木桩的材料力学性能试验研究

ＶｏＩ．５３　ＮＯ．１　工程与试验ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＴＥＳＴ　Ｍａｒ．２Ｏ１３　木桩的材料力学性能试验研究　邱　玲　，盛维高　，王山山　（１．河海大学力学与材料学院，江苏南京２１００９８；２．江苏省淮沭新河管理处，江苏淮安２２３００１）　摘要：木桩复合地基能提高软弱地基的承载能力。杨庄闸是江苏现存最早的水工建筑物，已投入使用７ｏ多年，　工程主体结构已呈现明显的老化、病害等现象，对其进行保护性加固和修复十分必要。为合理有效地进行工程的　加固修复，采用现场取样的方法，对底板下的木桩材料力学性能进行试验研究。试验主要测试木桩材料的抗压强　度、抗压弹性模量、抗弯强度和抗弯弹性模量。试验结果为工程的加固修复设计与施工提供了依据。　关键词：木桩；材料；力学性能；试验；加固　中图分类号：ＴＵ４７３．１　３　文献标识码：Ｂ　ｄｏｉ：ｌ０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—３４０７．２０１３．０ｌ＿００８　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　Ｔｉｍｂｅｒ　Ｐｉｌｅ　Ｑｉｕ　Ｌｉｎｇ　，Ｓｈｅｎｇ　Ｗｅｉｇａｏ。，Ｗａｎｇ　Ｓｈａｎｓｈａｎ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｈｏｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９８，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｈｕａｉｓｈｕ　Ｒｉｖｅｒ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｈｕａｉａｎ　２２３００１，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｇｒｏｕｎｄｗｏｒｋ　ｗｉｔｈ　ｔｉｍｂｅｒ　ｐｉｌｅ　ｈａｓ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ．Ｙａｎｇｚｈｕａｎｇ　ｆｌｏｏｄｇａｔｅ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｏｒｋｅｄ　ｆｏｒ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　ｓｅｖｅｎｔｙ　ｙｅａｒｓ　ａｎｄ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄａｍａｇｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ｓｏ，ｉｔ　ｉＳ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ｔｈｉｓ　ｗｏｒｋ，ｔｈｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｍｅ—　ｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｓｐｅｃｉｍｅｎ　ｆｒｏｍ　ｉｎ　ｓｕｉｔ　ｔｉｍｂｅｒ　ｐｉｌｅ　ａｒｅ　ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｍｏｄｕｌｕｓ，ｂｅｎｄｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ａｎｄ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｍｏｄｕｌｕｓ　ａｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａＩ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｉｍｂｅｒ　ｐｉｌｅ；ｍａｔｅｒｉａｌ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｔｅｓｔ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　中上游护坦基础５９４根、闸底板基础６９０根、下游消　１　前　言　木桩是工程上历史悠久的一种桩型。由于其浸　泡在水中具有耐久性和不易腐朽的特点，木桩曾广　泛应用于工程实践中。木桩复合地基不仅能提高软　弱地基的承载能力，而且其刚度相对于钢筋混凝土　桩或深层搅拌法的复合地基具有更好的变形协调　力池基础３７８根。胸墙底高程为１３．６ｍ，闸墩顶高　程为１６．５ｍ，上游护坦底高程７．０ｍ，下游消力池底　高程为７．０ｍ；工作桥净宽３．４ｍ，顶高程１７．０ｍ。由　于杨庄闸已投入使用７Ｏ多年，工程主体结构已呈现　明显的老化、病害等现象。　杨庄闸是具有代表性的历史古闸，至今仍在运　行，系江苏现存最早的水工建筑物，对其进行保护性　加固和保护性加固研究是十分必要的。为此，需要　对杨庄闸作出比较可靠、符合实际的评价，其中的关　性，可有效减少地基的不均匀沉降　］。　杨庄闸位于江苏省淮安市西郊活动坝，始建于　１９３６年，共５孔，单孑Ｌ净宽ｌＯｍ，净高６．