五星形桩与圆桩水平承载性能对比模型试验研究

任连伟　詹俊峰　杨权威　王新泉

摘要：五星形桩是一种横截面异形桩，是在圆桩的基础上向内切割5个圆弧，形成截面类似五星形的异形桩。按其截面性质分为周长最大化五星形桩F₁、周长面积比最大化五星形桩F₂两种桩型，为掌握五星形桩的水平承载性能进行了与圆桩的对比模型试验研究。试验用土为干砂，砂雨法土样制作，模型桩为预制钢筋混凝土桩，相似比为1：8。模型试验桩包括：五星形桩F₁、五星形桩F₂、与五星形桩F₂截面周长相同的圆桩C₁、与五星形桩F₂截面面积相同的圆桩C2。由于五星形桩水平承载性能具有方向性，试验采用理论计算中水平承载力最大的方向施加水平荷载，试验结果表明：F₁、c₁和F₂的水平极限承载力相当，但F₂的截面面积最小，仅为c₁的0.44倍；与c₂相比，F₂的水平极限承载力是其1.63倍，可见，合理截面形式的五星形桩可以提供更大的水平承载能力；五星形桩与圆桩弯矩分布规律基本一致，都在4倍直径左右（五星形桩为外接圆直径）达到最大，但五星形桩截面面积小，抗弯刚度不足，容易折断，总体水平承载性能不及截面周长相同的圆形桩，但优于截面面积相同的圆形桩。

关键词：五星形桩；模型试验；水平承载力；砂雨法；弯矩

中图分类号：TU473.1

文献标志码：A

文章编号：1674-4764（2016）06-0024-08

基于提高或改善桩的承载性能，近期异形桩得到了较大发展，但水平承载性能的研究还不够深入。贺杰对截面形式如Y形桩的水平承载性能进行了试验研究，得出不同加载方向水平承载力不同。袁估等、周航等对截面形式如X形桩的承载机理及力学特性进行了研究，得出不同于圆形桩的承载特性。郑浩等、任连伟等对具有不同组合形式的高喷插芯组合桩进行了水平承载性能研究，组合后的水平承载力明显高于预制芯桩。王俊林等对大直径扩底桩的水平承载性能进行了试验及数值模拟研究，扩大头的深度和广度对承载力有影响。刘汉龙等对大直径现浇薄壁管桩PCC进行了水平承载性能足尺试验研究，其水平承载力优势明显。孔纲强等对扩底楔形桩的水平承载性能进行了透明土模型试验研究，重点研究了桩周及桩端土体的变形规律，扩大头的存在可以提高水平承载力。Choi等、Basu等对矩形截面桩的水平承载特性进行了研究。

五星形桩是也是一种截面异形桩，为探索五星形桩的水平承载性能，在河南理工大学自主研发的多功能模型槽内进行了周长最大化五星形桩F₁、周长面积比最大化五星形桩F₂、与F₂横截面周长相同的圆桩C₁、与F₂横截面面积相同的圆桩C₂水平承载性能对比模型试验研究，研究成果对五星形桩的进一步应用提供一定参考。

1.模型试验

1.1实验设备

1）模型槽模型试验在河南理工大学自主研发设计的多功能模型槽内进行，模型槽如图1所示。模型槽尺寸长宽高为2m×2m×2.5m，槽壁三面为钢板组合而成，一面由透明钢化玻璃构成，用以观察试验中模型槽内土的变化。

2）加载系统试验中水平荷载通过水平向拉桩头的方式提供，主要方法为通过钢绳一端固定桩头，钢绳另一端与竖向吊篮相连，钢绳方向通过固定在模型槽外伸横梁引导，通过在吊篮里堆放砝码，对桩头逐级提供水平荷载，直至达到规范中所规定的试验终止条件出现。现场试验照片如图2所示。采用砂雨法成桩，砂雨法落距为0.5m，如图4所示。人工在模型槽内撒砂，漏斗口径为1m，高0.5m，下连2m长口径为15cm的软管，软管与漏斗之问为阀门相连，阀门控制撒砂速度，漏斗下出口处连接出管滤网，网眼尺寸为2mm，滤网与模型槽内平铺砂土落距为0.5m，滤网上栓0.5m长线吊坠，在撒砂过程中对落距进行实时控制。逐层埋设桩体，直至全部桩身埋设在砂土内。

