CN113684842B - 一种高韧性功能梯度材料抗滑桩及施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高韧性功能梯度材料抗滑桩，该抗滑桩包括：PVA‑ECC材料保护层、受拉区小粒径粗骨料混凝土、受压区大粒径粗骨料混凝土层；其中PVA‑ECC材料保护层、受拉区小粒径粗骨料混凝土层、受压区大粒径粗骨料混凝土层沿滑坡推力方向由内向外依次设置且上述不同分区同时进行浇筑。本发明根据抗滑桩截面不同受力特性进行功能分区，按照梯度结构进行不同的材料设计，本发明制备的功能梯度材料抗滑桩具有高韧性、更优的变形延性、以及抗弯与抗剪承载力。由于受拉区的钢绞线和小粒径粗骨料混凝土能够保持变形协调，同时承受滑坡推力部位设置有优异延性变形的PVA‑ECC保护层，减少开裂破坏，提升了整个桩体的韧性和抗弯能力。

Description

一种高韧性功能梯度材料抗滑桩及施工方法
技术领域
本发明属于滑坡加固技术领域，具体涉及一种高韧性功能梯度材料抗滑桩及施工方法。
背景技术
抗滑桩作为一种有效的滑坡支挡构件，它能有效地提高滑体的抗滑能力，改善滑坡的稳定性，达到整治滑坡的目的，是目前广泛使用的治理滑坡的有效措施。但是由于混凝土极限拉应变低，且钢筋的延性较差，也易发生脆性破坏，导致抗滑桩在滑坡大变形中易产生局部集中裂缝，进而引起抗滑桩结构失效，所以提高抗滑桩的韧性和抵抗较大挠度的变形可以很好地减缓抗滑桩结构失效。
目前，现有技术“后张法桩身预应力抗滑桩及施工方法”、“一种预制箱型预应力抗滑桩”主要采用的是在传统抗滑桩钢筋笼内增加钢绞线锚索的方法来提高抗滑桩抵抗大挠度变形的能力。但是，用柔性的预应力钢绞线代替钢筋，在滑坡荷载作用下，抗滑桩中钢绞线的应变大大超过了混凝土的极限拉应变，因此受拉区混凝土与钢绞线会出现变形不协调的问题。脆性的混凝土出现裂缝后会使结构失效，钢绞线并不能发挥其强度高何松弛性能好的优点。而且，脆性混凝土的开裂破坏会使钢筋、钢绞线暴露在空气外使其锈蚀，不能充分发挥钢绞线可以抵抗大变形的优点，所以效果并不理想。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种高韧性功能梯度材料抗滑桩及施工方法。采用功能梯度材料，在不同的受力区域布置相应的功能材料，使得梯度结构抗滑桩发挥最大功效抵抗滑体变形。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高韧性功能梯度材料抗滑桩，该抗滑桩包括：PVA-ECC材料保护层、受拉区小粒径粗骨料混凝土、受压区大粒径粗骨料混凝土层；
其中，所述PVA-ECC材料保护层、受拉区小粒径粗骨料混凝土层、受压区大粒径粗骨料混凝土层沿滑坡推力方向由内向外依次设置且上述不同分区同时进行浇筑。
进一步地，所述受拉区小粒径粗骨料混凝土层内设有受拉区钢绞线纵筋，垂直方向设有架立筋，拉筋设置在架立筋之间两端分别与所述架立筋连接，所述受拉区钢绞线纵筋绑扎在所述拉筋上。
进一步地，所述受压区大粒径粗骨料混凝土层内垂直方向设有架立筋，拉筋设置在架立筋之间两端分别与所述架立筋连接，所述拉筋外侧设有箍筋。
进一步地，所述受拉区钢绞线纵筋两端为弯曲布置。
进一步地，所述受压区大粒径粗骨料混凝土层的粗骨料粒径宜为30～50mm,受拉区小粒径粗骨料混凝土层的强度与受压区混凝土强度相同，其粗骨料的粒径宜为10～20mm。
进一步地，所述保护层厚度应大于50mm，进行张拉实验后，其实际延性达到1％以上。
本发明还提供一种高韧性功能梯度材料抗滑桩的施工方法，包括如下步骤：
a.在挖完桩孔后，放置钢筋笼和布置受拉区钢绞线纵筋、钢筋纵筋、箍筋、拉筋和架立筋，受拉区钢绞线纵筋底部锁定；
b.试配保护层PVA-ECC材料，进行张拉实验后，使其实际延性达到1％以上；