６ｍ，闸总宽　６７．７ｍ，总长８９．４ｍ，设计流量７５０ｍ。／ｓ，设计水位　１　５．０ｍ。主要结构形式为：基础为１　６６２根木桩，其　键是要对底板下的桩基状况进行评价。本文采用现　场取样的方法，对底板下的木桩的材料力学性能进　行试验研究，为工程的加固修复提供依据。　［收稿日期］２０１３—０１—０５　［作者简介］邱玲（１９６６一），女，湖南湘潭人，学士，高级实验师，主要从事材料力学性能试验研究工作。　・　２４　・　邱玲，等：木桩的材料力学性能试验研究　２试验内容　由于木材为各向异性材料，木材的力学性能具　有很多参数【　］。本文主要测试抗压强度、抗压弹　性模量、抗弯强度、抗弯弹性模量，以便为加固工程　的设计和施工提供基本参数。　抗压强度按下式计算：　一　（１）　图１　抗压强度试验照片　式中：　一抗压强度，ＭＰａ；Ｐ…一破坏荷载，Ｎ；　６一试件宽度，ｍｍ；￡一试件厚度，ｍｍ。　抗压弹性模量按下式计算：　Ｅ．，－－　（２）　一１９９５）进行。木材试件尺寸为２０ｍｍ×２０ｒａｍ×　６０ｒａｍ，长度为顺纹方向，含水量为２８．７５％。图２　为试验木材抗压弹性模量试验照片。　式中：　．一抗压弹性模量，ＭＰａ；　一上限与下　限荷载之差，Ｎ；ｌ一引伸仪的基距，ｍｍ；ｂ一试件宽　度，ｍｍ；ｔ一试件厚度，ｍｍ；△ｚ一上限与下限荷载问　的变形值，ｍｍ。　抗弯强度按下式计算：　．・　知一　知一■　㈤０　　式中：‰一抗弯强度，ＭＰａ；Ｐ　一破坏荷载，　Ｎ；ｚ一两支座间跨距，ｍｍ；６一试件宽度，ｍｍ；ｈ一试　件高度，ｍｍ。　图２　抗压弹性模量试验照片　抗弯弹性模量按下式计算：　一　（４）　加荷的下限荷载为１０００Ｎ，上限荷载为４０００Ｎ。　试验木材抗压弹性模量试验应变片读数见表１。　表１　试验木材抗压弹性模量试验应变片读数　式中：Ｅ　，一抗弯弹性模量，ＭＰａ；Ｐ一上限与下　限荷载之差，Ｎ；ｚ一两支座间跨距，ｍｍ；ｂ一试件宽　荷载　１０００Ｎ　应变１　一２０９　应变２　—２７５　平均值　—２４２　度，ｍｍ；ｈ一试件高度，ｍｍ；－厂一上限与下限荷载间　的试件变形值，ｍｍ。　第一次　４０００Ｎ　一９９２　—１１００　—１０４６　３　试验结果　３．１抗压强度试验　１０００Ｎ——２１４一９９７　——２２３一１０Ｏ３　——２９１—１１１９　——３０６—１１４０　——２５３　—１Ｏ５８　——２６５　—１Ｏ７２　第二次　４０００Ｎ　１０００Ｎ抗压强度试验根据中华人民共和国国家标准　《木材顺纹抗压强度试验方法》（ＣＢ／Ｔ　１９３５—２００９）　进行。试件尺寸为３０ｒａｍ×２０ｍｍ×２０ｒａｍ，长度为　顺纹方向，含水量为２８．７５　。图１为木材抗压强　度试验照片。　第三次　４０００Ｎ　根据式（２），试验木材抗压弹性模量为９．３２×　１０　ＭＰａ。　３．３抗弯强度试验　抗弯强度试验根据中华人民共和国国家标准　《木材抗弯强度试验方法》（ＧＢ／Ｔ　１９３６．１—２００９）进　行。试验木材试件尺寸为３００ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍ，　长度为顺纹方向，含水量为２８．７５％。图３为试验　木材抗弯强度试验照片。　・　试验破坏荷载为６３５１Ｎ。根据式（１）得试验木　材抗压强度为１５．８８ＭＰａ。　３．２抗压弹性模量试验　抗压弹性模量试验根据中华人民共和国国家标　准《木材顺纹抗压弹性模量测定方法》（ＧＢ／Ｔ　１５７７７　２５　・　工程与试验　表２试验木材抗弯弹性模量试验变形读数（ｎ¨ｎ）　根据式（４），试验木材抗弯弹性模量为７．３６×　１０。ＭＰａ。　４　结　论　图３抗弯强度试验照片　木桩复合地基不仅能提高软弱地基的承载能　试验破坏荷载为１２１８Ｎ，两支座间跨距为　２４０ｒａｍ。根据式（３）得试验木材抗弯强度为　１８．０４ＭＰａ。　力，而且其刚度相对于钢筋混凝土桩或深层搅拌法　的复合地基具有更好的变形协调性，可有效减少地　基的不均匀沉降。　为合理有效地对杨庄闸进行工程加固修复，采　用现场取样的方法，对底板下的木桩的材料力学性　能进行试验研究，主要测试抗压强度、抗压弹性模　３．４抗弯弹性模量试验　抗弯弹性模量试验根据中华人民共和国国家标　准《木材抗弯弹性模量测定方法》（ＧＢ／Ｔ　１９３６．２—　２００９）进行。试验木材试件尺寸为３００ｍｍ×２０ｍｍ　×２０ｍｍ，长度为顺纹方向，含水量为２８．７５　。图４　量、抗弯强度和抗弯弹性模量，为工程的加固修复的　设计与施工提供了依据。　为试验木材抗弯弹性模量试验照片。　参考文献　［１］何剑波．木桩在给水工程软地基处理中的应用Ｉ－ｊ］．市　政技术，２００７，２５（５）：３９２—３９３．　Ｅ２］刘红欣．各向异性材料（木材）的单轴拉伸和压缩实验　［Ｊ］．实验技术与管理，２００７，２４（１Ｏ）：２４５—２５７．　［３］雷亚芳，冉鲁威，李增超，等．色木径向、弦向、非标准向　压缩木的主要力学性能［Ｊ］．西北林学院学报，２０００，１５　（２）：２９—３２．　Ｅ４］窦金龙，汪旭光，刘云川，等．干、湿木材的的动态力学　图４抗弯弹性模量试验照片　性能及破坏机制研究［Ｊ］．固体力学学报，２００８，２９（４）：　３４８—３５３．　加荷的下限荷载为２００Ｎ，上限荷载为４００Ｎ。　试验木材抗弯弹性模量试验变形读数见表２。　［５］郭志仁，张厚江．木质材料力学性能无损检测技术研究　现状与发展趋势［Ｊ］．林业机械与木工设备，２ｏｌｏ，３８　（４）：４—６．　・　２６　・