五星形樁與圓樁水平承載性能對比模型試驗研究

任連偉, 詹俊峰, 楊權威, 王新泉

(1. 河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000；2. 浙江大學 城市學院，杭州 310015)

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五星形樁與圓樁水平承載性能對比模型試驗研究

任連偉1, 詹俊峰1, 楊權威1, 王新泉2

(1. 河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000；2. 浙江大學 城市學院，杭州 310015)

五星形樁是一種橫截面異形樁，是在圓樁的基礎上向內切割5個圓弧，形成截面類似五星形的異形樁。按其截面性質分為周長最大化五星形樁F1、周長面積比最大化五星形樁F2兩種樁型，為掌握五星形樁的水平承載性能進行了與圓樁的對比模型試驗研究。試驗用土為干砂，砂雨法土樣制作，模型樁為預制鋼筋混凝土樁，相似比為1∶8。模型試驗樁包括：五星形樁F1、五星形樁F2、與五星形樁F2截面周長相同的圓樁C1、與五星形樁F2截面面積相同的圓樁C2。由于五星形樁水平承載性能具有方向性，試驗采用理論計算中水平承載力最大的方向施加水平荷載，試驗結果表明：F1、C1和F2的水平極限承載力相當，但F2的截面面積最小，僅為C1的0.44倍；與C2相比，F2的水平極限承載力是其1.63倍，可見,合理截面形式的五星形樁可以提供更大的水平承載能力；五星形樁與圓樁彎矩分布規律基本一致，都在4倍直徑左右(五星形樁為外接圓直徑)達到最大，但五星形樁截面面積小，抗彎剛度不足，容易折斷，總體水平承載性能不及截面周長相同的圓形樁，但優于截面面積相同的圓形樁。

五星形樁；模型試驗；水平承載力；砂雨法；彎矩

基于提高或改善樁的承載性能，近期異形樁得到了較大發展，但水平承載性能的研究還不夠深入。賀杰[1]對截面形式如Y形樁的水平承載性能進行了試驗研究，得出不同加載方向水平承載力不同。袁佶等[2]、周航等[3-4]對截面形式如X形樁的承載機理及力學特性進行了研究，得出不同于圓形樁的承載特性。鄭浩等[5]、任連偉等[6]對具有不同組合形式的高噴插芯組合樁進行了水平承載性能研究，組合后的水平承載力明顯高于預制芯樁。王俊林等[7]對大直徑擴底樁的水平承載性能進行了試驗及數值模擬研究，擴大頭的深度和廣度對承載力有影響。劉漢龍等[8]對大直徑現澆薄壁管樁PCC進行了水平承載性能足尺試驗研究，其水平承載力優勢明顯。孔綱強等[9]對擴底楔形樁的水平承載性能進行了透明土模型試驗研究，重點研究了樁周及樁端土體的變形規律，擴大頭的存在可以提高水平承載力。Choi等[10]、Basu等[11]對矩形截面樁的水平承載特性進行了研究。

五星形樁是也是一種截面異形樁，為探索五星形樁的水平承載性能，在河南理工大學自主研發的多功能模型槽內進行了周長最大化五星形樁F1、周長面積比最大化五星形樁F2、與F2橫截面周長相同的圓樁C1、與F2橫截面面積相同的圓樁C2水平承載性能對比模型試驗研究，研究成果對五星形樁的進一步應用提供一定參考。

1 模型試驗

1.1 實驗設備

1)模型槽 模型試驗在河南理工大學自主研發設計的多功能模型槽內進行，模型槽如圖1所示。模型槽尺寸長寬高為2 m×2 m×2.5 m，槽壁三面為鋼板組合而成，一面由透明鋼化玻璃構成，用以觀察試驗中模型槽內土的變化。

2)加載系統 試驗中水平荷載通過水平向拉樁頭的方式提供，主要方法為通過鋼繩一端固定樁頭，鋼繩另一端與豎向吊籃相連，鋼繩方向通過固定在模型槽外伸橫梁引導，通過在吊籃里堆放砝碼，對樁頭逐級提供水平荷載，直至達到規范中所規定的試驗終止條件出現[12-13]。現場試驗照片如圖2所示。

圖1 模型槽全景圖Fig. 1 Full view of

圖2 水平載荷試驗Fig. 2 The horizontal

1.2 模型試驗

1)砂雨法施工 用土為砂性土，為河砂經曬干后過篩去除雜質而成。其篩分試驗結果如圖3所示，屬于級配不良砂，其基本參數為：密度ρ= 1.65 g/cm3，內摩擦角φ= 42°，壓縮模量Es= 15.31 MPa。

圖3 砂土顆分試驗結果曲線Fig.

