GFRP桩在泥炭质土中静压挤土效应试验

杨果林，龚　铖，黄　玮

中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075



GFRP桩在泥炭质土中静压挤土效应试验

杨果林，龚铖，黄玮

中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075

在泥炭质土中沉入3根直径分别为38、75和92 mm的玻璃纤维增强复合材料(glass fiber reinforce polymer，GFRP)模型桩，监测在沉桩过程中沿径向的地面隆起量、不同深度处径向挤土压力和桩身侧摩阻特性，得到沉桩时地面隆起量的分布规律，及与桩轴不同距离处沿深度方向的挤土压力变化规律. 当沉桩深度达到0.15倍桩长时，出现最大地表隆起量，且最大地表隆起量出现在距桩轴1.50～2.50倍桩径处. 沉桩结束后,径向挤土压力沿着深度方向逐渐增大.

岩土工程； 玻璃纤维增强复合材料； 泥炭土； 挤土效应； 地表隆起； 挤土压力； 桩身侧摩阻力

玻璃纤维增强复合材料(glass fiber reinforce polymer，GFRP)以其轻质高强、耐腐蚀、耐久性及维护费用低等优点成为代替钢筋混凝土的理想材料[1-5]. 在近海、盐渍及腐蚀性较强的地区，钢筋和混凝土易受腐蚀[6-8]，影响结构的使用寿命[9-10]，GFRP材料的出现为解决这些问题提供了新途径. GFRP桩为一种新型桩，国外早已开始研究其工程应用[11-14]，但目前国内尚处于室内研究阶段.

昆明盆地环滇池地区具有丰富泥炭质土层，是中国泥炭质土的主要分布地区之一. 滇池地区的泥炭质土是一种特殊土，具有含水量高、孔隙比大、压缩性大、有机质含量多和强度低等特点. 由于泥岩质土地基承载力较低，在载荷作用下基础的沉降比较大，地基处理中使用桩基是比较常见的方法. 有关桩基在泥炭质土中沉桩过程的挤土效应、竖向承载力特性及荷载传递特性研究比较少，本研究以GFRP桩为试验桩和泥炭质土为试验土进行静压沉桩试验.

1　试验方案

试验中分别将3根不同直径的GFRP模型桩静力压入泥炭质土中来研究沉桩挤土效应. 同时进行一组对比试验，将钢管桩静力压入泥炭质土中，比较与38 mm GFRP桩的竖向承载力特性和竖向荷载传递特性的差异. 研究挤土效应时将模型桩按照位移贯入到土体中，模型箱的填土高度为1.2 m，试验分6次，每次压入0.15L(L为桩长)，沉桩深度为0.90L. 通过在土体中沿不同桩距、不同深度埋设土压力盒来测得沉桩过程中的径向土压力. 沉桩过程中表层土体的隆起量用百分表在与桩轴不同距离处测得. 试验中分别将38 mm GFRP桩与钢管桩静力压入泥炭土中以对比研究桩周侧摩阻力. 元器件的布置如图1. 沉桩结束后，在桩顶施加荷载测出模型桩在各级荷载下的沉降，每级荷载一般为极限荷载的1/10～1/15，各级荷载施加后在5 min之内桩顶位移小于0.01 mm方可加载下一级荷载. 当桩顶位移出现以下情况之一时，通过在桩身贴应变片测得桩在各级荷载下桩身应变，再通过计算得到桩身轴力和桩侧摩阻力.

1)在该级荷载下，桩顶急剧沉降，百分表无法显示度数；

2)在该级荷载下，桩顶沉降为上一级荷载下桩顶沉降的5倍；

3)在该级荷载下，桩顶沉降为上一级荷载的2倍并且在5 min之内桩顶沉降达到1 mm以上，则终止加载，认为该级荷载即为桩的极限承载力.

图1　测点布置示意图(mm)Fig.1　Sketches of the survey points (mm)

2　试　验

2.1模型桩制作

根据模型试验的设计方案，共制作了4根模型桩，其中3根是直径分别为38、75和92 mm的GFRP桩，一根为36 mm的钢管桩. 模型桩都为空心管，下端有桩靴，GFRP桩的壁厚按直径从小到大依次为4、6和8 mm，钢管的壁厚为2 mm. 根据模型箱的尺寸，按照相应的相似关系和尺寸效应，模型桩的桩长均为100 cm，在试验中沉桩深度为90 cm.

