玻璃纖維增強復合樁水平承載特性試驗與數值模擬

徐寧 張建偉 李榮翔

摘 要：

玻璃纖維增強復合材料（GFRP）具有輕質、抗拉強度高、耐腐蝕性和抗疲勞等優點，廣泛應用于土木工程領域。GFRP復合樁是一種通過在普通混凝土樁身外包GFRP纖維布以增強其抗彎性能的新型樁。通過開展室內模型試驗，分別得到了水平荷載下RC樁和GFRP復合樁樁頂位移、樁身彎矩的試驗結果，對比分析了兩者的水平承載特性。利用有限元分析軟件ABAQUS對水平荷載作用下的GFRP復合樁進行數值模擬，試驗結果與數值模擬結果擬合較好。結果表明：GFRP復合樁與RC樁的樁身彎矩分布規律基本一致，最大彎矩在1/4～1/3樁長處，GFRP復合樁的水平承載特性優于RC樁；不改變樁身截面，僅在一層GFRP單向布的約束下，GFRP復合樁的彈性模量、極限水平承載力均有一定的提高。

關鍵詞：

玻璃纖維復合材料；承載能力；約束混凝土；GFRP復合樁；數值分析

中圖分類號：TU473.1

文獻標志碼：A 文章編號：16744764（2018）05000907

收稿日期：20171015

基金項目：

國家自然科學基金（51508163、51608071）；河南省科技廳產學研合作項目（132107000025）

作者簡介：

徐寧（1992），男，主要從事樁基工程研究，Email：837879576@qq.com。

張建偉（通信作者），男，副教授，Email：zjw101_0@163.com。

Received：20171015

Foundation item：

National Natural Science Foundation of China（No.51508163，51608071）； IndustryUniversityResearch Collaboration by Science & Technology of Henan Province（No. 132107000025）

Author brief：

Xu Ning （1992）， main research interest： pile foundation engineering， Email：837879576@qq.com.

Zhang Jianwei（corresponding author）， associate professor，Email：zjw101_0@163.com.

Test and numerical study on the bearing capacity of GFRP

composite pile under lateral loadings

Xu Ning， Zhang Jianwei， Li Rongxiang

（School of Civil Engineering and Architecture； Institute of Geotechnical and Rail

Transport Engineering， Henan University， Kaifeng 475004， P.R.China）

Abstract：

Glass Fiber Reinforced Polymer （GFRP） was widely used in civil engineering considering its advantages of lightweight， high tensile strength， corrosion resistance and fatigue resistance， etc. GFRP composite pile is a new type of pile reinforced by GFRP upon RC pile to enhance its bending resistance. The lateral displacement and bending moment of the RC pile and GFRP composite pile were obtained and analyzed via the model test. The lateral bearing capacity of both two pile types were compared and analyzed. The GFRP composite pile under lateral loadings was simulated by the FEA software ABAQUS. The experimental results are in good agreement with the numerical simulation results， both shouing that the bending moment distribution of GFRP composite pile was consistent with the RC pile， and the maximum bending moment occurred nearby the depth of 1/4 to 1/3 pile length. However， the horizontal loadbearing capacity of GFRP composite pile was much greater. The elastic modulus and lateral ultimate capacity of GFRP composite pile covered with a layer of GFRP unidirectional fabric canbe improved to a certain extent.

Keywords：

GFRP； bearing capacity； confined concrete； GFRP composite pile； numerical analysis

傳統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濟投入量。FRP材料有著優異的工程特性，FRP復合樁是將FRP材料與混凝土樁相結合，發揮FRP材料的工程特性。