采用砂雨法[14-15]成樁，砂雨法落距為0.5 m，如圖4所示。人工在模型槽內撒砂，漏斗口徑為1 m，高0.5 m，下連2 m長口徑為15 cm的軟管，軟管與漏斗之間為閥門相連，閥門控制撒砂速度，漏斗下出口處連接出管濾網，網眼尺寸為2 mm，濾網與模型槽內平鋪砂土落距為0.5 m，濾網上栓0.5 m長線吊墜，在撒砂過程中對落距進行實時控制。逐層埋設樁體，直至全部樁身埋設在砂土內。

圖4 砂雨法施工Fig.

通過室內試驗測得砂土的最大孔隙比為0.855，砂雨法后的最小孔隙比為0.522，天然孔隙比為0.653，從而得到密實度為60.8%。可見，與一般填砂相比，砂雨法可以使砂土密實度更高，均勻性進一步得到保證，使模型試驗結果更可靠。

2)模型樁 試驗模型樁采用鋼筋混凝土預制模型樁，兩類五星形樁為定制鋼模澆筑而成。樁身為細石鋼筋混凝土材料，其抗壓強度為C25，主筋尺寸為3φ6 mm、主筋間距3 cm、空間布局為三角形。箍筋采用φ2 mm@200 mm構成鋼筋籠。預制好的模型樁如圖5所示，五星形模型樁屬性如表1所示。

圖5 模型試驗樁Fig. 5 Model test piles

Table 1 Model pile parameters

樁型凹弧x/(°)樁外包圓半徑r/mm截面周長/mm截面面積/mm2與F2周長比與F2面積比抗彎剛度/(kN·m2)F120．95036258691．021．33840F22950356．4439711513C156．7356．41010712．32273C237．2233．643970．661421

3)樁體平面布置 水平載荷試驗為2根五星形樁、2根圓樁的對比試驗，4根樁的平面布置如圖6所示。樁間距設置為8倍的樁徑左右，樁到槽壁的距離在6倍的樁徑左右，留有較大的空間盡量降低樁與樁相互影響以及槽壁對水平載荷試驗的影響。

4)樁體測試元件布置 在水平力加載方向上沿著樁身前后兩側布置土壓力盒，土壓力盒水平方向距離樁身5 cm，樁身方向上樁頂處土壓力盒距離樁頂10 cm，然后每隔30 cm布置土壓力盒；沿著水平力加載方向樁身前后粘貼應變片，樁頂處應變片距離樁頂10 cm，然后每隔30 cm布置應變片，用以測量樁身彎矩，土壓力盒、應變片粘貼位置如圖7所示。

圖6 4根單樁樁布置平面圖Fig.

圖7 檢測儀器布置圖Fig.

根據模型槽的結構特點及五星形樁水平向受力具有方向性，尖角方向水平力小于凹弧方向水平力，單樁水平載荷試驗布局如圖8所示。O點為五星形樁形心，樁身彈性模量為Ep，樁身受力方向慣性矩為Ip，在圖8受力方向的水平荷載下A、B兩點應變分別為εA、εB。可知在受力方向上距離形心為y點處彎矩，可知A、B兩點彎矩分別為與，用線性內插法得出O點彎矩。

圖8 彎矩計算示意圖Fig.

2 試驗結果

2.1 臨界荷載與極限荷載

根據單樁水平試驗得出了4根單樁水平力位移曲線如圖9所示。

圖9 4根單樁水平荷載位移曲線Fig. 9 Horizontal load-horizontal displacement

由圖9可以看出，4根單樁里C2樁水平承載力較小，C1、F1、F23個曲線相近，做出4根單樁水平位移梯度曲線如圖10～13所示

圖10 C1樁位移梯度曲線Fig. 10 Horizontal force-displacement gradient of C1

圖11 C2樁位移梯度曲線Fig. 11 Horizontal force-displacement gradient of C2

圖12 F1樁位移梯度曲線Fig. 12 Horizontal force-displacement gradient of F1

圖13 F2樁位移梯度曲線Fig. 13 Horizontal force-

由圖10～13，根據現行規范[12-13]，得出水平臨界荷載Hcr 和水平極限荷載Hu，以及相對應的水平位移，4根單樁的臨界荷載與極限荷載如表2所示。

表2 四根單樁水平荷載及對應位移

Table 2 Horizontal load and the corresponding displacement

由圖10～13和表1～2可以得出如下結論。

1)五星形樁F1是F2的水平極限承載力的1.08倍，但截面面積是F2的1.33倍；圓樁C1的水平極限承載力是F2的1.08倍，但其截面面積是F2的2.3倍，可見五星形F2樁單位混凝土貢獻水平承載力更高，F2截面形式最優。

