玻璃纖維增強復(fù)合樁水平承載特性試驗與數(shù)值模擬

徐寧，張建偉，李榮翔

(河南大學(xué) 土木建筑學(xué)院；巖土與軌道交通工程研究所，河南 開封 475004)

傳統(tǒng)樁基主要以承受豎向荷載為主，但在港口碼頭、基坑以及邊坡支護(hù)等工程中，樁基往往以承受水平荷載為主，為提高樁基水平承載力，傳統(tǒng)方法往往是增大樁基橫截面尺寸，不僅增加了水泥等材料的用量，并且加大了施工難度和經(jīng)濟投入量。FRP材料有著優(yōu)異的工程特性，F(xiàn)RP復(fù)合樁是將FRP材料與混凝土樁相結(jié)合，發(fā)揮FRP材料的工程特性。

雖然近年來學(xué)者們對FRP材料在樁(柱)方面的研究有一定的發(fā)展，但在水平承載力研究方面還相對較少。Mirmiran等[1]在1996年就提出了采用FRP殼代替鋼管的FRP復(fù)合樁以用于腐蝕環(huán)境和地震帶地區(qū)，并用模型分析驗證了FRP材料能夠提高樁的強度和延性。Zyka等[2]對FRP空心鋼管樁進(jìn)行了試驗分析研究，Murugan等[3]對GFRP復(fù)合樁在粘質(zhì)砂土中進(jìn)行了水平荷載下極限承載能力研究，實驗表明GFRP材料能夠提高樁的水平承載能力。戴國亮等[4]利用理論計算分析方法，將FRP復(fù)合樁作為一個橫向的彈性地基梁，采用文科爾地基模型研究樁在水平作用下的撓度曲線，通過撓曲線微分方程的解答，給出了FRP復(fù)合樁的截面承載力計算應(yīng)力模型。徐岱[5]通過模型試驗，得出了圓形截面GFRP筋混凝土受彎構(gòu)件的正截面承載力計算方法，并且通過室內(nèi)試驗和有限元分析對GFRP筋的受力性能及GFRP筋混凝土構(gòu)件的受彎性能進(jìn)行了研究。舒光波[6]對FRP管樁在雙向水平循環(huán)作用下與土的相互作用進(jìn)行了研究，以模型試驗為主要手段，對水平循環(huán)荷載作用下加載頻率、循環(huán)次數(shù)、基樁埋深、加載方式對FRP基樁的樁土相互作用影響進(jìn)行了試驗研究，得出FRP基樁在水平循環(huán)荷載作用下表現(xiàn)出的樁土相互作用和常規(guī)樁的規(guī)律基本一致。此外，很多學(xué)者也對FRP復(fù)合樁進(jìn)行了一定的研究[7-12]。

通過室內(nèi)試驗研究了普通鋼筋混凝土樁與GFRP復(fù)合樁的水平承載特性，對相同條件下兩種試驗樁的樁頂水平位移和樁身彎矩進(jìn)行了探討，研究結(jié)果對GFRP材料的進(jìn)一步應(yīng)用提供一定參考。

1 室內(nèi)試驗

1.1 試驗設(shè)備

1)試驗槽與加載系統(tǒng) 試驗在河南大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室內(nèi)進(jìn)行，試驗槽由4塊厚度6 mm的鋼板以及4根角鋼通過螺栓拼接而成，尺寸大小為4 m×2 m×2 m，能夠滿足試驗要求。水平加載通過鋼繩利用滑輪裝置引導(dǎo)，將樁頭與吊籃連接，利用砝碼逐級施加水平荷載，達(dá)到規(guī)范要求時停止加載。

2)試驗樁 試驗樁采用鋼筋混凝土預(yù)制樁、GFRP布加固的鋼筋混凝土預(yù)制樁(以下簡稱復(fù)合樁)。采用內(nèi)徑70 mm，長1 500 mm的PVC管作為試驗樁模具澆筑。鋼筋籠采用4根直徑6 mm的鋼筋綁扎，箍筋采用直徑2 mm的鐵絲代替，樁身的混凝土采用細(xì)粒石作為骨料，標(biāo)號325普通礦渣硅酸鹽水泥和中粗砂，質(zhì)量配合比為水泥∶水∶砂子∶石子=1∶0.48∶1.68∶3.44，抗壓強度為C20。用某公司產(chǎn)E44型環(huán)氧樹脂和T31固化劑將養(yǎng)護(hù)后的普通樁按照規(guī)范要求[13]，用GFRP布對混凝土樁進(jìn)行纏繞包裹，其中,纖維方向沿著樁身縱向粘貼。

