松木樁基礎(chǔ)在軟土地基處理中的應(yīng)用研究

劉君洪

（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院　廣東　廣州　510640）

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松木樁基礎(chǔ)在軟土地基處理中的應(yīng)用研究

劉君洪

（廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院廣東廣州510640）

摘要松木樁在淺層軟土地基基礎(chǔ)處理中應(yīng)用廣泛，在設(shè)計(jì)中卻缺乏相應(yīng)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。本文為筆者根據(jù)工作中的經(jīng)驗(yàn)，參考水泥攪拌樁復(fù)合地基的計(jì)算方法，應(yīng)用于松木樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)，對(duì)該計(jì)算方法相應(yīng)參數(shù)、結(jié)果進(jìn)行校對(duì)，驗(yàn)證該計(jì)算方法的合理性。

關(guān)鍵詞松木樁;設(shè)計(jì)計(jì)算;合理性

1　引言

1.1松木樁簡(jiǎn)介

松木樁是用松木制作的木樁，因其造價(jià)低廉、施工運(yùn)輸方便及工期短、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軟土地基基礎(chǔ)處理。松木含有豐富的松脂，而松脂能很好地防止地下水和細(xì)菌對(duì)其的腐蝕，其在潮濕環(huán)境的耐久性極好，有“水泡萬(wàn)年松”之美譽(yù)。古代著名的靈渠基礎(chǔ)處理便是使用的松木樁。松木樁性能有：

1）彈性韌性好，能承受沖擊和振動(dòng)作用；

2）在適當(dāng)?shù)谋ｐB(yǎng)條件下，有較好的耐久性；

3）聯(lián)結(jié)構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于加工；

4）松木樁具有較強(qiáng)的吸濕性和濕脹干縮性，干燥松木吸濕時(shí)，隨著吸附水的增加，松木將發(fā)生體積膨脹，增大樁體與土體的摩擦力；

5）由于松木的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得它具有較好的抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強(qiáng)度；

6）松木樁如有缺陷易于從外表觀察，不致將有疵病的木材用于重要結(jié)構(gòu)。

1.2現(xiàn)狀松木樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的方法

翻閱各類規(guī)程規(guī)范，對(duì)常見(jiàn)的基礎(chǔ)樁基處理如：碎石樁、水泥攪拌樁、高壓噴射注漿樁、剛性樁等均有詳細(xì)計(jì)算理論與方法。而對(duì)于松木樁復(fù)合地基則沒(méi)有對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法。

現(xiàn)狀松木樁基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)一般采用現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)的辦法，在工程區(qū)域區(qū)基礎(chǔ)典型地質(zhì)段，進(jìn)行試樁及現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，通過(guò)一些工程經(jīng)驗(yàn)，判定松木樁的樁長(zhǎng)、樁距等施工參數(shù)。該辦法雖然可靠，但現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于試樁樁距、樁長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)判定有較高的要求，否則樁距過(guò)大，則試驗(yàn)失敗，樁距過(guò)小，提高了工程造價(jià)。另一方面，遇到地質(zhì)情況較為復(fù)雜的工程段時(shí)，荷載試驗(yàn)取點(diǎn)密度必然提高，增加了試驗(yàn)難度及試驗(yàn)成本。荷載試驗(yàn)的方法對(duì)于一般的點(diǎn)工程尚可行，對(duì)于長(zhǎng)戰(zhàn)線的工程，如河道堤岸整治、道路等，則適用起來(lái)非常繁瑣，事倍功半。

局部地區(qū)用松木樁時(shí)甚至不進(jìn)行荷載試驗(yàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接進(jìn)行施工，這種辦法雖然免去了荷載試驗(yàn)的繁瑣，但對(duì)工程可靠性，無(wú)法保障。

筆者通過(guò)對(duì)水泥攪拌樁、預(yù)制樁、高壓噴射旋噴樁、松木樁的工作原理進(jìn)行分析，認(rèn)為松木樁和水泥攪拌樁的工作性質(zhì)相似，擬采用計(jì)算水泥攪拌樁復(fù)合地基的辦法，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，計(jì)算松木樁復(fù)合地基。

2　工程案例

2.1設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料

某沿海地區(qū)堤岸整治工程，原堤岸為土堤，其堤高和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均不滿足防洪排澇的要求，需對(duì)其進(jìn)行整治。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料及擋墻地基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，基礎(chǔ)層淤泥質(zhì)土不能滿足地基承載力要求，需進(jìn)行地基處理。

