鹽漬土環(huán)境下GFRP復(fù)合樁水平承載性能變化

張建偉， 丁 樂(lè)， 樊亞龍， 邊漢亮

(河南大學(xué) a.土木建筑學(xué)院；b.河南省軌道交通智能建造工程技術(shù)中心，河南 開(kāi)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(huì)對(duì)混凝土構(gòu)筑物造成腐蝕或者破壞，影響混凝土構(gòu)筑物的力學(xué)性能和耐久性，從而導(dǎo)致工程事故的發(fā)生?；炷翗妒艿禁}漬土的長(zhǎng)期腐蝕后，混凝土材料和鋼筋的性能損失和退化會(huì)使其水平承載力下降。GFRP材料具有耐腐性的優(yōu)點(diǎn)， GFRP復(fù)合樁可以提高樁基礎(chǔ)的耐腐蝕性和水平承載力，所以研究GFRP復(fù)合樁在鹽漬土環(huán)境侵蝕下的水平承載力很有必要。

針對(duì)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(jié)了中外研究鹽漬土腐蝕建筑物的理論研究現(xiàn)狀；王成等[3-5]通過(guò)開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)和實(shí)地調(diào)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(jī)理和防治措施。對(duì)于FRP水平樁的承載性能，國(guó)內(nèi)外也做了許多研究。Weaver等[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(lèi)型對(duì)FRP樁水平承載力的影響。Mirmiran等[8-9]對(duì)比了水平荷載下FRP樁與預(yù)應(yīng)力樁的承載性能，發(fā)現(xiàn)兩者比較相似。周康等[10]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了CBF管樁、PHC管樁以及PRC管樁的水平承載性能，試驗(yàn)結(jié)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(fù)合樁在雙向水平循環(huán)荷載作用下樁-土之間的相互作用。對(duì)于本文利用的通電加速法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了總結(jié)和改進(jìn)。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(guò)破損試驗(yàn)得到鋼筋銹蝕率與通電時(shí)間、鋼筋電位之間的關(guān)系；宋旭艷等[17]通過(guò)通電加速對(duì)鋼筋進(jìn)行破鈍，結(jié)果表明：氯離子濃度越高，鋼筋的腐蝕行為越嚴(yán)重；馮瓊等[18]改進(jìn)了傳統(tǒng)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(zhì)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(jù),解決鹽漬土地區(qū)的樁基耐久性的問(wèn)題。同時(shí)本文的研究也為今后在鹽漬土地區(qū)的工程建設(shè)積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

1 模型試驗(yàn)

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(yàn)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(yīng)的影響。

圖1 模型圓筒

試驗(yàn)采用人工配制的氯系鹽漬土，含鹽量為10%，由開(kāi)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(nèi)，每層分別取樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，其物理力學(xué)性質(zhì)：土粒重度γ=17 kN/m3，壓縮模量Es=12.5 MPa，內(nèi)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(yàn)樁

本試驗(yàn)制作了8根試驗(yàn)樁，其中4根為RC樁(普通鋼筋混凝土樁)，另4根為GFRP復(fù)合樁，具體工況如表1所示。GFRP復(fù)合樁的制法為：待模型樁養(yǎng)護(hù)28 d后，按照要求在樁身表面黏貼1層GFRP布。樁長(zhǎng)1.2 m，樁身截面為70 mm×70 mm。編號(hào)為Ra、Rb、Rc、Rd、Ga、Gb、Gc、Gd。其中Rc、Rd、Gc、Gd 4根試驗(yàn)樁在澆筑時(shí)，將導(dǎo)線和樁內(nèi)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(duì)粗骨料進(jìn)行集配篩選，最大粒徑為30 mm，水泥采用標(biāo)號(hào)為42.5的普通硅酸鹽水泥，實(shí)測(cè)養(yǎng)護(hù)28 d后立方體試塊抗壓強(qiáng)度為42.8 MPa。待試驗(yàn)樁養(yǎng)護(hù)28 d后，在樁身外側(cè)粘貼應(yīng)變片，沿加載方向每隔0.15 m設(shè)置應(yīng)變片，粘貼應(yīng)變片后的試驗(yàn)樁如圖2所示。

表1 試驗(yàn)工況

圖2 試驗(yàn)樁應(yīng)變片位置

1.3 通電腐蝕裝置

由于鹽漬土對(duì)樁基的侵蝕作用是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程，所以試驗(yàn)采用通電加速的方法來(lái)加快試驗(yàn)速率。通電腐蝕裝置主要由恒定電源、電極、介質(zhì)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(nèi)鋼筋作為陽(yáng)極，碳棒作為陰極，鹽漬土作為通電介質(zhì)。通過(guò)補(bǔ)充同濃度的鹽水保持鹽漬土中含水率，電流大小為20 mA。對(duì)Rc、Rd 、Gc、Gd4根試驗(yàn)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(duì)模型樁分級(jí)施加水平荷載，通過(guò)DY230-K1T2型壓力傳感器(最小量程為0.1 kg)控制每級(jí)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(jí)，每級(jí)荷載為0.2 kN。每級(jí)荷載施加之后，每隔5 min讀取。如果百分表的讀數(shù)變化小于0.01 mm，視為模型樁已經(jīng)穩(wěn)定[19]。

