盐渍土环境下GFRP复合桩竖向承载性能及耐久性研究

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中国是盐渍土广泛分布的国家,盐渍土面积约为20多万平方公里。服役于盐渍土环境中的钢筋混凝土桩基结构由于受到土中氯离子的侵蚀,造成钢筋出现锈蚀现象,并产生大量的锈蚀产物,其体积大约为原钢筋体积的2~6倍,使部分桩体因膨胀开裂而不再承担竖向荷载,桩的侧阻力、端阻力及桩体强度均发生变化,使其耐久性出现较早劣化,承载性能下降,往往达不到设计使用寿命就过早失效,造成巨大的经济损失。GFRP材料(Glass Fiber Reinforced Polymer)由于其轻质高强和耐腐蚀性强的优点被广泛应用于抗震加固、结构补强、海洋防腐等实际工程中。GFRP复合桩是将GFRP布粘贴在普通钢筋混凝土桩桩身的一种桩型,它具有提高结构承载性能、改善结构耐久性以及抵御环境侵蚀的能力。本文考虑腐蚀离子与电流耦合作用,设计通电加速试验,研究盐渍土通电加速环境中GFRP复合桩竖向承载特性及耐久性能。并通过室内模型试验与数值模拟相结合的方法,研究结果可为GFRP复合桩的竖向承载力设计提供依据。本文主要的研究内容及成果包括:(1)为探究桩身包裹GFRP布对桩基竖向承载特性的影响,本文通过室内模型试验和数值模拟手段,并引入GFRP布-土界面摩擦特性试验,对GFRP复合桩的竖向承载性能进行研究。同时利用ABAQUS有限元软件模拟不同尺寸RC桩包裹GFRP布对单桩竖向承载特性的影响。得出主要结论:GFRP布-土界面摩擦系数随压实度的增大而增加,随法向应力的增大减小,在最优含水率时,GFRP布-土摩擦系数最高;模型试验中,GFRP复合桩的竖向位移较RC桩减小14.4%,且复合桩的桩侧摩阻力值更大;在不同桩长和桩侧面积条件下,随着桩身尺寸的增大,GFRP复合桩桩侧摩阻力的发挥效果更好,桩身侧摩阻力占比更大。(2)为了更好的模拟自然环境下的侵蚀效果,本文区别于以往将溶液作为腐蚀电介质的研究方法,而是将电介质换为开封地区人工配置的盐渍土。同时为了缩短试验周期,本文利用通电加速腐蚀装置进行快速腐蚀试验。结果表明:盐渍土介质中的腐蚀规律与自然环境下的腐蚀规律相符合,证明利用盐渍土代替溶液进行电加速腐蚀试验是可行的。(3)对腐蚀后的GFRP复合桩进行耐久性评价,利用钢筋锈蚀仪、桩身裂缝观测仪和电子秤等仪器,对不同通电加速腐蚀时间后的桩身裂缝宽度、混凝土剥落质量、钢筋锈蚀率、电势值以及承载性能等指标进行分析,并以普通RC桩作为对照组,综合评价桩身包裹GFRP布对桩基耐久性能的提升效果。试验结果表明:相较于普通RC桩,GFRP复合桩的腐蚀程度更低,桩身裂缝宽度、桩身混凝土剥落量、钢筋锈蚀率以及承载性能等表现均优于RC桩。(4)利用ABAQUS有限元分析软件,对不同通电时间后的桩基承载特性进行模拟,同时对不同含盐量对桩基竖向承载力的影响程度进行模拟,在有限元模型建立时,选取不同腐蚀时期后的桩身参数以及不同盐含量土体的物理力学性质作为模拟依据。结果表明:有限元模拟结果与试验结果基本一致,随通电时间的增长,桩基承载力逐渐下降;在含盐量为8%时,土体的各项力学参数较低,导致此含量下的桩基承载力最低。
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