GFRP静压桩挤土效应模型试验研究

杨果林，魏赛赛，关耀,余文华

(1.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075；2.中建五局土木工程有限公司，湖南 长沙 410004)

GFRP静压桩挤土效应模型试验研究

杨果林1†，魏赛赛1，关耀2,余文华2

(1.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075；2.中建五局土木工程有限公司，湖南 长沙 410004)

为掌握GFRP桩-土相互作用机理及压桩动态力学效应，开展GFRP静压桩模型试验研究，对表土隆起量和径向挤土压力进行分析.分析表明：表土隆起量在径向距离在1.8D(桩径)处达到峰值.此峰值随沉桩深度的增加而减小，数值最终大致稳定在0.05D；径向挤土压力随沉桩深度的增加而先增大后减小，当沉桩深度大致等于测点深度时，测点处径向挤土压力达到峰值；峰值径向挤土压力Pm随着径向距离的增大不断衰减.当径向距离达到3D时，Pm衰减至峰值径向挤土压力的最大值Pmm的30%以下；Pmm出现在桩身中下部，数值大致与桩径成正比.

模型试验；挤土效应；玻璃纤维增强复合材料桩；表土隆起量；径向挤土压力

纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，FRP)是由高性能纤维和树脂基体按比例混合加工而成的一种新型复合材料，当所用加强纤维为玻璃纤维时便称作玻璃纤维增强复合材料(glass fiber reinforced polymer，GFRP)，具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳的特点[1].在工程结构中使用GFRP材料可以很大程度减少传统材料由于腐蚀等造成各种破坏和损失，具有广阔的应用前景和经济效益[2-6].

美国在20世纪80年代就开始使用GFRP桩，但大部分是用于海岸防护桩，轻型结构桩基和试验桩[7].由于缺乏足够的研究、现场工程实例和设计施工规范，GFRP桩还没有在工程上被广泛地应用[8].国外学者对GFRP桩的性能进行了一些研究.如：Giraldo等[9]利用模型试验研究了FRP管桩在原状粘性土中的竖向和横向承载力性能，并与钢管桩进行了对比，试验结果表明FRP桩可以作为承重桩使用；Guades等[10]利用试验研究了FRP桩在沉桩冲击荷载下影响FRP材料损伤的因素，并利用能量分析理论预测FRP桩在冲击荷载下FRP材料的损伤，对FRP桩沉桩具有指导作用；Iskander等[11]应用数值模拟分析了FRP桩的沉桩性能，结果表明材料本身的比重和模量是影响沉桩性能的关键因素.

GFRP桩属于挤土桩，挤土桩在沉桩过程中，尤其是在软土地区会产生明显的挤土效应，对工程造成不良影响[12].但目前关于GFRP静压桩挤土效应的试验研究较少.罗战友等[13]、赵明华等[14]和雷华阳等[15]通过数值模拟发现桩-土界面摩擦参数是影响静压桩挤土效应的重要因素；Giraldo等[16]通过直剪试验发现FRP-黏土界面摩擦角要比钢材-黏土界面摩擦角大5%～19%，比混凝土小12%～23%,所以有理由认为GFRP桩的挤土效应与混凝土桩和钢管桩有着不同的发展规律.因此，本文通过模型试验对GFRP桩的挤土效应进行研究，以求为GFRP桩作为承重桩的设计起指导作用.

1 试验方案设计

1.1 试验模型箱

试验采用的模型箱以角钢为骨架，长宽高尺寸为100 cm×100 cm×150 cm,底部及四侧壁均为钢板焊接.为保证模型箱侧壁的刚度，外侧壁在竖向和横向上正交地焊接槽钢,在一对对称的外侧壁上焊接槽钢加高模型箱，并在同一高度水平焊接角钢，用来在压桩时提供反力.

1.2 模型桩

Ashford等[17]通过现场试验发现FRP桩相对较低的动刚度限制了沉桩深度，由此本试验中模型桩的长径比控制为10～25.