表1 GFRP布物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of GFRP fabric

3)試驗樁的埋置 試驗土采用某基坑開挖土，土質(zhì)為粉質(zhì)砂土。采用分層填筑法將試驗樁埋置入試驗槽內(nèi)，最終填土體積為2 m×2 m×2 m。試驗樁直徑φ70 mm，約為試驗槽內(nèi)土體的高度及寬度的1/28，尺寸比例合適，可忽略邊界條件對試驗的影響。

表2 土的物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of soil

圖2 RC樁與GFRP樁的布置Fig.2 The plan of RC pile and GFRP

4)試驗元件 沿著水平荷載加載方向在樁身的前后黏貼應(yīng)變片，每隔15 cm布置應(yīng)變片，用以測量樁身彎矩。在埋置樁的時候樁頭露出泥土表層10 cm，在樁頂和泥面處各放置一個百分表，用以測量樁頂位移。

圖3 包裹GFRP布及應(yīng)變片的布置Fig.3 Wrap GFRP fabric and the position of strain

5)彈性模量的測試 在實驗室利用反力架對兩根樁進(jìn)行了測試，通過對樁身施加已知的集中荷載，得到樁身各界面處的彎矩大小，然后,通過應(yīng)變采集系統(tǒng)收集樁身界面處的應(yīng)變，最后根據(jù)強度理論得出樁身的彈性模量E。

圖4 彈性模量的測量Fig.4 Measurement of the elastic

6)彈性模量的計算 在樁中點處施加集中力，并收集各樁身截面處的應(yīng)變大小，經(jīng)過計算求取平均值得出RC樁的彈性模量E= 2.55×104MPa、GFRP復(fù)合樁的彈性模量E=2.99×104MPa。GFRP復(fù)合樁的彈性模量相比RC樁的彈性模量增大了0.44×104MPa，是RC樁的1.17倍。兩根樁的截面直徑差值很小，但GFRP樁的抗彎剛度更大，GFRP布和環(huán)氧樹脂膠層，貢獻(xiàn)了一定的承載力。

1.2 試驗結(jié)果

1)樁頂位移 由圖5可以看出隨著荷載的增大，水平位移逐漸增大，兩種樁的水平位移差值也逐漸增大。當(dāng)水平荷載達(dá)到2 kN時RC樁的水平位移為10.03 mm，GFRP復(fù)合樁的水平位移為7.81 mm；試驗結(jié)果表明GFRP復(fù)合樁相對于RC樁，2 kN水平荷載作用下樁頂位移減少了22.13%，是RC樁樁頂水平位移的0.78倍。

圖5 水平荷載位移曲線Fig. 5 Load-horizontal displacement

2)樁身彎矩 兩種樁的樁身彎矩在各級水平荷載作用下隨著埋深變化曲線如圖6、圖7所示，可以得出以下結(jié)論：兩樁的樁身彎矩隨著埋深的增加逐漸增大，在埋深達(dá)到0.5 m(約1/3最大埋深)左右時彎矩達(dá)到最大，然后逐漸減小。需要指出的是，RC樁在埋深達(dá)到0.9～1.1 m(約2/3最大埋深)左右時出現(xiàn)彎矩零點，并且下部樁身所受彎矩不大；GFRP復(fù)合樁的樁身彎矩零點位置明顯靠下，GFRP復(fù)合樁的樁身彎矩傳遞更為有效。

圖6 RC樁樁身彎矩Fig. 6 The moment distribution of RC

圖7 GFRP樁樁身彎矩Fig.7 The moment distribution of GFRP

與RC樁相比，GFRP復(fù)合樁在截面沒有改變的情況下，僅利用環(huán)氧樹脂膠將GFRP單向布與RC樁粘結(jié)在一起，水平承載能力有明顯的提高。主要原因是GFRP布的抗拉強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于混凝土的抗拉強度，GFRP復(fù)合樁的抗彎剛度大于RC樁；在樁受到水平荷載作用時，GFRP布能夠分擔(dān)一部分受拉區(qū)混凝土所受到的作用力。因此，相對于RC樁，GFRP復(fù)合樁的水平承載能力有明顯的提高。