雖然近年來學者們對FRP材料在樁（柱）方面的研究有一定的發展，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復合樁以用于腐蝕環境和地震帶地區，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空心鋼管樁進行了試驗分析研究，Murugan等[3]對GFRP復合樁在粘質砂土中進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復合樁的截面承載力計算應力模型。徐岱[5]通過模型試驗，得出了圓形截面GFRP筋混凝土受彎構件的正截面承載力計算方法，并且通過室內試驗和有限元分析對GFRP筋的受力性能及GFRP筋混凝土構件的受彎性能進行了研究。舒光波[6]對FRP管樁在雙向水平循環作用下與土的相互作用進行了研究，以模型試驗為主要手段，對水平循環荷載作用下加載頻率、循環次數、基樁埋深、加載方式對FRP基樁的樁土相互作用影響進行了試驗研究，得出FRP基樁在水平循環荷載作用下表現出的樁土相互作用和常規樁的規律基本一致。此外，很多學者也對FRP復合樁進行了一定的研究[712]。

通過室內試驗研究了普通鋼筋混凝土樁與GFRP復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行了探討，研究結果對GFRP材料的進一步應用提供一定參考。

1 室內試驗

1.1 試驗設備

1）試驗槽與加載系統 試驗在河南大學結構實驗室內進行，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，將樁頭與吊籃連接，利用砝碼逐級施加水平荷載，達到規范要求時停止加載。

圖1 試驗槽和數據采集裝置

Fig.1 Test tank and data acquisition device[]

2）試驗樁 試驗樁采用鋼筋混凝土預制樁、GFRP布加固的鋼筋混凝土預制樁（以下簡稱復合樁）。采用內徑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粒石作為骨料，標號325普通礦渣硅酸鹽水泥和中粗砂，質量配合比為水泥∶水∶砂子∶石子=1∶0.48∶1.68∶3.44，抗壓強度為C20。用某公司產E44型環氧樹脂和T31固化劑將養護后的普通樁按照規范要求[13]，用GFRP布對混凝土樁進行纏繞包裹，其中，纖維方向沿著樁身縱向粘貼。

3）試驗樁的埋置 試驗土采用某基坑開挖土，土質為粉質砂土。采用分層填筑法將試驗樁埋置入試驗槽內，最終填土體積為2 m×2 m×2 m。試驗樁直徑70 mm，約為試驗槽內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。

4）試驗元件 沿著水平荷載加載方向在樁身的前后黏貼應變片，每隔15 cm布置應變片，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。

5）彈性模量的測試 在實驗室利用反力架對兩根樁進行了測試，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，通過應變采集系統收集樁身界面處的應變，最后根據強度理論得出樁身的彈性模量E。

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變大小，經過計算求取平均值得出RC樁的彈性模量E= 2.55×104 MPa、GFRP復合樁的彈性模量E=2.99×104 MPa。GFRP復合樁的彈性模量相比RC樁的彈性模量增大了0.44×104 MPa，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布和環氧樹脂膠層，貢獻了一定的承載力。

1.2 試驗結果

根據規范要求[1415]，并對百分表和應變片采集的數據進行處理分析，得到試驗樁的樁頂荷載位移曲線和樁身彎矩分布曲線。

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。當水平荷載達到2 kN時RC樁的水平位移為10.03 mm，GFRP復合樁的水平位移為7.81 mm；試驗結果表明GFRP復合樁相對于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。

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，可以得出以下結論：兩樁的樁身彎矩隨著埋深的增加逐漸增大，在埋深達到0.5 m（約1/3最大埋深）左右時彎矩達到最大，然后逐漸減小。需要指出的是，RC樁在埋深達到0.9～1.1 m（約2/3最大埋深）左右時出現彎矩零點，并且下部樁身所受彎矩不大；GFRP復合樁的樁身彎矩零點位置明顯靠下，GFRP復合樁的樁身彎矩傳遞更為有效。

與RC樁相比，GFRP復合樁在截面沒有改變的情況下，僅利用環氧樹脂膠將GFRP單向布與RC樁粘結在一起，水平承載能力有明顯的提高。主要原因是GFRP布的抗拉強度遠遠高于混凝土的抗拉強度，GFRP復合樁的抗彎剛度大于RC樁；在樁受到水平荷載作用時，GFRP布能夠分擔一部分受拉區混凝土所受到的作用力。因此，相對于RC樁，GFRP復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勢，張建偉等[16]、黃艷等[17]利用ABAQUS與試驗結果進行了對比，數值分析均能較好的符合試驗結果。