通过室内试验测得砂土的最大孔隙比为0.855，砂雨法后的最小孔隙比为0.522，天然孔隙比为0.653，从而得到密实度为60.8%。可见，与一般填砂相比，砂雨法可以使砂土密实度更高，均匀性进一步得到保证，使模型试验结果更可靠。

2）模型桩试验模型桩采用钢筋混凝土预制模型桩，两类五星形桩为定制钢模浇筑而成。桩身为细石钢筋混凝土材料，其抗压强度为C25，主筋尺寸为3声6mm、主筋问距3cm、空间布局为三角形。箍筋采用φ2mm@200mm构成钢筋笼。预制好的模型桩如图5所示，五星形模型桩属性如表1所示。

3）桩体平面布置水平载荷试驗为2根五星形桩、2根圆桩的对比试验，4根桩的平面布置如图6所示。桩问距设置为8倍的桩径左右，桩到槽壁的距离在6倍的桩径左右，留有较大的空问尽量降低桩与桩相互影响以及槽壁对水平载荷试验的影响。

4）桩体测试元件布置在水平力加载方向上沿着桩身前后两侧布置土压力盒，土压力盒水平方向距离桩身5cm，桩身方向上桩顶处土压力盒距离桩顶10cm，然后每隔30cm布置土压力盒；沿着水平力加载方向桩身前后粘贴应变片，桩顶处应变片距离桩顶10cm，然后每隔30cm布置应变片，用以测量桩身弯矩，土压力盒、应变片粘贴位置如图7所示。

根据模型槽的结构特点及五星形桩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，单桩水平载荷试验布局如图8所示。O点为五星形桩形心，桩身弹性模量为E_p，桩身受力方向惯性矩为I_p，在图8受力方向的水平荷载下A、B两点应变分别为ε_A、ε_B。可知在受力方向上距离形心为y点处弯矩，可知A、B两点弯矩分别为与，用线性内插法得出O点弯矩。

由图10～13，根据现行规范，得出水平临界荷载Hcr和水平极限荷载H_u，以及相对应的水平位移，4根单桩的临界荷载与极限荷载如表2所示。

由图10～13和表1～2可以得出如下结论。

1）五星形桩F₁是F₂的水平极限承载力的1.08倍，但截面面积是F₂的1.33倍；圆桩c₁的水平极限承载力是F₂的1.08倍，但其截面面积是F₂的2.3倍，可见五星形F₂桩单位混凝土贡献水平承载力更高，F₂截面形式最优。

2）与F₂桩相比，圆桩C2的水平极限承载力是F₂的0.62倍，但两根桩截面面积相同，可见F。桩在特定的加载方向上表现出较高的水平承载能力。同时，从表2可以看出，F₂桩抗弯刚度是C₂的水1.22倍，可见，与C₂相比，五星形桩F₂抗弯刚度有所提高，水平承载力得到较大提高（特定方向上）。

3）与五星形桩F₂截面面积相同的小圆桩C₂的临界荷载与极限荷载均最小，这是因为相同截面面积下，圆桩c₂桩侧表面积较小，使得c₂与桩周土接触有限，参与提供水平承载力的土体范围和广度有限，故在相同水平荷载下桩头显示出更大的水平位移，即更小的临界荷载与极限荷载。

4）与五星形桩F₂截面周长相同的大圆桩C₁，其临界荷载较小，极限荷载较五星形桩略大。C₁的抗弯刚度是F₂的4.43倍，抵抗更大的水平变形，调动更广更深的土体参与水平荷载的承担，所以水平极限承载力大。

5）2根五星形桩F₁与F₂临界荷载相同，比圆桩大，这说明在加载初期，五星形异形截面的存在增加了抵抗水平变形的能力，异形扩大效应明显；但加载后期，由于五星形桩截面面积小，抗弯刚度不足，易产生桩身折断，极限承载力不足。

2.2桩身弯矩分布

4根单桩桩身弯矩在各级水平荷载作用下随深度变化曲线如图14～17所示，可以得出：

1）大圆桩C₁桩身弯矩沿着桩头向下逐渐增大，在0.45m（4倍桩径）左右处达到最大，然后又逐渐减小，这与C₁的桩型有很大关系，由于试验中C₁截面面积最大，抗弯刚度最大，在受到水平荷载时，桩身弯矩分布的整体性更强，更多的区域能分担由于桩头受力而产生的弯矩。

