盐渍土环境下GFRP复合桩水平承载性能变化

张建伟， 丁 乐， 樊亚龙， 边汉亮

(河南大学 a.土木建筑学院；b.河南省轨道交通智能建造工程技术中心，河南 开封 475004)

0 引 言

盐渍土是指含盐量较高且具有腐蚀性、盐胀性、溶陷性等工程特性的特殊土。盐渍土中所含离子会对混凝土构筑物造成腐蚀或者破坏，影响混凝土构筑物的力学性能和耐久性，从而导致工程事故的发生。混凝土桩受到盐渍土的长期腐蚀后，混凝土材料和钢筋的性能损失和退化会使其水平承载力下降。GFRP材料具有耐腐性的优点， GFRP复合桩可以提高桩基础的耐腐蚀性和水平承载力，所以研究GFRP复合桩在盐渍土环境侵蚀下的水平承载力很有必要。

针对盐渍土条件下混凝土的腐蚀情况，前人做了许多工作。王珑霖等[1-2]总结了中外研究盐渍土腐蚀建筑物的理论研究现状；王成等[3-5]通过开展相关试验和实地调研，研究了盐渍土条件下混凝土的耐久性，提出了盐渍土腐蚀混凝土的机理和防治措施。对于FRP水平桩的承载性能，国内外也做了许多研究。Weaver等[6]通过现场试验研究了在水平荷载作用下GFRP管桩承载性能。Murugan等[7]研究了FRP材料类型对FRP桩水平承载力的影响。Mirmiran等[8-9]对比了水平荷载下FRP桩与预应力桩的承载性能，发现两者比较相似。周康等[10]通过试验对比了CBF管桩、PHC管桩以及PRC管桩的水平承载性能，试验结果表明：CBF管桩的极限位移和极限承载力要大于PHC管桩和PRC管桩。舒光波[11]研究了砂土中FRP复合桩在双向水平循环荷载作用下桩-土之间的相互作用。对于本文利用的通电加速法，国内外学者进行了总结和改进。常用的通电加速的方法有浸泡法、半浸泡法、贴面法[12-15]。李冰等[16]通过破损试验得到钢筋锈蚀率与通电时间、钢筋电位之间的关系；宋旭艳等[17]通过通电加速对钢筋进行破钝，结果表明：氯离子浓度越高，钢筋的腐蚀行为越严重；冯琼等[18]改进了传统通电加速腐蚀的方法，提出在砂土中喷洒盐溶液作为电解质的方法，这种方法的电流效率较高。

本文的研究意义在为GFRP桩加固处理盐渍土地基提供理论依据,解决盐渍土地区的桩基耐久性的问题。同时本文的研究也为今后在盐渍土地区的工程建设积累相关经验。

1 模型试验

1.1 模型圆筒与人工盐渍土的配制

模型圆筒的底面直径为1.5 m，高为1.8 m，如图1所示。试验桩桩身截面宽度d为70 mm。桩基与模型筒筒壁的距离大于10d，可忽略边界效应的影响。

图1 模型圆筒

试验采用人工配制的氯系盐渍土，含盐量为10%，由开封本地粉砂土配制而成。采用分层填筑法将盐渍土填入模型筒内，每层分别取样进行室内土工试验，其物理力学性质：土粒重度γ=17 kN/m3，压缩模量Es=12.5 MPa，内摩擦角φ=35°，黏聚力c=9.5 kPa，含水率w=14.7%，孔隙率e=0.83。

1.2 试验桩

本试验制作了8根试验桩，其中4根为RC桩(普通钢筋混凝土桩)，另4根为GFRP复合桩，具体工况如表1所示。GFRP复合桩的制法为：待模型桩养护28 d后，按照要求在桩身表面黏贴1层GFRP布。桩长1.2 m，桩身截面为70 mm×70 mm。编号为Ra、Rb、Rc、Rd、Ga、Gb、Gc、Gd。其中Rc、Rd、Gc、Gd 4根试验桩在浇筑时，将导线和桩内钢筋笼连接。桩身材料采用C40混凝土，配合比为1∶0.45∶1.40∶2.8，对粗骨料进行集配筛选，最大粒径为30 mm，水泥采用标号为42.5的普通硅酸盐水泥，实测养护28 d后立方体试块抗压强度为42.8 MPa。待试验桩养护28 d后，在桩身外侧粘贴应变片，沿加载方向每隔0.15 m设置应变片，粘贴应变片后的试验桩如图2所示。