c.对于功能分区用隔断气囊进行隔断施工，施工前将气囊充满气，定位在不同分区的界面位置，同时对不同分区进行灌注PVA-ECC材料、小粒径粗骨料混凝土、大粒径粗骨料混凝土；
d.待浇筑振捣完成后把气囊放气抽出，完成不同功能分区的施工，同样的工序可进行下一阶段的施工，在达到设计桩体高度后，待达到混凝土设计强度的75％时，对钢绞线进行张拉施加预应力，张拉完预应力对上端封锚。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.由于受拉区的钢绞线和小粒径粗骨料混凝土能够保持变形协调，同时承受滑坡推力部位设置有高韧性和优异延性变形的PVA-ECC保护层，减少局部开裂破坏，提升了整个桩体的韧性和抗弯能力，同时可以更好地保护桩体内部钢筋和钢绞线的锈蚀。此外，PVA-ECC与普通混凝土有很好的粘结效果，不存在分层和连接界面性能下降等问题。
2.在抗滑桩的受拉区，钢绞线和小粒径粗骨料混凝土协调变形，可以充分发挥钢绞线的性能，有效防止在大变形或者突发情况下结构的脆性破坏。在抗滑桩的受压区混凝土中粗骨料为大粒径玄武岩碎石，也可以和受压区配置的钢筋变形协调，共同承担滑坡荷载。
3.抗滑桩施工绝大多数是现浇混凝土的形式，由于对于不同分区采用不同的材料进行浇筑，所以采用隔断气囊对不同分区进行隔断同时浇筑，浇筑完可以泄气拿出气囊重复利用，隔断气囊可以有效的隔绝不同的材料之间的相互渗透，很好的解决了高韧性功能梯度材料抗滑桩施工上的困难。
附图说明
图1为本发明实施例的抗滑桩在滑坡体上示意图；
图2为本发明实施例的抗滑桩结构横向剖面图；
图3为本发明实施例的功能梯度抗滑桩结构和施工示意图；
图4为本发明实施例的抗滑桩与传统抗滑桩结构试验荷载位移曲线对比图；
图中：1-PVA-ECC材料，2-受拉区小粒径粗骨料混凝土层，3-受压区大粒径粗骨料混凝土层，4-受拉区钢绞线纵筋，5-钢筋纵筋，6-箍筋，7-拉筋，8-架立筋,9-隔断气囊。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明技术方案和具体实施方式进行清楚和完整地描述。
请见图1～图4,本发明提供的一种高韧性功能梯度材料抗滑桩及施工技术，包括PVA-ECC材料保护层1、受拉区小粒径粗骨料混凝土层2、受压区大粒径粗骨料混凝土层3、受拉区钢绞线纵筋4、钢筋纵筋5、箍筋6、拉筋7、架立筋8、隔断气囊9。
本实施例的抗滑桩以受弯构件来考虑，按照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)进行配筋计算。
本实施例的架立钢筋8为带肋钢筋，直径应大于20mm。纵向受力钢筋应以对焊或螺纹连接为主。
本实施例的钢绞线为光圆钢绞线。钢绞线是由多根高强度钢丝构成的绞合钢缆，并经过了稳定化处理，极限抗拉强度标准值fptk＝1860MPa。
本实施例的箍筋6宜采用封闭式。支数不宜多于4肢，其直径在10～16mm之间，间距应小于500mm。
本实施例的拉筋6可采用热轧带肋钢筋。拉筋长度应根据计算确定。拉筋的排列要符合构造要求。
本实施例的几何中性轴受压区普通混凝土的粗骨料粒径宜为30～50mm的玄武岩碎石。
本实施例的钢绞线布设区混凝土强度与受压区混凝土强度相同，其粗骨料宜为10～20mm小粒径的玄武岩碎石。
本实施例的钢筋笼的混凝土保护层为50mm。
本实施例的混凝土配合比的设计过程如下：
(1)首先按混凝土强度要求选择水泥，按水泥实际强度和混凝土强度统计标准差确定配制强度fcu,0。然后根据配制强度fcu,0与水灰比W/B、水泥实际强度fb的关系确定水灰比，水灰比的计算公式如下：
Figure BDA0003231343650000041
式中，αa和αb为回归系数，αa＝0.53，αb＝0.20。
(2)在初步确定水灰比后，根据和易性的要求确定砂率和用水量，得到计算配合比。
(3)在计算配合比的基础上，通过试验并结合施工现场的条件调整计算配合比，得到最终的施工配合比。
