松木樁在橋梁支架地基加固中的應(yīng)用

馬江旭

（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，山東濟(jì)南 250000）

0 引言

我國長江中下游地區(qū)漫灘地質(zhì)沖積地層屬第四紀(jì)Q4，大量泥沙在灘涂有規(guī)律地沉積，下部逐漸形成細(xì)粉砂、粉質(zhì)黏土、粉砂、粉土等一系列土層，上部則形成較厚的淤泥質(zhì)土層，工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，其中廣泛分布的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土天然地基承載力僅為75～80kPa（俗稱“八噸土”），具有抗剪強(qiáng)度低、破壞敏感、孔隙大、高壓縮性等特點[1]。在此地基上進(jìn)行橋梁支架的設(shè)計和施工難度較大。為此，提出在類似地質(zhì)條件下選用木樁復(fù)合地基處理的方案，在支架基礎(chǔ)上設(shè)置松木樁，通過樁、土的共同作用，有效提高地基承載力，滿足承受橋梁上部結(jié)構(gòu)施工時的荷載要求，解決常規(guī)類似工程橋梁支架方案中存在的問題。

1 工程概況

某干線公路工程橋梁位于河床范圍內(nèi)，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為3×30+4×30+3×30m 三聯(lián)十跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋梁總長308m，單箱六室，梁高2m，頂板寬39m，底板寬33.5m；基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)設(shè)計為圓柱式墩、座板臺、樁基礎(chǔ)。橋梁工程總體施工組織為非汛期于橋址處河道上下游筑壩截流造堰，排干堰內(nèi)河水，清淤后干法施工橋梁基礎(chǔ)、下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的方案。其中，上部結(jié)構(gòu)采用鋼管貝雷梁少支架法進(jìn)行施工，鋼管柱除少數(shù)可直接坐于承臺外，其余均需設(shè)置于混凝土條形基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)下采用松木樁復(fù)合地基。場區(qū)地下水主要為松散巖類孔隙潛水，初見上層水位埋深0.3～1.2m，受季節(jié)性變化影響較為明顯。

2 木樁復(fù)合地基設(shè)計

2.1 復(fù)合地基構(gòu)造設(shè)計

河床清淤完成，以整平后的規(guī)劃河床底高程為建基面，在設(shè)計處理范圍內(nèi)插打5m 長φ200mm 木樁，按梅花形布樁，間距700mm，形成木樁復(fù)合地基，鋪設(shè)100mm 厚中砂褥墊層后，在其上模筑尺寸為2.3m（寬）×0.8m（高）的鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，襟邊按150mm 設(shè)計。

2.2 復(fù)合地基承載力計算

有復(fù)合地基承載力特征值fspk：

式（1）中：Ap為單樁截面積（m2）；Ra為單樁豎向抗壓承載力特征值（kN）；fsk為樁間土地基承載力特征值（kPa）；m為復(fù)合地基置換率；βp為樁體豎向抗壓承載力修正系數(shù)，宜綜合復(fù)合地基中樁體實際豎向抗壓承載力和復(fù)合地基破壞時樁體的豎向抗壓承載力發(fā)揮度，結(jié)合工程經(jīng)驗取值；βs為樁間土地基承載力修正系數(shù)，宜綜合復(fù)合地基中樁間土地基實際承載力和復(fù)合地基破壞時樁間土地基承載力發(fā)揮度，結(jié)合工程經(jīng)驗取值。

復(fù)合地基置換率m：

式（2）中：d為樁體直徑（m）；de為單根樁分擔(dān)的地基處理面積的等效圓直徑（m），其中等邊三角形布樁時，de=1.05s。

則有：

單樁分擔(dān)的地基處理面積的等效圓徑：de=1.05×0.7=0.735m。

復(fù)合地基置換率：

單樁豎向抗壓承載力特征值（kN）：

式（3）中：Ap為單樁截面積（m2）；μp為樁的截面周長（m）；n為樁長范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；qik為第i層土的樁側(cè)摩阻力特征值（kPa）；li為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度（m）；qp為樁端土地基承載力特征值（kPa）；α為樁端土地基承載力折減系數(shù)。代入數(shù)據(jù)計算得：