应变片贴在模型桩的外侧，通过在桩身钻孔将导线引入桩内从桩顶引出来，但由于钻孔对桩身应力分布有一定的影响，钻孔不能太大，且距离应变片不能太近，但距离太远也会影响桩身侧摩阻力的分布特性.

2.2试验用土

模型试验所用的填料泥炭土取自昆明广福路以南回迁安置房的基坑开挖土，其物理力学性质通过室内土工试验确定. 实验室测出的泥炭土的最优含水率为22%(体积分数)，最大干密度γdmax=16 kN/m3. 试验中土体含水率采用最优含水率，压实系数为90%. 按模型试验条件下的含水率得到泥炭土的物理参数如表1.

表1　泥炭质土物理力学参数

2.3试验步骤

1)模型箱土体的填筑. 将土体按含水率为22%加水搅拌配置. 模型箱填土高度为120 cm，分层填筑，每层填土高度为15 cm，按照含水率22%，压实度90%计算每层填土质量为260 kg. 填筑中下一层夯筑好表面注意刮毛，以使相邻两层之间接触充分防止产生界面效应.

2)模型桩测点接线. 应变片的接线方式有全桥接线法、半桥接线法和1/4桥接线法，本研究采用半桥接线方式，一个工作片需要连接一个温补片共同工作.

3)按照设计的方案，在土体表面架设好百分表测量沉桩过程中表面土体的隆起量，用综合测试仪测试土压力盒的读数是否正常.

4)压桩前，先采集应变片、百分表、土压力盒及测力计的初始读数，再进行压桩试验. 压桩过程中每0.15L将各个元器件的读数采集1次，直到将模型桩沉入到设计的深度，在压桩过程中注意要随时观察模型桩是否垂直，以使加载时保持千斤顶加载沿着模型桩轴心加载，防止出现偏心，使模型桩垂直压入到土体中.

5)压桩完成后，在桩顶安装百分表，进行模型桩承载力测试. 采用分级加载，每级荷载一般为最终极限承载力的1/10～1/15，每级加载完成后记录桩身应变片和百分表的读数，当桩顶位移出现试验方案中的3种情况之一时，则停止加载，认为模型桩达到了极限承载力.

按上述步骤将GFRP模型桩和钢管桩静力压入土体完成测试.

3　结果及分析

3.1表层隆起

根据GFRP桩的试验结果进行归一化处理(底面隆起量h′除以桩径d， 深度h除以桩长L， 径向距离r除以桩径d)， 得到地面隆起量沿桩入土深度和沿径向的两组试验结果.

图2(a)、(b)和(c)分别是直径为38、75和92 mm桩径的GFRP模型桩沉桩时，在不同径向处地面隆起量随沉桩深度的变化.38 mm模型桩在距桩轴2.50d、 3.75d、 5.00d、 7.50d和10.00d处布置了5个测点； 75 mm模型桩在距桩轴1.30d、2.00d、2.70d、 4.00d和5.30d处布置了5个测点；92 mm模型桩在距桩轴1.00d、 1.50d、 2.00d、 3.00d和4.00d处布置了5个测点. 在图2中，开始沉桩时，地表隆起量骤增，并在沉桩深度达到约0.15L时达到最大值，随后开始衰减，到沉桩结束时的衰减量占该测点隆起量最大值的35%～65%，这是由于随着沉桩的进行，深层土体沿着径向移动引起隆起量衰减. 3根模型桩的最大隆起量并不是出现在距离桩最近的地方，而是出现在距桩轴1.50d～2.50d处，最大隆起量约5.5%～7.5% (h′/d)， 并且随着桩径的增大最大隆起量逐渐增大. 当距桩轴大于5.00d时，沉桩对地表的隆起量的影响明显减小，在图2(a)中，在距桩轴7.50d处的最大隆起量仅为2.50d处的15%.

