五星形樁與圓樁水平承載性能對(duì)比模型試驗(yàn)研究

任連偉　詹俊峰　楊權(quán)威　王新泉

摘要：五星形樁是一種橫截面異形樁，是在圓樁的基礎(chǔ)上向內(nèi)切割5個(gè)圓弧，形成截面類似五星形的異形樁。按其截面性質(zhì)分為周長(zhǎng)最大化五星形樁F₁、周長(zhǎng)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(jìn)行了與圓樁的對(duì)比模型試驗(yàn)研究。試驗(yàn)用土為干砂，砂雨法土樣制作，模型樁為預(yù)制鋼筋混凝土樁，相似比為1：8。模型試驗(yàn)樁包括：五星形樁F₁、五星形樁F₂、與五星形樁F₂截面周長(zhǎng)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(yàn)采用理論計(jì)算中水平承載力最大的方向施加水平荷載，試驗(yàn)結(jié)果表明：F₁、c₁和F₂的水平極限承載力相當(dāng)，但F₂的截面面積最小，僅為c₁的0.44倍；與c₂相比，F(xiàn)₂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(guī)律基本一致，都在4倍直徑左右（五星形樁為外接圓直徑）達(dá)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(zhǎng)相同的圓形樁，但優(yōu)于截面面積相同的圓形樁。

關(guān)鍵詞：五星形樁；模型試驗(yàn)；水平承載力；砂雨法；彎矩

中圖分類號(hào)：TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2016）06-0024-08

基于提高或改善樁的承載性能，近期異形樁得到了較大發(fā)展，但水平承載性能的研究還不夠深入。賀杰對(duì)截面形式如Y形樁的水平承載性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出不同加載方向水平承載力不同。袁估等、周航等對(duì)截面形式如X形樁的承載機(jī)理及力學(xué)特性進(jìn)行了研究，得出不同于圓形樁的承載特性。鄭浩等、任連偉等對(duì)具有不同組合形式的高噴插芯組合樁進(jìn)行了水平承載性能研究，組合后的水平承載力明顯高于預(yù)制芯樁。王俊林等對(duì)大直徑擴(kuò)底樁的水平承載性能進(jìn)行了試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，擴(kuò)大頭的深度和廣度對(duì)承載力有影響。劉漢龍等對(duì)大直徑現(xiàn)澆薄壁管樁PCC進(jìn)行了水平承載性能足尺試驗(yàn)研究，其水平承載力優(yōu)勢(shì)明顯?？拙V強(qiáng)等對(duì)擴(kuò)底楔形樁的水平承載性能進(jìn)行了透明土模型試驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究了樁周及樁端土體的變形規(guī)律，擴(kuò)大頭的存在可以提高水平承載力。Choi等、Basu等對(duì)矩形截面樁的水平承載特性進(jìn)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(xué)自主研發(fā)的多功能模型槽內(nèi)進(jìn)行了周長(zhǎng)最大化五星形樁F₁、周長(zhǎng)面積比最大化五星形樁F₂、與F₂橫截面周長(zhǎng)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(duì)比模型試驗(yàn)研究，研究成果對(duì)五星形樁的進(jìn)一步應(yīng)用提供一定參考。

1.模型試驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1）模型槽模型試驗(yàn)在河南理工大學(xué)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的多功能模型槽內(nèi)進(jìn)行，模型槽如圖1所示。模型槽尺寸長(zhǎng)寬高為2m×2m×2.5m，槽壁三面為鋼板組合而成，一面由透明鋼化玻璃構(gòu)成，用以觀察試驗(yàn)中模型槽內(nèi)土的變化。

2）加載系統(tǒng)試驗(yàn)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(dǎo)，通過在吊籃里堆放砝碼，對(duì)樁頭逐級(jí)提供水平荷載，直至達(dá)到規(guī)范中所規(guī)定的試驗(yàn)終止條件出現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖2所示。采用砂雨法成樁，砂雨法落距為0.5m，如圖4所示。人工在模型槽內(nèi)撒砂，漏斗口徑為1m，高0.5m，下連2m長(zhǎng)口徑為15cm的軟管，軟管與漏斗之問為閥門相連，閥門控制撒砂速度，漏斗下出口處連接出管濾網(wǎng)，網(wǎng)眼尺寸為2mm，濾網(wǎng)與模型槽內(nèi)平鋪砂土落距為0.5m，濾網(wǎng)上栓0.5m長(zhǎng)線吊墜，在撒砂過程中對(duì)落距進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。逐層埋設(shè)樁體，直至全部樁身埋設(shè)在砂土內(nèi)。

通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)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(shí)度為60.8%?？梢?，與一般填砂相比，砂雨法可以使砂土密實(shí)度更高，均勻性進(jìn)一步得到保證，使模型試驗(yàn)結(jié)果更可靠。