樁身強(qiáng)度（根據(jù)文獻(xiàn)4 要求）：

式（4）中：fcu為松木順紋受壓容許強(qiáng)度，fcu=12MPa；λ=βp=1.0，則有：

故木樁強(qiáng)度滿足要求。

復(fù)合地基承載力特征值：

式（5）中：fsk0=90kPa（依該項目地勘報告粉砂層取值），K1=1.0，γ1=18kN/m3

按剛性樁，式中βp=1.0，βs=0.65，考慮到水平作用等，可能引起偏心的影響，計入偏載安全系數(shù)，即

故地基承載力滿足要求。

2.3 復(fù)合地基沉降計算

復(fù)合地基沉降計算模型如圖1 所示。

圖1 地基沉降計算簡圖

計算地基最終變形量s

式（6）中：s為地基最終變形量（mm）；ψs為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)地區(qū)沉降觀測資料及經(jīng)驗確定；n為地基變形計算深度范圍內(nèi)的土層數(shù)；p0為相應(yīng)于作用的準(zhǔn)永久組合時基礎(chǔ)底面處的附加壓力(kPa)；Εsi為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量（MPa）；zi、zi-1為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1 層土底面的距離（m）；為基礎(chǔ)底面計算點至第i層土、第i-1 層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。

沉降計算點（x=0.000m，y=0.000m），則各層土的壓縮情況和最終沉降量結(jié)算結(jié)果見表1、表2。

表1 各土層壓縮情況

表2 最終沉降量計算結(jié)果

其中，沉降計算經(jīng)驗系數(shù)ψs=0.2(P0≥fak)和ψs=0.2(P0≤0.75fak)。

3 木樁復(fù)合地基施工

3.1 木樁采購及存放

木樁主要為市場采購優(yōu)質(zhì)松木，因原木往往因自然生長而存在直徑下大上小的現(xiàn)象，故該工程所用木樁按平均直徑不小于20cm 控制，樁頂鋸平并加鐵箍，樁尖削成棱錐形[2]。

木樁采購時需注意，木材質(zhì)地應(yīng)均勻，不得有劈裂、超限彎曲等情形，且樁身不得有蛀孔、縮頸及其他可能損害強(qiáng)度的瑕疵。

木樁在吊運(yùn)、裝卸、堆置時，應(yīng)盡量避免樁身遭受沖擊或徑向直剪，以免因之損及樁身。儲存場地地基應(yīng)堅實而平坦，不得有沉陷現(xiàn)象，避免木樁變形[3]。

3.2 沉樁機(jī)械

木樁采用沉樁法施工，沉樁采用挖掘機(jī)加裝廠家定制的配套專用振動沉樁錘施工，該振動錘具有結(jié)構(gòu)合理、激振力集中、可自行夾樁、工效高、施工安全等優(yōu)點[4]。沉樁時，振動力使樁孔砂層受振液化，可有效降低沉樁阻力。

3.3 沉樁工藝

3.3.1 木樁定位

沉樁施工前，根據(jù)測量控制網(wǎng)對樁位進(jìn)行放樣，同時為保證樁位及樁體垂直度滿足要求，輔以型鋼導(dǎo)向架進(jìn)行控制。

3.3.2 沉樁

考慮到場區(qū)土層孔隙率較高，為充分發(fā)揮樁、土共同作用的效果，現(xiàn)場采取由四周向中心的順序施工，以達(dá)到樁土擠密的效果。施工過程中嚴(yán)格控制沉樁質(zhì)量，并做好施工記錄[5]。