1.5 抗彎剛度試驗(yàn)

樁基的抗彎剛度會(huì)影響樁基的水平承載性能，所以測(cè)定試驗(yàn)樁經(jīng)過(guò)鹽漬土腐蝕后的抗彎剛度變化很有必要。試驗(yàn)在ZT-FY30反力架上進(jìn)行，采用兩點(diǎn)加荷方式，對(duì)模型樁分級(jí)施加荷載，每級(jí)荷載為0.5 kN，如圖5所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗彎剛度

從圖6可知，隨著通電腐蝕時(shí)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(nèi)部鋼筋的腐蝕和混凝土表面的劣化所導(dǎo)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(jiàn)，鋼筋混凝土樁在鹽漬土的長(zhǎng)期侵蝕下，抗彎剛度會(huì)有較大的下降。在未腐蝕之前，GFRP復(fù)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(fù)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(shí)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(shí)兩種樁型的位移和彎矩變化趨勢(shì)比較接近。GFRP復(fù)合樁在相同水平荷載作用下的水平位移相對(duì)較小,具有更強(qiáng)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(shí)間的增加，兩種樁型的水平承載力都有降低。GFRP復(fù)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(dāng)所受的水平承載力為1.6 kN時(shí)，鋼筋混凝土樁的水平位移為6.65 mm，GFRP復(fù)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(fù)合樁大34%；鋼筋混凝土樁經(jīng)過(guò)30 d的通電腐蝕后，當(dāng)所受的水平承載力為1.6 kN時(shí)，鋼筋混凝土樁的水平位移為13.28 mm，GFRP復(fù)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(fù)合樁大38.9%；鋼筋混凝土樁經(jīng)過(guò)60 d的通電腐蝕后，當(dāng)所受的水平承載力為1.6 kN時(shí)，鋼筋混凝土樁的水平位移為21.46 mm，GFRP復(fù)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(fù)合樁大67.9%。當(dāng)水平承載力為1.6 kN時(shí)，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(fù)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(guò)樁身兩側(cè)粘貼的應(yīng)變片，利用CM-2B靜態(tài)應(yīng)變采集儀收集到樁頂受到水平荷載作用時(shí)樁身的應(yīng)變，通過(guò)計(jì)算求得樁身彎矩分布。

圖9為不同通電腐蝕時(shí)間后，鋼筋混凝土樁和GFRP復(fù)合樁在樁頂受到1.6 kN水平荷載作用時(shí)的樁身彎矩分布。彎矩的分布規(guī)律是樁頂和樁底的彎矩較小，樁中部分較大，總的趨勢(shì)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(dāng)樁頂受到大小為1.6 kN的水平荷載時(shí)，鋼筋混凝土樁的最大彎矩為123.62 N·m，GFRP復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合樁則增大了51.1%。

(a) 非鹽漬土

由以上數(shù)據(jù)可得，在受到長(zhǎng)期的鹽漬土侵蝕后，鋼筋混凝土樁和GFRP復(fù)合樁的承載性能都出現(xiàn)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(fù)合樁的耐久性更好，承載性能更強(qiáng)。這是因?yàn)殡S著通電時(shí)間的增加，兩種樁型內(nèi)部鋼筋的銹蝕率不斷增大，導(dǎo)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(guò)程中氯離子的交換速率，所以GFRP樁內(nèi)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(kāi)裂，這也在一定程度上減小了承載力降低的幅度。

3 結(jié) 論

根據(jù)通電腐蝕時(shí)間和土質(zhì)條件的不同，分析了鋼筋混凝土樁和GFRP復(fù)合樁的承載性能的具體表現(xiàn)及變化，得到以下結(jié)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(fù)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(fù)合樁的抗彎剛度在腐蝕后下降相對(duì)較小。這主要是樁基內(nèi)部的鋼筋的腐蝕和混凝土表面的劣化所導(dǎo)致的。

(2) 鋼筋混凝土樁和GFRP復(fù)合樁的承載特性都出現(xiàn)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(shí)，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(fù)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(fù)合樁則增大了51.1%。原因是GFRP布可以延緩氯離子侵蝕內(nèi)部鋼筋的速率，還會(huì)約束混凝土，減少了表面的開(kāi)裂和變形。

(3) 在水平荷載為1.6 kN時(shí)，鋼筋混凝土樁的水平位移和彎矩均大于GFRP復(fù)合樁，且隨著通電腐蝕的時(shí)間的增加，增大的幅度在總趨勢(shì)上是越來(lái)越大的。GFRP復(fù)合樁在腐蝕前后的承載性能與耐久性要優(yōu)于鋼筋混凝土樁。因此GFRP復(fù)合樁可以提高樁基礎(chǔ)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(yīng)對(duì)鹽漬土環(huán)境的侵蝕和破壞作用。