表1 试验工况

图2 试验桩应变片位置

1.3 通电腐蚀装置

由于盐渍土对桩基的侵蚀作用是一个非常漫长的过程，所以试验采用通电加速的方法来加快试验速率。通电腐蚀装置主要由恒定电源、电极、介质和采集装置组成，如图3所示。用恒定电流仪作为恒定电源，桩内钢筋作为阳极，碳棒作为阴极，盐渍土作为通电介质。通过补充同浓度的盐水保持盐渍土中含水率，电流大小为20 mA。对Rc、Rd 、Gc、Gd4根试验桩分别通电30、60、30、60 d。

图3 通电腐蚀装置示意图

1.4 加载装置

本文利用液压千斤顶对模型桩分级施加水平荷载，通过DY230-K1T2型压力传感器(最小量程为0.1 kg)控制每级施加的水平荷载，加载装置如图4所示。将水平荷载分为15级，每级荷载为0.2 kN。每级荷载施加之后，每隔5 min读取。如果百分表的读数变化小于0.01 mm，视为模型桩已经稳定[19]。

1.5 抗弯刚度试验

桩基的抗弯刚度会影响桩基的水平承载性能，所以测定试验桩经过盐渍土腐蚀后的抗弯刚度变化很有必要。试验在ZT-FY30反力架上进行，采用两点加荷方式，对模型桩分级施加荷载，每级荷载为0.5 kN，如图5所示。

2 试验结果及分析

2.1 抗弯刚度

从图6可知，随着通电腐蚀时间的增加，两种桩基的抗弯刚度都逐渐降低。这主要是桩基内部钢筋的腐蚀和混凝土表面的劣化所导致。未腐蚀之前，钢筋混凝土桩的抗弯刚度是84.56 kN·m2，腐蚀60 d后，抗弯刚度下降到60.23 kN·m2，桩身的抗弯刚度下降了28.77%。由此可见，钢筋混凝土桩在盐渍土的长期侵蚀下，抗弯刚度会有较大的下降。在未腐蚀之前，GFRP复合桩刚度是105.65 kN·m2，腐蚀60 d后，抗弯刚度下降到86.27 kN·m2，桩身的抗弯刚度下降了18.34%，相较于RC钢筋混凝土桩。GFRP复合桩的抗弯刚度在未腐蚀前更高，并且降低的幅度也更小。

图6 两种桩型抗弯刚度随通电腐蚀时间的变化

2.2 水平荷载-位移曲线

由图7可得，在非盐渍土条件下，未腐蚀时两种桩型的位移和弯矩变化趋势比较接近。GFRP复合桩在相同水平荷载作用下的水平位移相对较小,具有更强的承载力。

图7 非盐渍土中水平荷载-位移曲线

由图8可知，随着通电腐蚀时间的增加，两种桩型的水平承载力都有降低。GFRP复合桩的承载力下降的幅度比钢筋混凝土桩低。钢筋混凝土桩埋入盐渍土后，当所受的水平承载力为1.6 kN时，钢筋混凝土桩的水平位移为6.65 mm，GFRP复合桩的水平位移为4.96 mm，钢筋混凝土桩的桩顶位移比GFRP复合桩大34%；钢筋混凝土桩经过30 d的通电腐蚀后，当所受的水平承载力为1.6 kN时，钢筋混凝土桩的水平位移为13.28 mm，GFRP复合桩的水平位移为9.56 mm，钢筋混凝土桩的桩顶位移比GFRP复合桩大38.9%；钢筋混凝土桩经过60 d的通电腐蚀后，当所受的水平承载力为1.6 kN时，钢筋混凝土桩的水平位移为21.46 mm，GFRP复合桩的水平位移为12.78 mm，钢筋混凝土桩的桩顶位移比GFRP复合桩大67.9%。当水平承载力为1.6 kN时，腐蚀60 d后相比腐蚀0 d后的位移，钢筋混凝土桩增大了3.22倍，GFRP复合桩增大了2.57倍。