3.3.3 沉樁質(zhì)量控制

在施工過程中采用經(jīng)緯儀控制木樁的垂直度和位置，并按要求將定位樁沉到設(shè)計標(biāo)高，以確保定位樁的穩(wěn)定性。完成定位樁的施打后，逐根將下一根木樁一次性沉樁到設(shè)計標(biāo)高位置。每根樁的正位程度對后續(xù)樁的正常施打有很大影響，在施打過程中，要做到精心控制，確保沉樁質(zhì)量。具體質(zhì)量控制措施如下。

第一，樁體檢查：沉樁前，需檢查木樁的外觀、樁徑、樁長等指標(biāo)是否滿足要求[6]。

第二，樁位及垂直度控制：沉樁過程中采用經(jīng)緯儀嚴(yán)格控制木樁的樁位及垂直度，確保樁位偏差≤50mm，垂直度偏差≤1%。沉樁開始至入土1m 期間，若偏差超限，應(yīng)及時停機(jī)調(diào)整，若樁體嚴(yán)重傾斜，應(yīng)拔樁重新進(jìn)行沉入。

第三，高程控制：沉樁以高程控制為準(zhǔn)，樁頂高程允許偏差應(yīng)控制在±50mm[7]。沉樁至接近設(shè)計高程時，應(yīng)適當(dāng)控制振動錘的激振力及振頻，以保證高程控制準(zhǔn)確，并按設(shè)計高程鋸平樁頭。

3.4 適用性驗證

木樁復(fù)合地基大面積施工前，應(yīng)選擇代表性地段施工試驗樁，進(jìn)行適用性驗證。試驗樁施工完畢并經(jīng)15d 休止期后，對復(fù)合地基進(jìn)行地基靜載試驗，按比例隨機(jī)選取一定數(shù)量的檢測點進(jìn)行地基承載力及沉降量試驗。該項目按規(guī)定抽檢6 臺檢測點，按設(shè)計要求在最大試驗荷載下，測得單樁復(fù)合地基承載力特征值滿足不小于182.3kPa 的要求，單樁最大沉降量23.5mm，最大回彈量5.75mm，滿足支架模板體系施工對地基的要求[8-9]。試驗樁的適用性驗證通過后，方可大面積進(jìn)行后續(xù)施工，否則應(yīng)對地基加固設(shè)計進(jìn)行修改，或重新審視木樁復(fù)合地基加固方案在該地區(qū)的適用性。

4 結(jié)論

第一，木樁復(fù)合地基處理方案在長江中下游漫灘地質(zhì)及類似工程地質(zhì)條件軟弱地基加固中有一定的可行性及廣泛的適用性，尤其是具備材料來源廣、施工簡便快捷、成本低廉、可回收利用率高等優(yōu)勢，可在我國相關(guān)地區(qū)的橋梁鋼管貝雷梁式支架下地基加固中大力推廣應(yīng)用。

第二，設(shè)計木樁復(fù)合地基施工方案前，需委托有資質(zhì)的勘察單位對區(qū)域內(nèi)代表性地段的地質(zhì)、水文條件以及土層的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行勘察、試驗，以保證復(fù)合地基設(shè)計資料的可靠性。

第三，在無可靠成功案例支撐的地區(qū)首次使用木樁復(fù)合地基進(jìn)行橋梁支架地基加固時，建議大面積施工前按規(guī)定進(jìn)行試樁，并通過靜載試驗驗證其適用性。此外，為保證橋梁支架模板系統(tǒng)的穩(wěn)定性，若樁端持力土層較為軟弱導(dǎo)致沉降量偏大，或橋梁整體采用多種支架地基基礎(chǔ)形式（例如除木樁復(fù)合地基外，還有鋼管樁基礎(chǔ)等），需協(xié)調(diào)不同地基基礎(chǔ)形式中支架的沉降差異，可采取充分的支架（或地基）預(yù)壓措施予以消除，并做好過程中的沉降觀測工作。