2)與F2樁相比，圓樁C2的水平極限承載力是F2的0.62倍，但兩根樁截面面積相同，可見F2樁在特定的加載方向上表現出較高的水平承載能力。同時，從表2可以看出，F2樁抗彎剛度是C2的水1.22倍，可見，與C2相比，五星形樁F2抗彎剛度有所提高，水平承載力得到較大提高(特定方向上)。

3)與五星形樁F2截面面積相同的小圓樁C2的臨界荷載與極限荷載均最小，這是因為相同截面面積下，圓樁C2樁側表面積較小，使得C2與樁周土接觸有限，參與提供水平承載力的土體范圍和廣度有限，故在相同水平荷載下樁頭顯示出更大的水平位移，即更小的臨界荷載與極限荷載。

4)與五星形樁F2截面周長相同的大圓樁C1，其臨界荷載較小，極限荷載較五星形樁略大。C1的抗彎剛度是F2的4.43倍，抵抗更大的水平變形，調動更廣更深的土體參與水平荷載的承擔，所以水平極限承載力大。

5)2根五星形樁F1與F2臨界荷載相同，比圓樁大，這說明在加載初期，五星形異形截面的存在增加了抵抗水平變形的能力，異形擴大效應明顯；但加載后期，由于五星形樁截面面積小，抗彎剛度不足，易產生樁身折斷，極限承載力不足。

2.2 樁身彎矩分布

4根單樁樁身彎矩在各級水平荷載作用下隨深度變化曲線如圖14～17所示，可以得出：

1)大圓樁C1樁身彎矩沿著樁頭向下逐漸增大，在0.45 m(4倍樁徑)左右處達到最大，然后又逐漸減小，這與C1的樁型有很大關系，由于試驗中C1截面面積最大，抗彎剛度最大，在受到水平荷載時，樁身彎矩分布的整體性更強，更多的區域能分擔由于樁頭受力而產生的彎矩。

圖14 C1樁身彎矩Fig.

圖15 C2樁身彎矩Fig.

圖16 F1樁身彎矩Fig. 16 The moment distribution of F1 pile

圖17 F2樁身彎矩及折斷圖Fig.

2)五星形樁F1樁身彎矩在0.4 m處由于樁身彎矩太大導致應變片破壞，在樁頭以下0.4 m處出現很大樁身彎矩外，其他部分并沒用產生更大的樁身彎矩，這說明由于五星形樁截面形狀的原因主要在樁頭以下0.4 m處產生了較大的樁身彎矩。

3)五星形樁F2彎矩在0.4 m(4倍外接圓直徑)處彎矩最大，加載到后期產生了折斷(0.5 m處，5倍外接圓直徑)，如圖17所示；小圓樁C2樁身彎矩分布與F2相似，在0.45 m處(6倍樁徑)處產生了裂紋。

可見，4根樁彎矩在4倍樁徑(五星形樁是外接圓直徑)左右達到最大，抗彎剛度與截面面積成正比，所以截面面積較小的五星形樁雖能調動更多的土體參與水平荷載的承擔，水平承載力較高，但趨于達到混凝土的抗拉強度，易于折斷。所以，從總的承載性能來說，圓形樁工程安全度比五星形樁高。

2.3 樁側土壓力分布

圖18～21為4根單樁樁側土壓力在逐級水平荷載下沿樁深分布圖，可以得出：

1)4根單樁樁側土壓力在樁頭附近較小，然后沿著樁頭向下逐漸增大后又逐漸減小，樁側土壓力主要集中在樁身上部1 m范圍內。樁頂處土壓力較小可能是由于樁頂處砂土比較松軟導致。

2)大圓樁C1在荷載較小時樁側土壓力沿著樁身呈遞減趨勢，這符合試驗中的一般規律。在較大水平荷載時呈現出樁頭處樁側土壓力變化不大，距離樁身0.4 m(3～4倍直徑)處樁側土壓力增大，樁身1 m以下樁側土壓力已經很小，基本可以忽略，也就是說大圓樁C1在水平荷載作用下樁側土壓力主要在樁身上半段。

3)小圓樁C2在荷載較小時樁側土壓力沿著樁身逐漸遞減，在受到較大荷載時樁頂處樁側土壓力基本無變化，距離樁身0.4 m(5～6倍直徑)處樁側土壓力達到最大，樁身1 m以下側土壓力較小。在距離樁頭1.4 m處樁側土壓力有小范圍增大，這可能是由于小圓樁的剛性扭轉，對樁側土壓力產生了土壓力。

圖18 C1樁側土壓力Fig. 18 Lateral earth pressure of C1

圖19 C2樁側土壓力Fig.