图8 盐渍土中腐蚀后两种桩型的水平荷载-位移曲线

2.3 桩身弯矩曲线

通过桩身两侧粘贴的应变片，利用CM-2B静态应变采集仪收集到桩顶受到水平荷载作用时桩身的应变，通过计算求得桩身弯矩分布。

图9为不同通电腐蚀时间后，钢筋混凝土桩和GFRP复合桩在桩顶受到1.6 kN水平荷载作用时的桩身弯矩分布。弯矩的分布规律是桩顶和桩底的弯矩较小，桩中部分较大，总的趋势是先变大后变小，最大弯矩处在距离桩顶0.45 m处。在非盐渍土条件下，当桩顶受到大小为1.6 kN的水平荷载时，钢筋混凝土桩的最大弯矩为123.62 N·m，GFRP复合桩的最大弯矩为100.39 N·m。桩基埋入盐渍土后，钢筋混凝土桩的最大弯矩为129.6 N·m，GFRP复合桩的最大弯矩为96.2 N·m。钢筋混凝土桩的最大弯矩比GFRP复合桩大34%；通电腐蚀30 d后，钢筋混凝土桩的最大弯矩为170.4 N·m，GFRP复合桩的最大弯矩为128.3 N·m，钢筋混凝土桩的最大弯矩比GFRP复合桩大32%；通电腐蚀60d后，钢筋混凝土桩的最大弯矩为232.5 N·m，GFRP复合桩的最大弯矩为145.39 N·m，钢筋混凝土桩的最大弯矩比GFRP复合桩大59%。腐蚀60 d后的最大弯矩相比腐蚀0 d后的最大弯矩，钢筋混凝土桩的弯矩增大了79.3%，GFRP复合桩则增大了51.1%。

(a) 非盐渍土

由以上数据可得，在受到长期的盐渍土侵蚀后，钢筋混凝土桩和GFRP复合桩的承载性能都出现了较明显的降低，其中钢筋混凝土桩的下降程度更大，即GFRP复合桩的耐久性更好，承载性能更强。这是因为随着通电时间的增加，两种桩型内部钢筋的锈蚀率不断增大，导致承载性能的降低。由于GFRP桩表面的GFRP布可以一定程度的降低电加速过程中氯离子的交换速率，所以GFRP桩内部钢筋锈蚀率更低。另外，GFRP布还可以约束混凝土表面变形和开裂，这也在一定程度上减小了承载力降低的幅度。

3 结 论

根据通电腐蚀时间和土质条件的不同，分析了钢筋混凝土桩和GFRP复合桩的承载性能的具体表现及变化，得到以下结论：

(1) 钢筋混凝土桩的抗弯刚度在未腐蚀之前是84.56 kN·m2，在腐蚀60 d后，抗弯刚度下降到60.23 kN·m2，桩身的抗弯刚度下降了28.77%。在未腐蚀之前，GFRP复合桩刚度是105.65 kN·m2，在腐蚀60 d后，抗弯刚度下降到86.27 kN·m2，桩身的抗弯刚度下降了18.34% GFRP复合桩的抗弯刚度在腐蚀后下降相对较小。这主要是桩基内部的钢筋的腐蚀和混凝土表面的劣化所导致的。

(2) 钢筋混凝土桩和GFRP复合桩的承载特性都出现了一定程度的退化，钢筋混凝土桩的退化程度更明显。在水平荷载为1.6 kN时，相比腐蚀0 d桩的位移，腐蚀60 d后钢筋混凝土桩的位移增大了3.22倍，GFRP复合桩则增大了2.57倍。相比腐蚀0 d桩的最大弯矩，钢筋混凝土桩的最大弯矩增大了79.3%，GFRP复合桩则增大了51.1%。原因是GFRP布可以延缓氯离子侵蚀内部钢筋的速率，还会约束混凝土，减少了表面的开裂和变形。

(3) 在水平荷载为1.6 kN时，钢筋混凝土桩的水平位移和弯矩均大于GFRP复合桩，且随着通电腐蚀的时间的增加，增大的幅度在总趋势上是越来越大的。GFRP复合桩在腐蚀前后的承载性能与耐久性要优于钢筋混凝土桩。因此GFRP复合桩可以提高桩基础的耐腐蚀性和承载力，相比普通钢筋混凝土桩可以更好的应对盐渍土环境的侵蚀和破坏作用。