模型桩为3根GFRP桩，直径分别为38，75和92 mm，壁厚依次为4，6和8 mm.桩长均为100 cm，使用电动液压千斤顶匀速沉桩加载，加载速度为100 N/min，单次沉桩深度为15 cm，共沉入90 cm.

1.3 试验土样

试验土样采用重塑黏土.为保证填土均匀，填土时逐层填铺，每层铺设15 cm，总填土高度120 cm.每层土填铺时，先采用落雨式填土方式把固定质量(260 kg)的土粒均匀地撒入模型箱，找平后，击实到指定高度.土体填筑完成后静置24 h，再进行压桩试验.模型箱中土体主要物理力学参数见表1.

表1模型用土的物理力学参数

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内摩擦角φ/(°)221.770.53612710.76.1

为防止产生界面效应，在上层土体铺设前，把下层击实面刮毛.填筑过程中将土压力盒按照试验方案埋设在相应位置,导线归至一处并从模型箱内侧壁引出.模型箱中土样在进行单根桩的压桩试验后,需清理干净,再次填土后方可进行下一个模型桩的沉桩试验.

1.4 监测点布设

试验拟量测2类数据：1)表土隆起量，由百分表测得.2)水平挤土压力，由土压力盒测得.测量仪器参数见表2，具体布置见图1.

表2 测量仪表参数

2 试验结果分析

2.1 表土隆起量分析

为研究沉桩过程中表土隆起量的变化规律，在以桩外壁为起点，径向距离分别为5,10,15,25和35 cm处架设百分表进行量测.具体布置见图1.

图1 模型箱Fig.1 Model box

为研究挤土效应的一般规律，分析数据前，对沉桩深度、径向距离和表土隆起量按照桩径进行归一化处理.为描述沉桩动态的过程引入变量深径比λ，定义为沉桩深度与桩径的比值，即λ=h/D.图2为各个桩径的GFRP桩沉桩到不同深度时，表层土体的隆起量.

由图2可知，经归一化处理后，直径75 mm和92 mm模型桩的表土隆起量都呈单峰分布，且都在径向距离为1.8D(桩径)时达到峰值.对于38 mm模型桩，由于缺少较小径向距离处的表土隆起量测量值，所以无法看到其数据呈单峰分布，但是可以看到数据的衰减段.因此，有理由把75 mm模型桩和92 mm模型桩的表土隆起规律当作一般模式进行分析.

(a)38 mm模型桩

(b)75 mm模型桩

(c)92 mm模型桩图2 表土隆起量沿径向分布图Fig 2 Radial distribution of heave of topsoil

观察发现，表土隆起量的发展趋势类似于数理统计中的F分布.F分布函数在统计学中代表随机变量的分布规律.抛开其数学意义不谈，它的函数图像与表土隆起量的分布相似.因此可以把F分布函数作为一种拟合函数，对表土隆起量进行拟合，通过对拟合系数的分析，发现表土隆起量的某些固定规律.

本文利用F(10，10)的密度函数，通过纵横轴伸缩及图像的平移，对图2(c)的图像进行拟合.用如下函数对92 mm模型桩在6种深径比时的表土隆起量进行拟合.

S=A·F[B·(x-C)]

式中：S为表土隆起量；A为纵坐标伸缩系数；F(x)为F(10，10)的概率密度函数；B为横坐标伸缩系数；x为经桩径归一化后的径向距离，即径向距离/桩径；C为横坐标平移量.拟合结果为：A=15.5/λ+5，B=0.57，C=0.52.为了检验此拟合结果的一般性，用此结果预测75 mm模型桩的表土隆起量,如图3所示.

(a)75 mm模型桩(深径比为6.0)

(b)75 mm模型桩(深径比为10.0)图3 预测值与实测值对比图Fig.3 Comparison between predicted and measured values

拟合系数B和C为固定值，说明GFRP桩的挤土效应有着固定的发展规律.其中B决定着表土隆起量的径向分布规律，B和C共同决定了表土隆起量峰值出现的位置.从拟合数据中可以看出，3根试验桩的表土隆起量峰值均出现在径向距离为1.8D处，且径向距离为4D时表土隆起量已衰减至峰值的30%.因此为防止沉桩时造成群桩中的临近桩被拉断，应设置桩心距不小于4倍桩径.