图2　不同径向处地面隆起量随沉桩深度的变化Fig.2　(Color online) Land upheaval during pile-sinking with different radial distances

图3(a)、(b)和(c)分别是桩径为38、75和92 mm的GFRP模型桩沉桩时，在不同沉桩深度下地表隆起量沿径向变化，在图3(a)中模型桩在沉桩过程中地表隆起量沿着径向一直减小，图3(b)和(c)中沉桩过程中地表隆起量沿着径向先是增大再减小. 在沉桩过程中，靠近桩身的土体由于受到桩身摩擦力的拖拽作用，一定范围内的土体会向下移动，再沿着径向方向逐渐隆起. 徐建平等[15-17]研究表明，地表隆起量具有明显的尺寸效应，地表隆起量的大小不是单纯的随着距桩径向距离的增大而变化，而是与桩径的大小有关. 当距桩径向距离为桩径某一倍数(nd，n为倍数，d为桩直径)时，地表隆起量有一个最大值，且最大地表隆起量也与桩径有关系，表2为他们的研究成果. 模型桩在泥炭质土中最大隆起量约5.5%～7.5%(h′/d)， 与前述研究结果也是相符的.

图3　不同沉桩深度下地面隆起量沿径向分布图Fig.3　(Color online) Land upheaval with radial distance in different pile-sinking depths

土质桩长/m桩径/mm最大隆起量距桩轴距离黏土、砂土348003.8%d4.00d黏土、粉土305002.5%d～4.5%d2.50d伦敦黏土51686.0%d2.00d软黏土1457.1%d1.65d

在图4和图5中，不同桩径的模型桩在不同深度处挤土压力与沉桩深度曲线的变化趋势基本一致. 当桩贯入到相应的深度，沉桩径向挤土压力会迅速增大. 图3(a)和图4(a)中的埋深为0.10L处沉桩挤土压力在沉桩深度0～0.15L期间时迅速增大并达到峰值，此后随着沉桩的持续，沉桩挤土压力逐渐衰减；图2(b)和图3(b)中的埋深为0.45L处沉桩挤土压力在沉桩深度0～0.15L期间时增长很缓慢，之后在沉桩深度0.15L～0.30L期间迅速增大并达到峰值，此后随着沉桩的持续，沉桩挤土压力也逐渐衰减；图4(c)和图5(c)中表示埋深为0.70L处沉桩挤土压力，当沉桩深度为0.45L时挤土压力很小，基本上没什么变化，之后在沉桩深度为0.45L～0.60L时迅速增大并达到峰值，此后随着沉桩的持续，沉桩挤土压力也同样逐渐衰减. 可见在沉桩过程中沉桩挤土压力有一个传递过程，当沉桩达到某深度往上的一个距离时，此深度处周围土体开始受到桩端的挤压，土体被扰动向下移动，开始有挤土压力，随着沉桩的继续桩身开始挤压周围土体，在此过程中此深度处挤土压力迅速增大.

由图4和图5可知，当桩贯入到测量深度处附近，此时沉桩挤土压力有一个峰值，随着沉桩的继续，挤土压力逐渐衰减. 这是由于桩贯入到软土地基中(如本研究泥炭质土中基本上都是处于不排水状态下的)，当桩贯入到附近时周围土体突然受到桩的挤压，土体向周围排开，土体中孔隙水来不及向周围渗出，此时会产生超孔隙水压力[18-19]，导致沉桩达到测量的深度时挤土压力会有峰值，随着桩继续向下贯入，孔隙水压力逐渐消散[20]，使得挤土压力也逐渐衰减. 在沉桩过程中桩的挤土作用沿径向是不均匀的，靠近桩身的地方土体最先被挤压得更紧密，在沉桩开始时产生的超孔隙水压力也越大，在沉桩结束后消散的也越多[21].

