鹽漬土環境下GFRP復合樁水平承載性能變化

張建偉， 丁 樂， 樊亞龍， 邊漢亮

(河南大學 a.土木建筑學院；b.河南省軌道交通智能建造工程技術中心，河南 開封 475004)

0 引 言

鹽漬土是指含鹽量較高且具有腐蝕性、鹽脹性、溶陷性等工程特性的特殊土。鹽漬土中所含離子會對混凝土構筑物造成腐蝕或者破壞，影響混凝土構筑物的力學性能和耐久性，從而導致工程事故的發生。混凝土樁受到鹽漬土的長期腐蝕后，混凝土材料和鋼筋的性能損失和退化會使其水平承載力下降。GFRP材料具有耐腐性的優點， GFRP復合樁可以提高樁基礎的耐腐蝕性和水平承載力，所以研究GFRP復合樁在鹽漬土環境侵蝕下的水平承載力很有必要。

針對鹽漬土條件下混凝土的腐蝕情況，前人做了許多工作。王瓏霖等[1-2]總結了中外研究鹽漬土腐蝕建筑物的理論研究現狀；王成等[3-5]通過開展相關試驗和實地調研，研究了鹽漬土條件下混凝土的耐久性，提出了鹽漬土腐蝕混凝土的機理和防治措施。對于FRP水平樁的承載性能，國內外也做了許多研究。Weaver等[6]通過現場試驗研究了在水平荷載作用下GFRP管樁承載性能。Murugan等[7]研究了FRP材料類型對FRP樁水平承載力的影響。Mirmiran等[8-9]對比了水平荷載下FRP樁與預應力樁的承載性能，發現兩者比較相似。周康等[10]通過試驗對比了CBF管樁、PHC管樁以及PRC管樁的水平承載性能，試驗結果表明：CBF管樁的極限位移和極限承載力要大于PHC管樁和PRC管樁。舒光波[11]研究了砂土中FRP復合樁在雙向水平循環荷載作用下樁-土之間的相互作用。對于本文利用的通電加速法，國內外學者進行了總結和改進。常用的通電加速的方法有浸泡法、半浸泡法、貼面法[12-15]。李冰等[16]通過破損試驗得到鋼筋銹蝕率與通電時間、鋼筋電位之間的關系；宋旭艷等[17]通過通電加速對鋼筋進行破鈍，結果表明：氯離子濃度越高，鋼筋的腐蝕行為越嚴重；馮瓊等[18]改進了傳統通電加速腐蝕的方法，提出在砂土中噴灑鹽溶液作為電解質的方法，這種方法的電流效率較高。

本文的研究意義在為GFRP樁加固處理鹽漬土地基提供理論依據,解決鹽漬土地區的樁基耐久性的問題。同時本文的研究也為今后在鹽漬土地區的工程建設積累相關經驗。

1 模型試驗

1.1 模型圓筒與人工鹽漬土的配制

模型圓筒的底面直徑為1.5 m，高為1.8 m，如圖1所示。試驗樁樁身截面寬度d為70 mm。樁基與模型筒筒壁的距離大于10d，可忽略邊界效應的影響。

圖1 模型圓筒

試驗采用人工配制的氯系鹽漬土，含鹽量為10%，由開封本地粉砂土配制而成。采用分層填筑法將鹽漬土填入模型筒內，每層分別取樣進行室內土工試驗，其物理力學性質：土粒重度γ=17 kN/m3，壓縮模量Es=12.5 MPa，內摩擦角φ=35°，黏聚力c=9.5 kPa，含水率w=14.7%，孔隙率e=0.83。

1.2 試驗樁

本試驗制作了8根試驗樁，其中4根為RC樁(普通鋼筋混凝土樁)，另4根為GFRP復合樁，具體工況如表1所示。GFRP復合樁的制法為：待模型樁養護28 d后，按照要求在樁身表面黏貼1層GFRP布。樁長1.2 m，樁身截面為70 mm×70 mm。編號為Ra、Rb、Rc、Rd、Ga、Gb、Gc、Gd。其中Rc、Rd、Gc、Gd 4根試驗樁在澆筑時，將導線和樁內鋼筋籠連接。樁身材料采用C40混凝土，配合比為1∶0.45∶1.40∶2.8，對粗骨料進行集配篩選，最大粒徑為30 mm，水泥采用標號為42.5的普通硅酸鹽水泥，實測養護28 d后立方體試塊抗壓強度為42.8 MPa。待試驗樁養護28 d后，在樁身外側粘貼應變片，沿加載方向每隔0.15 m設置應變片，粘貼應變片后的試驗樁如圖2所示。