2.1 有限元模型

土體采用摩爾庫倫模型，混凝土材料采用混凝土損傷模型[1819]，均使用C3D8R八節點六面體單元；土體參數與試驗參數保持一致，混凝土損傷塑性模型中應輸入膨脹角ψ、偏心率ε、雙軸極限抗壓強度與單軸極限抗壓強度之比fb0/fc0、拉伸子午面上和壓縮子午面上的第二不變應力不變量之比K、粘性系數μ。模型參數選取如表3所示。

鋼筋采用彈性模型，T3D2兩點線性三維桁架單元內置嵌入混凝土模型中；GFRP布采用S4R曲面薄殼單元，定義為材料為各向異性的復合層，與物理參數保持一致；用綁定（tie）的方法使GFRP和混凝土粘結[17]。樁底與土的接觸設置為硬接觸（Hard），樁和GFRP布與土的接觸法向作用設置為硬接觸（Hard），切向作用采用摩爾庫倫罰函數，摩擦系數取0.35[20]。模型中土體底部邊界條件設定為固定約束，側向土體邊界條件設置為轉角位移，荷載施加于樁頂中心。3 試驗結果

3.1 水平位移

根據室內試驗和數值模擬，得到兩種樁的水平荷載位移曲線如下：

由試驗和數值模擬結果可知：室內試驗為，RC樁在水平荷載達到2 kN水平位移達到10.03 mm，GFRP復合樁在水平荷載2 kN時水平位移7.81 mm；數值模擬的結果為，2 kN水平荷載時RC樁的樁頂水平位移9.66 mm，GFRP樁的樁頂水平位移7.48 mm。兩樁的水平荷載位移曲線如圖9所示，可初步得出以下結論：

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。室內試驗表明GFRP復合樁相對于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；數值模擬下GFRP復合樁的位移減少了22.57%，是RC樁樁頂水平位移的0.77倍，試驗與數值模擬結果相差不大。并且，從圖中可以看出數值模擬與室內試驗水平荷載位移曲線雖有一定偏差，但總體上能夠較好的擬合在一起，反映出實測結果與數值模擬結果相互印證。

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。

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

2）數值模擬結果表明兩樁身最大彎矩發生在埋深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，這是由于在粘結牢固的情況下GFRP布在樁身發生變形時發揮出其優秀的抗拉能力，承受了一部分的彎矩，在不改變樁身截面大小的情況下，GFRP復合樁的彎矩減小，降低樁身的變形。

4 結論

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

1）室內試驗結果表明，在GFRP布的約束作用下，GFRP復合樁的彈性模量是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布對樁進行約束后，GFRP復合樁能夠有效的發揮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）數值模擬的結果與室內試驗有些許差別，2 kN水平荷載作用下，GFRP復合樁的水平位移是RC樁的0.77倍，樁身最大彎矩是RC樁的0.85，數值模擬結果同樣能夠體現出GFRP復合樁優秀的水平承載特性。ABAQUS軟件建模過程中部件的大小屬于無量綱，模型結果不僅能夠反應室內試驗的結果，同樣能夠體現出在實際工程中相同長細比下GFRP復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。

3）室內試驗與數值模擬的水平荷載位移曲線、樁身彎矩變化曲線均能夠較好的擬合。樁頂水平位移隨著荷載的增大逐漸增加；彎矩隨著埋深的增大逐漸增大，室內試驗在樁長約1/4處達到最大，數值模擬在樁長約1/3處達到最大，而后逐漸減小。兩者均符合彈性長樁的變化規律，并且兩者能夠相互印證，進一步提高了試驗和數值模擬的可信度。

通過室內試驗研究了GFRP復合樁的水平承載特性，并采用數值模擬的方法進行驗證，說明GFRP復合樁在實際工程中運用的可行性。雖然，GFRP復合樁相對于RC樁的造價較高，但實際工程中GFRP復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境和海洋工程中，GFRP復合樁更能發揮其優良的防腐性和耐久性，具有一定的實用價值。參考文獻：

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（編輯 胡玲）