根據(jù)擋墻地基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，地基允許承載力特征值不小于105kPa，勘察資料顯示基礎(chǔ)層土質(zhì)從上至下依次為淤泥質(zhì)土、細(xì)砂、粉質(zhì)粘土，承載力特征值分別為45 kPa、100 kPa、180kPa，其中淤泥層深度6m～8m。根據(jù)地質(zhì)情況，基礎(chǔ)處理方式可選用水泥攪拌樁、松木樁高壓旋噴樁等。按照經(jīng)濟(jì)性，施工難易程度，適應(yīng)性等因素，兩者均合適。由于淤泥深度較深，前期推薦采用水泥攪拌樁的基礎(chǔ)處理方案。但由于該工程工期時(shí)間要求非常短，采用水泥攪拌樁成樁待凝的時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)工期影響較大。經(jīng)多方協(xié)商討論，決定采用松木樁進(jìn)行基礎(chǔ)處理。根據(jù)市場(chǎng)松木樁規(guī)格情況，松木樁樁長(zhǎng)初定為6m，尾徑為80mm。

3.2設(shè)計(jì)計(jì)算方法

松木樁基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007.2011水泥攪拌樁復(fù)合地基的計(jì)算方法：

單樁豎向承載力特征值取下兩式計(jì)算值的小值：

式中：

表1　地質(zhì)參數(shù)表

表2　擋墻基底應(yīng)力計(jì)算成果表

fcu—樁身抗拉強(qiáng)度平均值（kPa），根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，取松木順紋抗拉強(qiáng)度8500kPa；

η—樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取1（不折減）；

up—樁的周長(zhǎng)，取松木樁平均樁徑100mm，Up=0.314m；

n—樁長(zhǎng)范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)，n=1；

qsi—樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，淤泥層qs1=6 kPa ～12kPa（《廣東省地基處理技術(shù)規(guī)范》）；

qp—樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值，kPa，取qp=45kPa；

α—樁端天然地基土的承載力折減系數(shù)，取α=0.8。

復(fù)合地基承載力：

式中：

fspk——復(fù)合地基承載力特征值，kPa；

m——面積置換率；

Ra——單樁豎向承載力特征值，kPa；

Ap——樁端截面積，0.00785m2；

β——樁間土承載力折減系數(shù)，0.5～0.9；

fsk——樁間土承載力特征值，取45kPa。

2.3計(jì)算參數(shù)選取

從單樁豎向承載力特征值公式不難看出，由于松木樁樁徑較小，樁端土層承載力較低，松木樁的端承作用不明顯（計(jì)算式與其工作時(shí)間情況吻合），其主要抵抗上部結(jié)構(gòu)作用的抗力為松木樁與樁間土摩擦力及樁間土承載力。

式中對(duì)單樁豎向承載力影響最大的可變參數(shù)取值為土層側(cè)阻力特征值qsi，規(guī)范參考值：淤泥為4 kPa ～7kPa，淤泥質(zhì)土為6 kPa ～12 kPa。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告對(duì)該層土的描述情況，“灰黑色，流塑～軟塑，具腥臭味，含貝殼，易污手，局部揭露砂質(zhì)粘性土夾層，平均標(biāo)貫擊數(shù)為2擊。該土層為該地區(qū)典型的淤泥質(zhì)土，選取均值8kPa值計(jì)算，得Ra=15.32kN。

木樁樁身強(qiáng)度參考《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，選取松木順紋抗壓強(qiáng)度8500 kPa；由于樁身強(qiáng)度在施工及其工作時(shí)，均不受影響，故樁身折減系數(shù)取1。

由復(fù)合地基承載力公式可見(jiàn)，承載力由樁和樁間土兩部分組成。其中樁間土的承載力折減系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值，取值范圍較大，該值對(duì)計(jì)算的地基承載力影響較大，結(jié)合地基土下臥土層情況，依次為細(xì)砂、粉質(zhì)粘土，土質(zhì)較好，本處考慮樁間土作用，選取0.8計(jì)算。經(jīng)試算，樁距為450mm，矩形布置，復(fù)合地基承載力特征值為108kPa。

