碳纖維復(fù)合材料及其在微型抗滑樁中的應(yīng)用與研究

龍萬(wàn)學(xué) 李 鑫* 李昌龍 邱樹(shù)茂

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州貴陽(yáng) 550081; 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

碳纖維復(fù)合材料及其在微型抗滑樁中的應(yīng)用與研究

龍萬(wàn)學(xué)1李 鑫2* 李昌龍1邱樹(shù)茂2

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州貴陽(yáng) 550081; 2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

基于碳纖維及碳纖維復(fù)合材料的特性和優(yōu)點(diǎn)，探討了土木工程領(lǐng)域碳纖維復(fù)合材料的可利用性，并將碳纖維復(fù)合材料運(yùn)用于微型抗滑樁結(jié)構(gòu)中，對(duì)多種材料組合的強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，為微型抗滑樁中運(yùn)用碳纖維復(fù)合材料提供參考。

碳纖維，碳纖維復(fù)合材料，微型抗滑樁，CFRP

0 引言

近年來(lái)，隨著材料與工程科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，各類新型材料層出不窮，復(fù)合材料由于性能優(yōu)良，受到業(yè)界廣泛關(guān)注并運(yùn)用于土木工程中。碳纖維復(fù)合材料就是一種以碳纖維為增強(qiáng)材料合成樹(shù)脂為集體，通過(guò)復(fù)合成型工藝加工而成的新型材料。

微型抗滑樁樁體材料為細(xì)石混凝土或水泥(砂)漿，通過(guò)壓力灌注法將其灌注成型。一般加固抗滑樁樁身體積大，且自重過(guò)大對(duì)使用環(huán)境有明確限制，而微型抗滑樁恰好回避此類情況，可靈活適用于多種環(huán)境，且可單獨(dú)或成束使用，筋材選取可因受力需求而定。隨著新材料的層出不窮，微型抗滑樁的選材也開(kāi)始逐步多樣化，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)和特性，將其運(yùn)用于微型抗滑樁結(jié)構(gòu)中，對(duì)于改善樁體性能和抗滑水平效果明顯。

1 碳纖維及其復(fù)合材料

1.1 碳纖維

碳纖維材料種類繁多，含碳量均在90%以上，且其種類的不同與含碳量有關(guān)。它是經(jīng)高溫處理后，將不熔融的高含碳量人造纖維穩(wěn)定氧化，再通過(guò)石墨化和碳化加工工藝處理而成。碳纖維材料具有柔性、各向異性等一般碳素材料所不具備的特性，并表現(xiàn)出極高的強(qiáng)度和比強(qiáng)度。

1.2 碳纖維復(fù)合材料

可與碳纖維復(fù)合加工的集體材料多種多樣，環(huán)氧樹(shù)脂是其中之一，其產(chǎn)物碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱CFRP)具有優(yōu)良的比強(qiáng)度和比模量綜合指標(biāo)，被廣泛用于對(duì)強(qiáng)度、剛度、疲勞性、重量等要求嚴(yán)格的工程領(lǐng)域［1］。CFRP的優(yōu)良性能主要有:密度小、質(zhì)輕高強(qiáng);抗疲勞;耐高溫;抗腐蝕;抗震性強(qiáng);易于成形。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)還未將CFRP推廣運(yùn)用于土木領(lǐng)域。常用碳纖維復(fù)合材料的主要力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表1 常用碳纖維復(fù)合材料的主要力學(xué)性能

2 微型樁及碳纖維復(fù)合材料微型樁的關(guān)鍵計(jì)算理論

2.1 微型樁的定義

微型樁屬于抗滑樁支擋形式的一種，按結(jié)構(gòu)組合方式分為獨(dú)立微型樁、連系梁微型樁、承臺(tái)微型樁。直徑一般介于100 mm～300 mm，長(zhǎng)細(xì)比大于30。樁體材料由壓力式水泥(砂)漿、混凝土、鋼材與復(fù)合材料等組成，根據(jù)受力需要，其構(gòu)造骨架可以是鋼筋、鋼管、鋼軌、高強(qiáng)鋼筋、碳纖維筋或玻璃纖維筋等，如圖1所示［5］。