圖21 F2樁側土壓力Fig.

4)五星形樁F1樁側土壓力沿樁身分布趨勢與圓樁接近，在4倍的外接圓直徑處土壓力達到最大；不同之處是在距離樁身0.4 m到0.7 m范圍樁側土壓力減小較慢，五星形異形截面的存在帶動了更廣范圍的土體參與水平荷載的承擔。

3 結論

五星形樁是一種截面異形樁，為掌握其水平承載性能，進行了周長最大化五星形樁F1、周長面積比最大化五星形樁F2、與五星形樁F2截面周長相同的圓樁C1以及與五星形樁F2截面面積相同的圓樁C24根單樁對比模型試驗研究，主要結論如下：

1)五星形樁F1是F2的水平極限承載力的1.08倍，但截面面積是F2的1.33倍，可見五星形樁F2的“性價比”更高。

2)與F2樁相比，圓樁C1的水平極限承載力是F2的1.08倍，但其截面面積是F2的2.3倍，可見五星形F2樁單位混凝土貢獻水平承載力更高。

3)與F2樁相比，圓樁C2的水平極限承載力是F2的0.62倍，但兩根樁截面面積相同，可見F2樁在特定的加載方向上表現出較高的水平承載能力。

4)4根樁的樁身彎矩分布規律大體相同，在4倍樁徑(五星形樁為外接圓半徑)左右達到最大；五星形樁雖能調動更多的土體參與水平荷載的承擔，但趨于達到混凝土的抗拉強度，易于折斷，工程安全度不高。

5)樁側土壓力主要分布在10倍樁徑(五星形樁為外接圓直徑)范圍內，其下到樁底土壓力偏小，可見水平承載力主要由上部土體提供，樁側面積越大、抗彎剛度越大，土抗力發揮程度更高、范圍更廣。

6)需要指出的是，五星形樁在指定加載方向上表現出比圓樁更強的水平承載性能，但實際工程中樁承受的水平承載力方向是不確定的，因此,圓樁的適應性更強。另外，五星形樁截面面積小，抗彎剛度不足，容易折斷。所以，五星形樁雖在某些方向上水平承載力高于圓樁，但總體承載性能方面不一定優于圓樁。

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(編輯 胡玲)

Model test analysis of the horizontal bearing capacity between five-star-shaped piles and ordinary round pile

RenLianwei1,ZhanJunfeng1,YangQuanwei1,WangXinquan2

(1.School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, Henan, P.R. China;2. Department of Civil Engineer,school of City College Zhejiang University, Hangzhou 310015, P.R. China)

Five-star-shaped-pile is a new type of cross section special shaped pile, which is formed by cutting five circular arcs in a circle pile. Five-star-shaped-pile is divided into two categories according to the nature of its cross section, the circumference of the maximum of five star shaped pilesF1and the perimeter area ratio of the maximum of the five-star pileF2. The experimental research on the comparison of four single piles in dry sand by sand pouring method is carried out to explore the horizontal bearing capacity of five-star-shaped piles. Similarity ratio is 1∶8. These four single piles are: Maximum ratio of perimeter and area of the five star shaped pileF1，the maximum of the circumference of the five star shaped pileF2，round pileC1with the same section ofF2, round pileC2with the same cross-sectional area ofF2. The test results show that: 1) the horizontal bearing capacity ofF2,C1andF1are near, but the section area ofF2is the minimum, and it is only 0.44 times ofC1; 2) the horizontal bearing capacity ofF2is 1.63 times ofC2, so it is concluded that the reasonable section form can improve the horizontal bearing capacity; 3) the moment distribution of four single piles is largely consistent, and the moment reach the maximum at 0.4 m; but the section of five-star-shaped pile is small, and the bending stiffness is not enough and it is easy to break; so the whole horizontal bearing capacity is less than that ofC1but better than that ofC2.

five-star-shaped pile; model test; horizontal bearing; sand pouring; moment

2016-05-23

國家自然科學基金(51308497);河南省教育廳科技攻關項目(14A560015)

任連偉(1980- )，男，博士，副教授，主要從事地基與基礎相關的教學與科研工作,(E-mail)renhpu@163.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No.51308497); Technology Research Project of Education Department in Henan (No.14A560015)

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.06.004

TU473.1

A

1674-4764(2016)06-0024-08

Received:2016-05-23

Author brief：Ren Lianwei (1980-), PhD, associate professor, main research interests: ground improvement and pile foundation,(E-mail)renhpu@163.com.