表1 試驗工況

圖2 試驗樁應變片位置

1.3 通電腐蝕裝置

由于鹽漬土對樁基的侵蝕作用是一個非常漫長的過程，所以試驗采用通電加速的方法來加快試驗速率。通電腐蝕裝置主要由恒定電源、電極、介質和采集裝置組成，如圖3所示。用恒定電流儀作為恒定電源，樁內鋼筋作為陽極，碳棒作為陰極，鹽漬土作為通電介質。通過補充同濃度的鹽水保持鹽漬土中含水率，電流大小為20 mA。對Rc、Rd 、Gc、Gd4根試驗樁分別通電30、60、30、60 d。

圖3 通電腐蝕裝置示意圖

1.4 加載裝置

本文利用液壓千斤頂對模型樁分級施加水平荷載，通過DY230-K1T2型壓力傳感器(最小量程為0.1 kg)控制每級施加的水平荷載，加載裝置如圖4所示。將水平荷載分為15級，每級荷載為0.2 kN。每級荷載施加之后，每隔5 min讀取。如果百分表的讀數變化小于0.01 mm，視為模型樁已經穩定[19]。

1.5 抗彎剛度試驗

樁基的抗彎剛度會影響樁基的水平承載性能，所以測定試驗樁經過鹽漬土腐蝕后的抗彎剛度變化很有必要。試驗在ZT-FY30反力架上進行，采用兩點加荷方式，對模型樁分級施加荷載，每級荷載為0.5 kN，如圖5所示。

2 試驗結果及分析

2.1 抗彎剛度

從圖6可知，隨著通電腐蝕時間的增加，兩種樁基的抗彎剛度都逐漸降低。這主要是樁基內部鋼筋的腐蝕和混凝土表面的劣化所導致。未腐蝕之前，鋼筋混凝土樁的抗彎剛度是84.56 kN·m2，腐蝕60 d后，抗彎剛度下降到60.23 kN·m2，樁身的抗彎剛度下降了28.77%。由此可見，鋼筋混凝土樁在鹽漬土的長期侵蝕下，抗彎剛度會有較大的下降。在未腐蝕之前，GFRP復合樁剛度是105.65 kN·m2，腐蝕60 d后，抗彎剛度下降到86.27 kN·m2，樁身的抗彎剛度下降了18.34%，相較于RC鋼筋混凝土樁。GFRP復合樁的抗彎剛度在未腐蝕前更高，并且降低的幅度也更小。

圖6 兩種樁型抗彎剛度隨通電腐蝕時間的變化

2.2 水平荷載-位移曲線

由圖7可得，在非鹽漬土條件下，未腐蝕時兩種樁型的位移和彎矩變化趨勢比較接近。GFRP復合樁在相同水平荷載作用下的水平位移相對較小,具有更強的承載力。

圖7 非鹽漬土中水平荷載-位移曲線

由圖8可知，隨著通電腐蝕時間的增加，兩種樁型的水平承載力都有降低。GFRP復合樁的承載力下降的幅度比鋼筋混凝土樁低。鋼筋混凝土樁埋入鹽漬土后，當所受的水平承載力為1.6 kN時，鋼筋混凝土樁的水平位移為6.65 mm，GFRP復合樁的水平位移為4.96 mm，鋼筋混凝土樁的樁頂位移比GFRP復合樁大34%；鋼筋混凝土樁經過30 d的通電腐蝕后，當所受的水平承載力為1.6 kN時，鋼筋混凝土樁的水平位移為13.28 mm，GFRP復合樁的水平位移為9.56 mm，鋼筋混凝土樁的樁頂位移比GFRP復合樁大38.9%；鋼筋混凝土樁經過60 d的通電腐蝕后，當所受的水平承載力為1.6 kN時，鋼筋混凝土樁的水平位移為21.46 mm，GFRP復合樁的水平位移為12.78 mm，鋼筋混凝土樁的樁頂位移比GFRP復合樁大67.9%。當水平承載力為1.6 kN時，腐蝕60 d后相比腐蝕0 d后的位移，鋼筋混凝土樁增大了3.22倍，GFRP復合樁增大了2.57倍。