图4　38 mm模型桩在不同深度处挤土压力与沉桩深度曲线Fig.4　(Color online) Soil compacting pressure versus pile-sinking depth of 38 mm model pile

图5　75 mm模型桩不同深度处挤土压力与沉桩深度曲线Fig.5　(Color online) Soil compacting pressure versus pile-sinking depth of 75 mm model pile

3.2径向挤土压力

由图6和图7可见，当沉桩深度距离测点较远时，挤土压力变化缓慢，当桩沉入到相应的深度时，挤土压力迅速增大并达到峰值，此后随着沉桩继续挤土压力逐渐减小，且在不同的深度最大挤土压力是不相同的，下层土体的最大径向挤土压力要比上层土体的大. 查阅相关研究成果[20-21]，有关沉桩径向挤土压力的研究几乎都集中在沉桩结束后，沉桩结束后径向挤土压力沿深度方向逐渐增大，对于沉桩过程中各深度处最大挤土压力很少提及. 究其原因可能是在土体上部靠近表面的区域，在沉桩过程中土体除了要向侧向挤压，还要向地表隆起，挤土压力向上释放，导致径向挤土压力要比下层的区域小. 试验结果表明，在沉桩结束后径向挤土压力随着深度的增加而增加.

图6　38 mm模型桩距桩轴不同距离处挤土压力与沉桩深度曲线Fig.6　(Color online) Soil compacting pressure of different radial distance pile-sinking of 38 mm model pile

图7　75 mm模型桩距桩轴不同距离处挤土压力与沉桩深度曲线Fig.7　(Color online) Soil compacting pressure of different radial distance pile-sinking of 75 mm model pile

3.3桩侧摩阻力特性

为进行桩竖向承载力传递特性研究，试验中测量了桩在各级竖向荷载作用下的桩身应变，通过桩身应变可以得到桩身轴力，再通过两测点之间的轴力差可以得到该段桩身平均侧摩阻力，通过桩身各段平均侧摩阻力可以了解两种桩竖向承载力传递性能. 侧摩阻力可表示为

其中， qs为桩身平均侧摩阻力； Ni为桩身第i处轴力； εi为桩身第i处应变； C为桩身横截面周长； E为桩的弹性模量； A为桩身横截面面积； L为该段桩身的长度.

由图8可见，随着桩顶竖向荷载的增大，桩侧摩阻力也逐渐增大， GFRP桩和钢管桩侧摩阻力沿着深度方向均呈现上大下小的R型分布. 两种桩侧摩阻力都呈现R型分布的原因是桩身压缩变形沿着深度方向逐渐积累，使桩身上部的相对位移总是大于桩身下部的相对位移，所以桩上部的侧摩阻力总是先于桩下部的侧摩阻力发挥作用，随着桩上部侧摩阻力到达极限后保持不变. 随着竖向荷载的增大，桩下部的侧摩阻力逐渐开始发挥作用，到达极限后，增加的荷载就由桩端持力土层来承受，所以侧摩阻力呈现上大下小的分布趋势.

虽然两种桩的桩侧摩阻力都呈R型分布，但是GFRP桩下部侧摩阻力要明显比钢管桩下部侧摩阻力小. 究其原因是由于GFRP桩的弹性模量要比钢管桩低得多，本模型试验中使用的GFRP桩的弹性模量为21.6 GPa，钢管桩的弹性模量为182 GPa，GFRP桩的弹性模量只有钢管桩的1/8左右，在竖向荷载下GFRP桩身压缩变形量要大于钢管桩的压缩变形量，导致GFRP桩的桩土相对位移要比钢管桩大，其上部侧摩阻力可以发挥得更持续，下部侧摩阻力发挥得更延缓些，桩顶竖向荷载大部分由上部桩侧摩阻力承担，导致图8中所示的曲线GFRP桩下部侧摩阻力较小.

从图8曲线特征还可以看出，桩身上部的侧摩阻力曲线斜率比较接近，说明桩侧摩阻力随着各级荷载的增加基本上保持同一比例的增长，而桩身下部的侧摩阻力曲线斜率比较大，说明随着各级荷载的增加，下部侧摩阻力增长较快，上下部的侧摩阻力差值呈现增大的趋势.

图8　GFRP桩与钢管桩的侧摩阻力分布曲线Fig.8　(Color online) Shaft soil resistance of GFRP pile and steel pile

4　结　论

1)从GFRP桩沉桩开始到桩体贯入土中0.15L的过程是地表隆起发展的主要阶段，桩体贯入深度大于0.15L时，随着沉桩的继续，隆起量逐渐衰减，最大隆起量发生在距桩轴1.50d～2.50d处，表层土体隆起量沿径向的分布不仅与桩径有关，而且还与尺度效应有关.