2）五星形桩F₁桩身弯矩在0.4m处由于桩身弯矩太大导致应变片破坏，在桩头以下0.4m处出现很大桩身弯矩外，其他部分并没用产生更大的桩身弯矩，这说明由于五星形桩截面形状的原因主要在桩头以下0.4m处产生了较大的桩身弯矩。

3）五星形桩F₂弯矩在0.4m（4倍外接圆直径）处弯矩最大，加载到后期产生了折断（0.5m处，5倍外接圆直径），如图17所示；小圆桩C₂桩身弯矩分布与F₂相似，在0.45m处（6倍桩径）处产生了裂纹。

可见，4根桩弯矩在4倍桩径（五星形桩是外接圆直径）左右达到最大，抗弯刚度与截面面积成正比，所以截面面积较小的五星形桩虽能调动更多的土体参与水平荷载的承担，水平承载力较高，但趋于达到混凝土的抗拉强度，易于折断。所以，从总的承载性能来说，圆形桩工程安全度比五星形桩高。

2.3桩侧土压力分布

图18～21为4根单桩桩侧土压力在逐级水平荷载下沿桩深分布图，可以得出：

1）4根单桩桩侧土压力在桩头附近较小，然后沿着桩头向下逐渐增大后又逐渐减小，桩侧土压力主要集中在桩身上部1m范围内。桩顶处土压力较小可能是由于桩顶处砂土比较松软导致。

2）大圆桩C₁在荷载较小时桩侧土压力沿着桩身呈递减趋势，这符合试验中的一般规律。在较大水平荷载时呈现出桩头处桩侧土压力变化不大，距离桩身0.4m（3～4倍直径）处桩侧土压力增大，桩身1m以下桩侧土压力已经很小，基本可以忽略，也就是说大圆桩C₁在水平荷载作用下桩侧土压力主要在桩身上半段。

3）小圆桩C₂在载较小时桩侧土压力沿着桩身逐渐递减，在受到较大荷载时桩顶处桩侧土压力基本无变化，距离桩身0.4m（5～6倍直径）处桩侧土压力达到最大，桩身1m以下侧土压力较小。在距离桩头1.4m处桩侧土压力有小范围增大，这可能是由于小圆桩的刚性扭转，对桩侧土压力产生了土压力。

4）五星形桩F₁桩侧土压力沿桩身分布趋势与圆桩接近，在4倍的外接圆直径处土压力达到最大；不同之处是在距离桩身0.4m到0.7m范围桩侧土压力减小较慢，五星形异形截面的存在带动了更广范围的土体参与水平荷载的承担。

3.结论

五星形桩是一种截面异形桩，为掌握其水平承载性能，进行了周长最大化五星形桩F₁、周长面积比最大化五星形桩F₂、与五星形桩F₂截面周长相同的圆桩C₁以及与五星形桩F₂截面面积相同的圆桩C₂4根单桩对比模型试验研究，主要结论如下：

1）五星形桩F₁是F₂的水平极限承载力的1.08倍，但截面面积是F₂的1.33倍，可见五星形桩F₂的“性价比”更高。

2）與F₂桩相比，圆桩C₁的水平极限承载力是F₂的1.08倍，但其截面面积是F₂的2.3倍，可见五星形F₂桩单位混凝土贡献水平承载力更高。

3）与F₂桩相比，圆桩C₂的水平极限承载力是F₂的0.62倍，但两根桩截面面积相同，可见F₂桩在特定的加载方向上表现出较高的水平承载能力。

4）4根桩的桩身弯矩分布规律大体相同，在4倍桩径（五星形桩为外接圆半径）左右达到最大；五星形桩虽能调动更多的土体参与水平荷载的承担，但趋于达到混凝土的抗拉强度，易于折断，工程安全度不高。

5）桩侧土压力主要分布在10倍桩径（五星形桩为外接圆直径）范围内，其下到桩底土压力偏小，可见水平承载力主要由上部土体提供，桩侧面积越大、抗弯刚度越大，土抗力发挥程度更高、范围更广。

6）需要指出的是，五星形桩在指定加载方向上表现出比圆桩更强的水平承载性能，但实际工程中桩承受的水平承载力方向是不确定的，因此，圆桩的适应性更强。另外，五星形桩截面面积小，抗弯刚度不足，容易折断。所以，五星形桩虽在某些方向上水平承载力高于圆桩，但总体承载性能方面不一定优于圆桩。