2 三維有限元分析

有限元軟件ABAQUS在處理非線性問題上有獨特的優(yōu)勢，張建偉等[16]、黃艷等[17]利用ABAQUS與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，數(shù)值分析均能較好的符合試驗結(jié)果。

2.1 有限元模型

表3 混凝土損傷塑性參數(shù)Table 3 Parameters of concrete plastic damage

圖8 有限元模型

3 試驗結(jié)果

3.1 水平位移

圖9 水平荷載位移曲線Fig.9 Horizontal load-displacement

3.2 彎矩對比

兩種樁的樁身彎矩在2 kN水平荷載作用下隨埋深變化的曲線如圖10所示。

圖10 2 kN水平荷載下樁身彎矩Fig.10 The moment distribution at 2 kN horizontal

1)RC樁和GFRP復(fù)合樁的試驗曲線與數(shù)值模擬得到的樁身彎矩曲線擬合較好。考慮到試驗樁本身不可避免的缺陷，應(yīng)變片與混凝土的粘結(jié)強度不如GFRP材料等外部因素，總體上GFRP樁的樁身彎矩實測值與數(shù)值模擬的曲線圖擬合更好。

2)數(shù)值模擬結(jié)果表明兩樁身最大彎矩發(fā)生在埋深0.35 m(約1/4最大埋深)處，兩樁的樁身彎矩曲線變化趨勢基本相同。2 kN水平荷載下GFRP復(fù)合樁的樁身最大彎矩約是RC樁的0.85倍。GFRP樁的樁身彎矩明顯小于RC樁，這是由于在粘結(jié)牢固的情況下GFRP布在樁身發(fā)生變形時發(fā)揮出其優(yōu)秀的抗拉能力，承受了一部分的彎矩，在不改變樁身截面大小的情況下，GFRP復(fù)合樁的彎矩減小，降低樁身的變形。

4 結(jié)論

GFRP復(fù)合樁是利用GFRP布與普通RC樁相結(jié)合的一種組合樁，為了探究其水平承載特性，通過室內(nèi)試驗與數(shù)值模擬將其與截面面積相同的圓型普通RC樁進(jìn)行了對比，主要結(jié)論如下：

1)室內(nèi)試驗結(jié)果表明，在GFRP布的約束作用下，GFRP復(fù)合樁的彈性模量是RC樁的1.17倍，2 kN水平荷載作用下，GFRP復(fù)合樁的水平位移是RC樁的0.78倍，樁身最大彎矩為RC樁的0.90倍。利用GFRP布對樁進(jìn)行約束后，GFRP復(fù)合樁能夠有效的發(fā)揮GFRP材料的物理特性，減少水平荷載作用下混凝土樁的變形與開裂，試驗樁的水平承載能力得到明顯的提升。

2)數(shù)值模擬的結(jié)果與室內(nèi)試驗有些許差別，2 kN水平荷載作用下，GFRP復(fù)合樁的水平位移是RC樁的0.77倍，樁身最大彎矩是RC樁的0.85，數(shù)值模擬結(jié)果同樣能夠體現(xiàn)出GFRP復(fù)合樁優(yōu)秀的水平承載特性。ABAQUS軟件建模過程中部件的大小屬于無量綱，模型結(jié)果不僅能夠反應(yīng)室內(nèi)試驗的結(jié)果，同樣能夠體現(xiàn)出在實際工程中相同長細(xì)比下GFRP復(fù)合樁的水平承載能力，能夠計算不同樁在各種條件下的變形狀況。

通過室內(nèi)試驗研究了GFRP復(fù)合樁的水平承載特性，并采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行驗證，說明GFRP復(fù)合樁在實際工程中運用的可行性。雖然，GFRP復(fù)合樁相對于RC樁的造價較高，但實際工程中GFRP復(fù)合樁可以通過縮減直徑在一定程度上減少混凝土的用量，并且在一些特殊的腐蝕環(huán)境和海洋工程中，GFRP復(fù)合樁更能發(fā)揮其優(yōu)良的防腐性和耐久性，具有一定的實用價值。