GFRP靜壓樁擠土效應模型試驗研究

楊果林，魏賽賽，關耀,余文華

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

GFRP靜壓樁擠土效應模型試驗研究

楊果林1?，魏賽賽1，關耀2,余文華2

(1.中南大學 土木工程學院,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-土相互作用機理及壓樁動態力學效應，開展GFRP靜壓樁模型試驗研究，對表土隆起量和徑向擠土壓力進行分析.分析表明：表土隆起量在徑向距離在1.8D(樁徑)處達到峰值.此峰值隨沉樁深度的增加而減小，數值最終大致穩定在0.05D；徑向擠土壓力隨沉樁深度的增加而先增大后減小，當沉樁深度大致等于測點深度時，測點處徑向擠土壓力達到峰值；峰值徑向擠土壓力Pm隨著徑向距離的增大不斷衰減.當徑向距離達到3D時，Pm衰減至峰值徑向擠土壓力的最大值Pmm的30%以下；Pmm出現在樁身中下部，數值大致與樁徑成正比.

模型試驗；擠土效應；玻璃纖維增強復合材料樁；表土隆起量；徑向擠土壓力

纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer，FRP)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合材料，當所用加強纖維為玻璃纖維時便稱作玻璃纖維增強復合材料(glass fiber reinforced polymer，GFRP)，具有輕質高強、耐腐蝕、耐疲勞的特點[1].在工程結構中使用GFRP材料可以很大程度減少傳統材料由于腐蝕等造成各種破壞和損失，具有廣闊的應用前景和經濟效益[2-6].

美國在20世紀80年代就開始使用GFRP樁，但大部分是用于海岸防護樁，輕型結構樁基和試驗樁[7].由于缺乏足夠的研究、現場工程實例和設計施工規范，GFRP樁還沒有在工程上被廣泛地應用[8].國外學者對GFRP樁的性能進行了一些研究.如：Giraldo等[9]利用模型試驗研究了FRP管樁在原狀粘性土中的豎向和橫向承載力性能，并與鋼管樁進行了對比，試驗結果表明FRP樁可以作為承重樁使用；Guades等[10]利用試驗研究了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測FRP樁在沖擊荷載下FRP材料的損傷，對FRP樁沉樁具有指導作用；Iskander等[11]應用數值模擬分析了FRP樁的沉樁性能，結果表明材料本身的比重和模量是影響沉樁性能的關鍵因素.

GFRP樁屬于擠土樁，擠土樁在沉樁過程中，尤其是在軟土地區會產生明顯的擠土效應，對工程造成不良影響[12].但目前關于GFRP靜壓樁擠土效應的試驗研究較少.羅戰友等[13]、趙明華等[14]和雷華陽等[15]通過數值模擬發現樁-土界面摩擦參數是影響靜壓樁擠土效應的重要因素；Giraldo等[16]通過直剪試驗發現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%,所以有理由認為GFRP樁的擠土效應與混凝土樁和鋼管樁有著不同的發展規律.因此，本文通過模型試驗對GFRP樁的擠土效應進行研究，以求為GFRP樁作為承重樁的設計起指導作用.

1 試驗方案設計

1.1 試驗模型箱

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

1.2 模型樁

Ashford等[17]通過現場試驗發現FRP樁相對較低的動剛度限制了沉樁深度，由此本試驗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 試驗土樣

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

表1模型用土的物理力學參數

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內摩擦角φ/(°)221.770.53612710.76.1

為防止產生界面效應，在上層土體鋪設前，把下層擊實面刮毛.填筑過程中將土壓力盒按照試驗方案埋設在相應位置,導線歸至一處并從模型箱內側壁引出.模型箱中土樣在進行單根樁的壓樁試驗后,需清理干凈,再次填土后方可進行下一個模型樁的沉樁試驗.

1.4 監測點布設

試驗擬量測2類數據：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.測量儀器參數見表2，具體布置見圖1.