2)GFRP桩沉入10、45和70 cm时，相应深度处径向挤土压力会出现峰值，并随着沉桩的进行逐渐衰减；38 mm模型桩在埋深为0.10L时，距桩轴2.50d、 5.00d和7.50d处的挤土压力分别为34.0、17.4和7.1 kPa，埋深为0.45L时挤土压力分别为48.5、22.5和12.1 kPa，埋深为0.70L时挤土压力分别为38.5、18.5和9.8 kPa，沉桩挤土压力随着径向逐渐减小，75 cm模型桩也有相同的规律.

3)GFRP桩桩身上部侧摩阻力发挥要大于桩身下部，竖向承载力主要由上部桩身承担，这是由于GFRP桩弹性模量只有钢管桩的1/8左右，竖向荷载作用于桩身时上部桩身位移较大，下部桩身位移较小.

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[1] 叶列平，冯鹏．FRP在工程结构中的应用与发展[J]．土木工程学报，2006，39(3)：24-36．

Ye Lieping，Feng Peng. Application and development of fiber-reinforced polymer in engineering structure[J]. China Civil Engineering Journal，2006，39(3)：24-36.(in Chinese)

[2] Thomas J W，Scott A A，Kyle M R．Lateral load behavior of a concrete-filled GFRP pipe pile[D]. Moscow：University of Idaho，2008：931-938．

[3] Sekijima K，Ogisako E，Miyata K，et al．Analytical study on flexural behavior of GFRP-concrete composite beam[C]// The International Conference on FRP Composites in Civil Engineering. Hong Kong, China: Elsevier Science Ltd，2001：1363-1370．

[4] Ernesto J G. Behaviour of glass FRP composite tubes under repeated impact for piling application[D]．Queensland，Australia：University of Southern Queensland，2013．

[5] Guades E J，Aravinthan T，Islam M．An overview on the application of FRP composites in piling system[D]．Queensland，Australia：University of Southern Queensland，2010．

[6] Teng J G，Yao J. Self-weight bucking of FRB tubes filled with wet concrete[J]．Thin Walled Structures，2000，38(4)：337-353．

[7] Yang J，Tham L G，Leep K，et al．Observed performance of long steel H-pile jacked into sandy soils[J]．Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2010，132(1):24-25．

[8] 冯鹏．复合材料在土木工程中的发展应用[J]．玻璃钢/复合材料，2014(9)：99-104．

Feng Peng. Development and application of composite in civil engineering[J]. Fiber Reinforced Plastics / Composites，2014(9)：99-104.(in Chinese)

[9] Giraldo J，Rayhani M T．Influence of fiber reinforced polymers on pile-soil interface strength in clays[J]．Advances in Civil Engineering Materials，2013，2(1)：1-18．

[10] Veysel Y，Muhammad N S H．Axial load-bending moment diagrams of carbon FRP wrapped hollow core reinforced concrete columns[J]．Journal of Composites for Construction，2009(3)：262-265．

[11] Paul H Z，Michael D．Design and field evaluation of hybrid FRP/reinforced concrete superstructure system[J]．Journal of Bridge Engineering，2009(5)：309-319．

[12] Giraldo J，Rayhani M T. Load transfer of hollow fiber-reinforced polymer (FRP) piles in soft clay[J]．Transportation Geotechnics，2014，1(2)：63-73．

[13] Mohammed S，Hesham E N，Moncef N．Wave equation analyses of tapered FRP-concrete piles in dense sand[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2007，27：166-182．

[14] Hollaway L C．The evolution of the way forward for advanced polymer composites in the civil infrastructure[C]// The International Conference on FRP Composites in Civil Engineering. Hong Kong, China: Elsevier Science Ltd, 2001:27-40.