2）模型樁試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆恫捎娩摻罨炷令A(yù)制模型樁，兩類五星形樁為定制鋼模澆筑而成。樁身為細(xì)石鋼筋混凝土材料，其抗壓強(qiáng)度為C25，主筋尺寸為3聲6mm、主筋問距3cm、空間布局為三角形。箍筋采用φ2mm@200mm構(gòu)成鋼筋籠。預(yù)制好的模型樁如圖5所示，五星形模型樁屬性如表1所示。

3）樁體平面布置水平載荷試驗(yàn)為2根五星形樁、2根圓樁的對(duì)比試驗(yàn)，4根樁的平面布置如圖6所示。樁問距設(shè)置為8倍的樁徑左右，樁到槽壁的距離在6倍的樁徑左右，留有較大的空問盡量降低樁與樁相互影響以及槽壁對(duì)水平載荷試驗(yàn)的影響。

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

根據(jù)模型槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(yàn)布局如圖8所示。O點(diǎn)為五星形樁形心，樁身彈性模量為E_p，樁身受力方向慣性矩為I_p，在圖8受力方向的水平荷載下A、B兩點(diǎn)應(yīng)變分別為ε_A、ε_B?？芍谑芰Ψ较蛏暇嚯x形心為y點(diǎn)處彎矩，可知A、B兩點(diǎn)彎矩分別為與，用線性內(nèi)插法得出O點(diǎn)彎矩。

由圖10～13，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，得出水平臨界荷載Hcr和水平極限荷載H_u，以及相對(duì)應(yīng)的水平位移，4根單樁的臨界荷載與極限荷載如表2所示。

由圖10～13和表1～2可以得出如下結(jié)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(xiàn)水平承載力更高，F(xiàn)₂截面形式最優(yōu)。

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F。樁在特定的加載方向上表現(xiàn)出較高的水平承載能力。同時(shí)，從表2可以看出，F(xiàn)₂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?yàn)橄嗤孛婷娣e下，圓樁c₂樁側(cè)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(zhǎng)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(diào)動(dòng)更廣更深的土體參與水平荷載的承擔(dān)，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(kuò)大效應(yīng)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(chǎn)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(jí)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0.45m（4倍樁徑）左右處達(dá)到最大，然后又逐漸減小，這與C₁的樁型有很大關(guān)系，由于試驗(yàn)中C₁截面面積最大，抗彎剛度最大，在受到水平荷載時(shí)，樁身彎矩分布的整體性更強(qiáng)，更多的區(qū)域能分擔(dān)由于樁頭受力而產(chǎn)生的彎矩。

2）五星形樁F₁樁身彎矩在0.4m處由于樁身彎矩太大導(dǎo)致應(yīng)變片破壞，在樁頭以下0.4m處出現(xiàn)很大樁身彎矩外，其他部分并沒用產(chǎn)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0.4m處產(chǎn)生了較大的樁身彎矩。

3）五星形樁F₂彎矩在0.4m（4倍外接圓直徑）處彎矩最大，加載到后期產(chǎn)生了折斷（0.5m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0.45m處（6倍樁徑）處產(chǎn)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(dá)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(diào)動(dòng)更多的土體參與水平荷載的承擔(dān)，水平承載力較高，但趨于達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)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(cè)土壓力分布

圖18～21為4根單樁樁側(cè)土壓力在逐級(jí)水平荷載下沿樁深分布圖，可以得出：

1）4根單樁樁側(cè)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(cè)土壓力主要集中在樁身上部1m范圍內(nèi)。樁頂處土壓力較小可能是由于樁頂處砂土比較松軟導(dǎo)致。

2）大圓樁C₁在荷載較小時(shí)樁側(cè)土壓力沿著樁身呈遞減趨勢(shì)，這符合試驗(yàn)中的一般規(guī)律。在較大水平荷載時(shí)呈現(xiàn)出樁頭處樁側(cè)土壓力變化不大，距離樁身0.4m（3～4倍直徑）處樁側(cè)土壓力增大，樁身1m以下樁側(cè)土壓力已經(jīng)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(cè)土壓力主要在樁身上半段。

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

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

3.結(jié)論

五星形樁是一種截面異形樁，為掌握其水平承載性能，進(jìn)行了周長(zhǎng)最大化五星形樁F₁、周長(zhǎng)面積比最大化五星形樁F₂、與五星形樁F₂截面周長(zhǎng)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(duì)比模型試驗(yàn)研究，主要結(jié)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(jià)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(xiàn)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(xiàn)出較高的水平承載能力。

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

5）樁側(cè)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(nèi)，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(cè)面積越大、抗彎剛度越大，土抗力發(fā)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(xiàn)出比圓樁更強(qiáng)的水平承載性能，但實(shí)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(yīng)性更強(qiáng)。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(yōu)于圓樁。