本实施例的PVA-ECC配合比的设计过程如下：
调节水胶比，粉煤灰与水泥的比例，砂胶比以及减水剂的用量，PVA纤维的掺量一般不宜超过2％，超过该值便很难在基体中分散纤维，纤维易结团，不断调节比例，选取最优配合比用于实际工程中替换桩体受拉区保护层的材料，同样浇筑过程中要及时振捣。
浇筑前要固定好隔断气囊的位置，使气囊充满气，3种材料同时浇筑，并在浇筑完后泄气，抽出气囊。
预应力施工主要是在混凝土达到设计强度75％，下端锚固端用锚具锁死，上端进行张拉，张拉完48小时内进行注浆封锚。
本实施例的养护：混凝土施工完毕后，要进行及时的洒水养护。
通过对这种新型抗滑桩的室内结构试验，可得相比于传统钢筋混凝土抗滑桩而言极限弯矩提高了约79％；抗剪承载力提高了约90％，该种新型抗滑桩的弯曲韧度/吸能能力明显优于传统抗滑桩，同时在正常使用极限状态下，通过实验数据得这种新型桩相对于传统的抗滑桩的变形能力提升了211％，在承载力极限状态下，变形能力提升了10％。通过试验验证说明新型抗滑桩无论是在强度上还是变形上都有很大的提升，值得进一步应用推广。
如图4所示为抗滑桩与传统抗滑桩结构试验荷载位移曲线对比图，从图中可以看出新型抗滑桩承载能力和延性上都要优于传统抗滑桩。
上述实施例只是用于对本发明的举例和说明，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明不局限于上述实施例，根据本发明教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种高韧性功能梯度材料抗滑桩，其特征在于，该抗滑桩包括：PVA-ECC材料保护层、受拉区小粒径粗骨料混凝土层、受压区大粒径粗骨料混凝土层；所述受压区大粒径粗骨料混凝土层的粗骨料粒径宜为30~50mm,受拉区小粒径粗骨料混凝土层的强度与受压区混凝土强度相同，其粗骨料的粒径宜为10~20mm；所述受拉区小粒径粗骨料混凝土层内设有受拉区钢绞线纵筋，垂直方向设有架立筋，拉筋设置在架立筋之间，两端分别与所述架立筋连接，所述受拉区钢绞线纵筋绑扎在所述拉筋上；
其中，所述PVA-ECC材料保护层、受拉区小粒径粗骨料混凝土层、受压区大粒径粗骨料混凝土层沿滑坡推力方向由内向外依次设置且上述不同分区同时进行浇筑。
2.根据权利要求1所述的一种高韧性功能梯度材料抗滑桩，其特征在于，所述受压区大粒径粗骨料混凝土层内垂直方向设有架立筋，拉筋设置在架立筋之间，两端分别与所述架立筋连接，所述拉筋外侧设有箍筋。
3.根据权利要求1所述的一种高韧性功能梯度材料抗滑桩，其特征在于，所述受拉区钢绞线纵筋两端为弯曲布置。
4.根据权利要求1所述的一种高韧性功能梯度材料抗滑桩，其特征在于，所述PVA-ECC材料保护层厚度应大于50mm，进行张拉实验后，其实际延性达到1%以上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种高韧性功能梯度材料抗滑桩的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.在挖完桩孔后，放置钢筋笼和布置受拉区钢绞线纵筋、钢筋纵筋、箍筋、拉筋和架立筋，受拉区钢绞线纵筋底部锁定；
b.试配保护层PVA-ECC材料，进行张拉实验后，使其实际延性达到1%以上；
c.对于功能分区用隔断气囊进行隔断施工，施工前将气囊充满气，定位在不同分区的界面位置，同时对不同分区进行灌注PVA-ECC材料、小粒径粗骨料混凝土、大粒径粗骨料混凝土；
d.待浇筑振捣完成后把气囊放气抽出，完成不同功能分区的施工，同样的工序可进行下一阶段的施工，在达到设计桩体高度后，待达到混凝土设计强度的75%时，对钢绞线进行张拉施加预应力，张拉完预应力对上端封锚。
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