拟合系数A随着沉桩深度的增大而减小，但减小速度越来越慢，最终趋近于5.A决定了表土隆起量的峰值及其在时间上的发展规律.从拟合系数A中可以看出：沉桩速度的合理设置可以在一定程度上控制表土隆起量的发展，但沉桩速度与表土隆起量的发展并非简单的线性关系.

表3为各文献中表土隆起量的分布规律.各文献中的表土隆起量均有着相似的分布规律，仅在峰值大小和出现位置上有所差异.对比可以发现：开口管桩可以有效减小表土隆起量峰值；GFRP桩及木桩的峰值出现位置较混凝土桩近，这可能是由桩-土界面摩擦参数的不同造成的.

表3 表土隆起量分布规律

2.2 径向挤土压力分析

为研究静压沉桩过程中土体各处径向挤土压力的变化规律，在径向距离分别为10 cm,20 cm和30 cm处埋设土压力盒，共埋设3层，埋深分别为10 cm,45 cm和75 cm.具体布置见图1.图4为桩径38 mm的GFRP模型桩沉桩过程中，径向挤土压力随沉桩深度的变化曲线.图4中的有序数对代表测点位置，其中第1个数字代表径向距离，第2个数字代表竖向埋深.桩径75 mm和92 mm模型桩的测量数据有着相似的规律，此处不予列出.

由图4(a)可以看出：同一埋深处的径向挤土压力随着径向距离的增加而迅速衰减.由图4(b)可以看出：径向挤土压力随着沉桩深度的增加而先增大后减小，当沉桩深度大致等于测点埋深时，此测点处的径向挤土压力达到峰值.

过大的峰值挤土压力可能使已施工的桩产生水平位移，甚至造成桩身破坏，对周围环境产生危害[22].因此，有必要研究峰值径向挤土压力的分布规律.记任一点处出现的峰值径向挤土压力为Pm.

根据各测点处的峰值径向挤土压力，使用Matlab画出等值线灰度图，即可直观地反映出地基土中Pm的分布规律，如图5所示.

由图5可以看出,在水平方向上，Pm随着径向距离的增大而迅速衰减；在竖直方向上，Pm在桩身中下部出现最大值(记为Pmm)；当径向距离达到3D时，Pm已衰减至最大值的30%以下.

图6为峰值径向挤土压力的最大值Pmm与桩径的关系图.由图6可知，静压桩的Pmm与桩径大致成正比，即GFRP桩的径向挤土压力并不具有明显的尺寸效应.

图4 38mm桩径向挤土压力随沉桩深度的变化曲线Fig.4 Development of radial earth pressure with the piling of 38 mm pile

图5 Pm分布图(kPa)Fig 5 Distribution of Pm (kPa)

图6 Pmm与桩径的关系图Fig.6 Relationship between Pmm and diameter of pile

3 结 论

通过模型试验，研究GFRP静压桩的挤土效应，分析表土隆起量和径向挤土应力，得出以下结论：

1)表土隆起量随着径向距离的增加先增大后减小，峰值出现在径向距离1.8D处，此峰值随着沉桩深度的增加而减小，数值最终稳定在0.05D左右.

2)径向挤土压力随沉桩深度的增加而先增大后减小，当桩端下沉至测点附近时，此处径向挤土压力达到峰值Pm.

3)随着径向距离的增大，峰值径向挤土压力不断衰减.当径向距离达到3D时，峰值径向挤土压力Pm衰减至最大值Pmm的30%以下.

4)峰值径向挤土压力的最大值Pmm出现在桩身中下部，数值大致与桩径成正比.

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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

国家自然科学基金资助项目(51478484,51778641), National Natural Science Foundation of China(51478484,51778641)；中建五局土木工程有限公司立项项目(02012016YN77，02012016YN89),Civil Engineing Co Ltd of China Construction Fifth Engineering Bureau(02012016YN77，02012016YN89)

杨果林(1963-)，男，湖南桃江人，中南大学教授,博士生导师

，E-mail: yangguolin6301@163.com