[15] 徐建平，周健，许朝阳，等．沉桩挤土效应的模型试验研究[J].岩土力学，2000，21(3)：235-238．

Xu Jianping，Zhou Jian，Xu Zhaoyang，et al. Model test research on pile driving effect of squeezing against soil[J]. Rock and Soil Mechanics，2000，21(3)：235-238.(in Chinese)

[16] Jin Hong，Huang Nengliang．Ground response during pile driving[J]．Journal of Geotechnique，2001，127(11)：939-949．

[17] 周火垚，施建勇．饱和软黏土中足尺静压桩挤土效应试验研究[J]．岩土力学，2009，30(11)：3291-3296．

Zhou Huoyao，Shi Jianyong. Test research on soil compacting effect of full scale jacked-in pile in saturated soft clay[J]. Rock and Soil Mechanics，2009，30(11)：3291-3296.(in Chinese)

[18] 唐世栋，王永兴，叶真华．饱和软土地基中群桩施工引起的超孔隙水压力[J]．同济大学学报自然科学版，2003，31(11)：1290-1294．

Tang Shidong，Wang Yongxing，Ye Zhenhua. Excess pore water pressure caused by installing pile group in saturated soft soil[J]. Journal of Tongji University Natural Science Edition，2003，31(11)：1290-1294.(in Chinese)

[19] 李富荣，张艳梅，王照宇．软土中静压桩挤土效应的模型试验研究[J]．建筑科学，2013，29(1)：52-54．

Li Furong，Zhang Yanmei，Wang Zhaoyu. Study on model experiment of squeezing effects of jacked piles in soft clay[J]. Building Science，2003，31(11)：1290-1294.(in Chinese)

[20] 李镜培，李雨浓，张述涛．成层地基中静压单桩挤土效应试验[J]．同济大学学报自然科学版，2011，39(6)：824-826．

Li Jingpei，Li Yunong，Zhang Shutao. Experimental analysis of compaction effect of single pile jacked in layered ground[J]. Journal of Tongji University Natural Science，2011，39(6)：824-826.(in Chinese)

[21] 鹿群，张建新，刘寒鹏．考虑施工方向影响的静压桩挤土效应观测与分析[J]．土木工程学报，2011，44(S)：102-105．

Lu Qun，Zhang Jianxin，Liu Hanpeng. A case history and its analysis about squeezing effects of jacked piles considering construction direction[J]. China Civil Engineering Journal，2011，44(S)：102-105.(in Chinese)

【中文责编：坪梓；英文责编：之聿】

2016-03-06；Accepted：2016-05-25

Experiments of soil compacting effects of GFRP pile in peaty soil

Yang Guolin†, Gong Cheng, and Huang Wei

School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, Hunan Province，P.R.China

Three glass fiber reinforce polymer piles with diameters 38, 75 and 95 mm respectively were penetrated into peaty soil. The law of land upheaval with radial distance, the law of soil compacting pressure with depth and radial distance during pile-sinking, and the friction change along piles were monitored.The law of land upheaval with radial during pile-sinking, and the law of soil compacting pressure with depth and radial distance were analyzed. The experimental results show that the maximum land upheaval occurs at 1.50～2.50 times the pile diameter from the axis of pile when pile is penetrated into soil at a depth of 0.15 times the pile length. At the end of pile-sinking, radial soil compacting pressure increases along depth direction.

geotechnical engineering; glass fiber reinforce polymer; peaty soil；soil compacting effect; land upheaval; soil compacting pressure; shaft soil resistance of pile

Yang Guolin, Gong Cheng, Huang Wei．Experiments of soil compacting effects of GFRP pile in peaty soil[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(5): 484-491.(in Chinese)

TU 473

Adoi：10.3724/SP.J.1249.2016.05484

国家自然科学基金资助项目(51278499，51478484)

杨果林(1963—)，男，中南大学教授、博士生导师. 研究方向：道路与铁道工程、岩土工程和结构工程.

E-mail:guolin@mail.csu.edu.cn

Foundation：National Natural Science Foundation of China(51278499，51478484)

† Corresponding author：Professor Yang Guolin. E-mail:guolin@mail.csu.edu.cn

引文：杨果林，龚铖，黄玮．GFRP桩在泥炭质土中静压挤土效应试验[J]. 深圳大学学报理工版，2016，33(5)：484-491.