圖8 鹽漬土中腐蝕后兩種樁型的水平荷載-位移曲線

2.3 樁身彎矩曲線

通過樁身兩側粘貼的應變片，利用CM-2B靜態應變采集儀收集到樁頂受到水平荷載作用時樁身的應變，通過計算求得樁身彎矩分布。

圖9為不同通電腐蝕時間后，鋼筋混凝土樁和GFRP復合樁在樁頂受到1.6 kN水平荷載作用時的樁身彎矩分布。彎矩的分布規律是樁頂和樁底的彎矩較小，樁中部分較大，總的趨勢是先變大后變小，最大彎矩處在距離樁頂0.45 m處。在非鹽漬土條件下，當樁頂受到大小為1.6 kN的水平荷載時，鋼筋混凝土樁的最大彎矩為123.62 N·m，GFRP復合樁的最大彎矩為100.39 N·m。樁基埋入鹽漬土后，鋼筋混凝土樁的最大彎矩為129.6 N·m，GFRP復合樁的最大彎矩為96.2 N·m。鋼筋混凝土樁的最大彎矩比GFRP復合樁大34%；通電腐蝕30 d后，鋼筋混凝土樁的最大彎矩為170.4 N·m，GFRP復合樁的最大彎矩為128.3 N·m，鋼筋混凝土樁的最大彎矩比GFRP復合樁大32%；通電腐蝕60d后，鋼筋混凝土樁的最大彎矩為232.5 N·m，GFRP復合樁的最大彎矩為145.39 N·m，鋼筋混凝土樁的最大彎矩比GFRP復合樁大59%。腐蝕60 d后的最大彎矩相比腐蝕0 d后的最大彎矩，鋼筋混凝土樁的彎矩增大了79.3%，GFRP復合樁則增大了51.1%。

(a) 非鹽漬土

由以上數據可得，在受到長期的鹽漬土侵蝕后，鋼筋混凝土樁和GFRP復合樁的承載性能都出現了較明顯的降低，其中鋼筋混凝土樁的下降程度更大，即GFRP復合樁的耐久性更好，承載性能更強。這是因為隨著通電時間的增加，兩種樁型內部鋼筋的銹蝕率不斷增大，導致承載性能的降低。由于GFRP樁表面的GFRP布可以一定程度的降低電加速過程中氯離子的交換速率，所以GFRP樁內部鋼筋銹蝕率更低。另外，GFRP布還可以約束混凝土表面變形和開裂，這也在一定程度上減小了承載力降低的幅度。

3 結 論

根據通電腐蝕時間和土質條件的不同，分析了鋼筋混凝土樁和GFRP復合樁的承載性能的具體表現及變化，得到以下結論：

(1) 鋼筋混凝土樁的抗彎剛度在未腐蝕之前是84.56 kN·m2，在腐蝕60 d后，抗彎剛度下降到60.23 kN·m2，樁身的抗彎剛度下降了28.77%。在未腐蝕之前，GFRP復合樁剛度是105.65 kN·m2，在腐蝕60 d后，抗彎剛度下降到86.27 kN·m2，樁身的抗彎剛度下降了18.34% GFRP復合樁的抗彎剛度在腐蝕后下降相對較小。這主要是樁基內部的鋼筋的腐蝕和混凝土表面的劣化所導致的。

(2) 鋼筋混凝土樁和GFRP復合樁的承載特性都出現了一定程度的退化，鋼筋混凝土樁的退化程度更明顯。在水平荷載為1.6 kN時，相比腐蝕0 d樁的位移，腐蝕60 d后鋼筋混凝土樁的位移增大了3.22倍，GFRP復合樁則增大了2.57倍。相比腐蝕0 d樁的最大彎矩，鋼筋混凝土樁的最大彎矩增大了79.3%，GFRP復合樁則增大了51.1%。原因是GFRP布可以延緩氯離子侵蝕內部鋼筋的速率，還會約束混凝土，減少了表面的開裂和變形。

(3) 在水平荷載為1.6 kN時，鋼筋混凝土樁的水平位移和彎矩均大于GFRP復合樁，且隨著通電腐蝕的時間的增加，增大的幅度在總趨勢上是越來越大的。GFRP復合樁在腐蝕前后的承載性能與耐久性要優于鋼筋混凝土樁。因此GFRP復合樁可以提高樁基礎的耐腐蝕性和承載力，相比普通鋼筋混凝土樁可以更好的應對鹽漬土環境的侵蝕和破壞作用。