圖1 微型樁內(nèi)結(jié)構(gòu)

2.2 碳纖維復(fù)合材料微型樁的設(shè)計(jì)計(jì)算

碳纖維復(fù)合材料微型樁屬于微型抗滑樁的一種，僅材料的選取添加了碳纖維復(fù)合材料來(lái)取代全部或部分配筋，材料參數(shù)有所區(qū)別，其受力分析原理與設(shè)計(jì)流程與普通微型抗滑樁相同，參考普通抗滑樁設(shè)計(jì)的構(gòu)架思想，得出碳纖維微型樁加固邊滑坡的設(shè)計(jì)技術(shù)路線，見(jiàn)圖2。

圖2 微型樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算路線

3 微型樁不同材料組合對(duì)系統(tǒng)內(nèi)力貢獻(xiàn)

微型抗滑樁單樁的抗彎能力較小，設(shè)計(jì)時(shí)不但要考慮群樁使用，還需在鋼管中內(nèi)置一些外加材料增加抗彎和抗拉承載能力，如鋼筋、型鋼等。存在的問(wèn)題有:所選材料提高系統(tǒng)承載力貢獻(xiàn)不明顯;安裝較復(fù)雜，尤其在斜坡面。因此，在此基礎(chǔ)之上引入了碳纖維加筋［7］，并對(duì)此進(jìn)行計(jì)算及對(duì)比分析。

鋼管樁單樁按等效含鋼率計(jì)算，鋼管與鋼材組合結(jié)構(gòu)可按等效剛度法或等效鋼率計(jì)算。針對(duì)纖維筋，由于模量比普通鋼筋小，而抗拉強(qiáng)度是普通鋼筋的倍數(shù)關(guān)系，按等效剛度法進(jìn)行計(jì)算時(shí)需慎重，文中用等效含鋼率的公式簡(jiǎn)化計(jì)算。計(jì)算中均假設(shè)選取鋼管樁的截面直徑為150 mm，鋼管直徑108 mm，壁厚4 mm，并由此進(jìn)行相應(yīng)分析。

3.1 鋼管與混凝土組合

選取單位樁長(zhǎng)為1 m，承受均布荷載作用的懸臂梁結(jié)構(gòu)，按等效剛度法計(jì)算所得其極限彎矩為21.139 kN·m，按鋼管混凝土中的等效含鋼率法計(jì)算得21.159 kN·m，其結(jié)果基本一致。但是結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支梁時(shí)算得50.734 kN·m，結(jié)果不相符。從而得知，上述的等效剛度反算彎矩受結(jié)構(gòu)及荷載形式分布的影響，不如等效含鋼率法計(jì)算準(zhǔn)確，后者更能準(zhǔn)確反映出鋼管混凝土截面的承載性能。

3.2 鋼管混凝土與內(nèi)置材料組合

在鋼管混凝土中內(nèi)置其他材料通常為工程所用的材料組合方法，其中內(nèi)置HRB335鋼筋最為常見(jiàn)，工字鋼和其他型鋼次之。基于新材料的研發(fā)成功與工程實(shí)踐需要，將碳纖維筋引入分析。碳纖維筋強(qiáng)度高，密度小，不僅可以提高樁體本身的抗力而且給施工安置帶來(lái)極大的方便。將兩種材料的物理力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比如表2所示。

表2 筋材性能對(duì)比

3.3 鋼管普通鋼筋組合

普通鋼筋組合按照等效含鋼率來(lái)計(jì)算，不考慮超筋情況，分析3根φ22，φ25，φ28，φ32四種情況，四種組合含鋼率α分別為: 0.160 7，0.186 7，0.217 2，0.266 6;極限彎矩為:41.018 kN·m，47.687 kN·m，55.709 kN·m，69.009 kN·m。