表2 測量儀表參數

2 試驗結果分析

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律，在以樁外壁為起點，徑向距離分別為5,10,15,25和35 cm處架設百分表進行量測.具體布置見圖1.

圖1 模型箱Fig.1 Model box

為研究擠土效應的一般規律，分析數據前，對沉樁深度、徑向距離和表土隆起量按照樁徑進行歸一化處理.為描述沉樁動態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為各個樁徑的GFRP樁沉樁到不同深度時，表層土體的隆起量.

由圖2可知，經歸一化處理后，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)時達到峰值.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，所以無法看到其數據呈單峰分布，但是可以看到數據的衰減段.因此，有理由把75 mm模型樁和92 mm模型樁的表土隆起規律當作一般模式進行分析.

(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

觀察發現，表土隆起量的發展趨勢類似于數理統計中的F分布.F分布函數在統計學中代表隨機變量的分布規律.拋開其數學意義不談，它的函數圖像與表土隆起量的分布相似.因此可以把F分布函數作為一種擬合函數，對表土隆起量進行擬合，通過對擬合系數的分析，發現表土隆起量的某些固定規律.

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

S=A·F[B·(x-C)]

式中：S為表土隆起量；A為縱坐標伸縮系數；F(x)為F(10，10)的概率密度函數；B為橫坐標伸縮系數；x為經樁徑歸一化后的徑向距離，即徑向距離/樁徑；C為橫坐標平移量.擬合結果為：A=15.5/λ+5，B=0.57，C=0.52.為了檢驗此擬合結果的一般性，用此結果預測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 預測值與實測值對比圖Fig.3 Comparison between predicted and measured values

擬合系數B和C為固定值，說明GFRP樁的擠土效應有著固定的發展規律.其中B決定著表土隆起量的徑向分布規律，B和C共同決定了表土隆起量峰值出現的位置.從擬合數據中可以看出，3根試驗樁的表土隆起量峰值均出現在徑向距離為1.8D處，且徑向距離為4D時表土隆起量已衰減至峰值的30%.因此為防止沉樁時造成群樁中的臨近樁被拉斷，應設置樁心距不小于4倍樁徑.

擬合系數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間上的發展規律.從擬合系數A中可以看出：沉樁速度的合理設置可以在一定程度上控制表土隆起量的發展，但沉樁速度與表土隆起量的發展并非簡單的線性關系.

表3為各文獻中表土隆起量的分布規律.各文獻中的表土隆起量均有著相似的分布規律，僅在峰值大小和出現位置上有所差異.對比可以發現：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位置較混凝土樁近，這可能是由樁-土界面摩擦參數的不同造成的.

表3 表土隆起量分布規律

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律，在徑向距離分別為10 cm,20 cm和30 cm處埋設土壓力盒，共埋設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中的有序數對代表測點位置，其中第1個數字代表徑向距離，第2個數字代表豎向埋深.樁徑75 mm和92 mm模型樁的測量數據有著相似的規律，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，當沉樁深度大致等于測點埋深時，此測點處的徑向擠土壓力達到峰值.

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

根據各測點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在樁身中下部出現最大值(記為Pmm)；當徑向距離達到3D時，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.

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與樁徑的關系圖Fig.6 Relationship between Pmm and diameter of pile

3 結 論

通過模型試驗，研究GFRP靜壓樁的擠土效應，分析表土隆起量和徑向擠土應力，得出以下結論：

1)表土隆起量隨著徑向距離的增加先增大后減小，峰值出現在徑向距離1.8D處，此峰值隨著沉樁深度的增加而減小，數值最終穩定在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，當樁端下沉至測點附近時，此處徑向擠土壓力達到峰值Pm.

3)隨著徑向距離的增大，峰值徑向擠土壓力不斷衰減.當徑向距離達到3D時，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出現在樁身中下部，數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

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

楊果林(1963-)，男，湖南桃江人，中南大學教授,博士生導師

，E-mail: yangguolin6301@163.com