3　現(xiàn)場(chǎng)地基載荷試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用地基平板載荷試驗(yàn)，承壓板邊長(zhǎng)為0.9m×0.9m，底板鋪設(shè)5mm中粗砂找平。試驗(yàn)荷載每一級(jí)按220/8kPa的荷載（22.3kN）加載，第一級(jí)為兩倍。選取工程3個(gè)典型部位進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)點(diǎn)1試驗(yàn)加載到245kN時(shí)，p- s曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，達(dá)到結(jié)束試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。破壞前一級(jí)荷載為222.7kN，地基承載力極限值為274 kPa，p- s曲線無(wú)比例界限，地基承載力特征值取極限值的一半為137kPa，如圖1。

圖1　試驗(yàn)點(diǎn)1p- s曲線圖

試驗(yàn)點(diǎn)2試驗(yàn)加載到201kN時(shí)，p- s曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，達(dá)到結(jié)束試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。破壞前一級(jí)荷載為159kN，地基承載力極限值為220 kPa，p- s曲線無(wú)比例界限，地基承載力特征值取極限值的一半為110 kPa，如圖2。

圖2　試驗(yàn)點(diǎn)2 p- s曲線圖

試驗(yàn)點(diǎn)3試驗(yàn)加載到223kN時(shí)，p- s曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，達(dá)到結(jié)束試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。破壞前一級(jí)荷載為179kN，地基承載力極限值為247 kPa，p- s曲線無(wú)比例界限，地基承載力特征值取極限值的一半為123.5 kPa，如圖3。

圖3　試驗(yàn)點(diǎn)3p- s曲線圖

4　結(jié)論與建議

4.1計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

三個(gè)部位松木樁荷載試驗(yàn)承載力結(jié)果分別為：137 kPa、110 kPa、123.5 kPa，平均值為123.5 kPa。采用水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力計(jì)算方法算得的松木樁地基承載力特征值為108 kPa。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差12.5%，差距不大。采用該方法進(jìn)行松木樁初步設(shè)計(jì)計(jì)算具有一定的參考價(jià)值。根據(jù)松木樁的工作原理，結(jié)合地質(zhì)參數(shù)及對(duì)土層的具體描述，合理的選取設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)是影響計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵因素。其中松木樁的側(cè)摩阻力系數(shù)及樁間土承載力折減系數(shù)的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，應(yīng)細(xì)致分析區(qū)域地質(zhì)情況，合理的選取為宜。

在初步設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用上述方法進(jìn)行松木樁基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)計(jì)算，為工程造價(jià)提供計(jì)算依據(jù)。工程實(shí)施時(shí)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試樁及載荷試驗(yàn)對(duì)松木樁基礎(chǔ)布置進(jìn)行確定。

4.2松木樁應(yīng)用的一些建議

松木樁作為傳統(tǒng)的基礎(chǔ)處理方式，其高強(qiáng)度且密度小，彈、韌性好，可承受一定沖擊作用。松木樁具有吸濕性及濕脹干縮性的特點(diǎn)，吸水后體積膨脹，對(duì)樁間土有一定擠密作用，同時(shí)增大了摩擦作用，這是其它剛性樁基礎(chǔ)所無(wú)法替代的。其“水下千年松”的特有防腐性，在軟基處理，特別是淤泥、淤泥土質(zhì)的基礎(chǔ)處理中具有很好的適應(yīng)性。

松木樁樁長(zhǎng)一般不長(zhǎng)于6m，基礎(chǔ)處理深度受限，處理深度同時(shí)也制約其處理承載力的大小。根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，松木樁一般適用于不高于130kPa的部位。松木樁在使用過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）松木樁為“原木”，不用剝皮，不要鋸成別的形狀，如對(duì)半鋸成半圓狀，容易造成后期樁身彎曲變形，失去作用。

2）不能將更筆直，樁長(zhǎng)可達(dá)更長(zhǎng)的“杉木樁”或其它木樁替代或推廣成松木樁，因?yàn)榇蟛糠殖Ｒ?jiàn)木材是忌水，在水中將會(huì)快速變黑、變形和腐爛，杉木尤其如此。

3）施工時(shí)要考慮到松木樁所能承受的沉樁沖擊力，沉樁沖擊力應(yīng)能控制在300kg.m以內(nèi)，以免沖擊力過(guò)大破壞松木樁的樁體。

4）淤泥及淤泥質(zhì)土水平抗力很小，樁群上端容易出現(xiàn)整體水平位移，從而拉裂地面設(shè)施。處理辦法一般在松木樁間鋪設(shè)一層塊石，頂部設(shè)置碎石墊層，以提高樁群的水平剛度。陜西水利

（責(zé)任編輯：暢妮）

中圖分類號(hào)：U445

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