3.4 鋼管工字鋼組合

對(duì)于鋼管內(nèi)加工字鋼的情況，分別按兩種方法計(jì)算并進(jìn)行對(duì)比分析。將常用工字鋼10號(hào)鋼管直徑改為133 mm，壁厚為5 mm，其他參數(shù)均不做改變。按等效剛度計(jì)算得不加工字鋼時(shí)極限彎矩為22.593 kN·m，加入工字鋼后極限彎矩為32.687 kN·m，按等效含鋼率分別為16.850 kN·m和38.946 kN·m。

3.5 鋼管碳纖維筋組合

鋼管樁中內(nèi)置碳纖維筋按等效含筋率法計(jì)算，計(jì)算時(shí)鋼管另作處理，將纖維筋等效為含筋率，相對(duì)鋼管而言碳纖維筋屬于高強(qiáng)度材料，分別等效計(jì)算后相加為極限彎矩。分析3根φ22，φ25，φ28，φ32四種情況，極限彎矩為:127.070 kN·m，164.714 kN·m，210.730 kN·m，287.930 kN·m，可知內(nèi)置碳纖維筋為普通鋼筋極限彎矩的3倍～4倍，見(jiàn)圖3。

圖3 極限彎矩對(duì)比曲線

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)碳纖維復(fù)合材料的特性并將其創(chuàng)新性運(yùn)用于微型抗滑樁結(jié)構(gòu)中進(jìn)行對(duì)比分析，歸納出如下結(jié)論:

1)碳纖維復(fù)合材料具有密度小、輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞性好、耐高溫、耐腐蝕、抗震性強(qiáng)、破壞安全性高和易于成形加工的特性，是一種可被廣泛運(yùn)用于土木工程的先進(jìn)復(fù)合材料。

2)傳統(tǒng)鋼筋水泥混凝土微型抗滑樁由于自身材料缺陷，容易發(fā)生鋼筋腐蝕，水泥開(kāi)裂等病害，從而影響其抗滑效果。采用碳纖維增強(qiáng)混凝土并將全部或部分配置的鋼筋用碳纖維筋代替可減少此類病害，延長(zhǎng)微型抗滑樁的使用壽命并提高其抗滑效果。

3)對(duì)微型樁內(nèi)置材料分析可知，內(nèi)置碳纖維筋可以增大約4倍的抗力，再者碳纖維筋的抗拉強(qiáng)度約為普通鋼筋9倍，更滿足錨桿的效應(yīng)，因此值得推廣應(yīng)用。

［1］陳士杰.碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用［J］.開(kāi)發(fā)指南，2012(6):20-21.

［2］李 威.碳纖維復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.中國(guó)光學(xué)，2011(6):201-212.

［3］丁亞林，田海英.一種提高碳纖維復(fù)合材料框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用性能的結(jié)構(gòu)技術(shù)［J］.光學(xué)精密工程，2003，11(3):287-290.

［4］周先雁.碳纖維復(fù)合材料在土木工程中的應(yīng)用綜述［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(10):26-32.

［5］孫書偉，朱本珍.基于極限抗力分析的微型樁群加固土質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)方法［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，11(32):1671-1677.

［6］蘇媛媛，張占民.微型抗滑樁設(shè)計(jì)計(jì)算方法綜述與探討［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，7(32):222-228.

［7］王成忠.碳纖維復(fù)合材料筋的研制與性能研究［J］.施工技術(shù)，2005(7):37-39.

The research of carbon fiber composite material and the application in anti-sliding micropiles

Long Wanxue1Li Xin2* Li Changlong1Qiu Shumao2
(1.Guizhou Transportation Planning Survey＆Design Academe Co.，Ltd，Guiyang 550081，China; 2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

Based on the characteristics of carbon fiber and carbon fiber composite materials of its advantages，we discussed the possibility of carbon fiber composite material to be used in the field of civil engineering.After compares the strength of various materials，we advise that carbon fiber composite material can be applied to anti-sliding micropile，which can also provide reference of the use of carbon fiber composite material in anti-sliding micropile.

carbon fiber，carbon fiber composite material，anti-sliding micropile，CFRP

TS102.47

:A

1009-6825(2016)36-0136-02

2016-10-15

龍萬(wàn)學(xué)(1971-)，男，碩士，研究員

李 鑫(1991-)，男，在讀博士