不小于4倍樁徑.

擬合系數(shù)A隨著沉樁深度的增大而減小，但減小速度越來越慢，最終趨近于5.A決定了表土隆起量的峰值及其在時(shí)間上的發(fā)展規(guī)律.從擬合系數(shù)A中可以看出：沉樁速度的合理設(shè)置可以在一定程度上控制表土隆起量的發(fā)展，但沉樁速度與表土隆起量的發(fā)展并非簡單的線性關(guān)系.

表3為各文獻(xiàn)中表土隆起量的分布規(guī)律.各文獻(xiàn)中的表土隆起量均有著相似的分布規(guī)律，僅在峰值大小和出現(xiàn)位置上有所差異.對比可以發(fā)現(xiàn)：開口管樁可以有效減小表土隆起量峰值；GFRP樁及木樁的峰值出現(xiàn)位置較混凝土樁近，這可能是由樁-土界面摩擦參數(shù)的不同造成的.

表3 表土隆起量分布規(guī)律

2.2 徑向擠土壓力分析

為研究靜壓沉樁過程中土體各處徑向擠土壓力的變化規(guī)律，在徑向距離分別為10 cm,20 cm和30 cm處埋設(shè)土壓力盒，共埋設(shè)3層，埋深分別為10 cm,45 cm和75 cm.具體布置見圖1.圖4為樁徑38 mm的GFRP模型樁沉樁過程中，徑向擠土壓力隨沉樁深度的變化曲線.圖4中的有序數(shù)對代表測點(diǎn)位置，其中第1個(gè)數(shù)字代表徑向距離，第2個(gè)數(shù)字代表豎向埋深.樁徑75 mm和92 mm模型樁的測量數(shù)據(jù)有著相似的規(guī)律，此處不予列出.

由圖4(a)可以看出：同一埋深處的徑向擠土壓力隨著徑向距離的增加而迅速衰減.由圖4(b)可以看出：徑向擠土壓力隨著沉樁深度的增加而先增大后減小，當(dāng)沉樁深度大致等于測點(diǎn)埋深時(shí)，此測點(diǎn)處的徑向擠土壓力達(dá)到峰值.

過大的峰值擠土壓力可能使已施工的樁產(chǎn)生水平位移，甚至造成樁身破壞，對周圍環(huán)境產(chǎn)生危害[22].因此，有必要研究峰值徑向擠土壓力的分布規(guī)律.記任一點(diǎn)處出現(xiàn)的峰值徑向擠土壓力為Pm.

根據(jù)各測點(diǎn)處的峰值徑向擠土壓力，使用Matlab畫出等值線灰度圖，即可直觀地反映出地基土中Pm的分布規(guī)律，如圖5所示.

由圖5可以看出,在水平方向上，Pm隨著徑向距離的增大而迅速衰減；在豎直方向上，Pm在樁身中下部出現(xiàn)最大值(記為Pmm)；當(dāng)徑向距離達(dá)到3D時(shí)，Pm已衰減至最大值的30%以下.

圖6為峰值徑向擠土壓力的最大值Pmm與樁徑的關(guān)系圖.由圖6可知，靜壓樁的Pmm與樁徑大致成正比，即GFRP樁的徑向擠土壓力并不具有明顯的尺寸效應(yīng).

圖4 38mm樁徑向擠土壓力隨沉樁深度的變化曲線Fig.4 Development of radial earth pressure with the piling of 38 mm pile

圖5 Pm分布圖(kPa)Fig 5 Distribution of Pm (kPa)

圖6 Pmm與樁徑的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between Pmm and diameter of pile

3 結(jié) 論

通過模型試驗(yàn)，研究GFRP靜壓樁的擠土效應(yīng)，分析表土隆起量和徑向擠土應(yīng)力，得出以下結(jié)論：

1)表土隆起量隨著徑向距離的增加先增大后減小，峰值出現(xiàn)在徑向距離1.8D處，此峰值隨著沉樁深度的增加而減小，數(shù)值最終穩(wěn)定在0.05D左右.

2)徑向擠土壓力隨沉樁深度的增加而先增大后減小，當(dāng)樁端下沉至測點(diǎn)附近時(shí)，此處徑向擠土壓力達(dá)到峰值Pm.

3)隨著徑向距離的增大，峰值徑向擠土壓力不斷衰減.當(dāng)徑向距離達(dá)到3D時(shí)，峰值徑向擠土壓力Pm衰減至最大值Pmm的30%以下.

4)峰值徑向擠土壓力的最大值Pmm出現(xiàn)在樁身中下部，數(shù)值大致與樁徑成正比.

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Model Test Research on Squeezing Effect of Jacked GFRP Pile

YANG Guolin1?,WEI Saisai1，GUAN Yao2,YU Wenhua2

(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.Civil Engineering Co Ltd,China Construction Fifth Engineering Bureau,Changsha 410004,China)

In order to investigate the interaction between GFRP pile and soil as well as dynamical mechanics effect in driving pile，model test of jacked GFRP piles was conducted，and the heave of topsoil and radial squeezing pressure were analyzed. The results show that the heave of topsoil reaches the maximum value when the radial distance is equal to 1.8 times the pile diameter. The maximum value decreases with the increase of the depth of piling and eventually stabilizes at about 5 percent of pile diameter. Radial squeezing pressure in a certain depth first increases and then decreases with the increase of the depth of piling，and reaches the maximum value when the depth of piling is equal to the depth of measure point. The maximum value of radial squeezing pressure，Pm，decreases with the increasing radial distance. When the radial distance increases to be three times of the pile diameter，Pmreduced to thirty percent ofPmm(i.e.，the peak value ofPm) or less.Pmmappears at the lower part of the pile，whose value is roughly in proportion to the pile diameter.

model tests;squeezing effect;glass fiber reinforced polymer(GFRP) pile;heave of topsoil;radial earth pressure

TU47

A

1674-2974(2017)11-0164-06

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.11.019

2016-07-26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478484,51778641), National Natural Science Foundation of China(51478484,51778641)；中建五局土木工程有限公司立項(xiàng)項(xiàng)目(02012016YN77，02012016YN89),Civil Engineing Co Ltd of China Construction Fifth Engineering Bureau(02012016YN77，02012016YN89)

楊果林(1963-)，男，湖南桃江人，中南大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師

，E-mail: yangguolin6301@163.com