松木樁基礎在軟土地基處理中的應用研究

劉君洪

（廣州市水務規(guī)劃勘測設計研究院　廣東　廣州　510640）

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松木樁基礎在軟土地基處理中的應用研究

劉君洪

（廣州市水務規(guī)劃勘測設計研究院廣東廣州510640）

摘要松木樁在淺層軟土地基基礎處理中應用廣泛，在設計中卻缺乏相應規(guī)程規(guī)范進行計算。本文為筆者根據(jù)工作中的經(jīng)驗，參考水泥攪拌樁復合地基的計算方法，應用于松木樁基礎設計計算，并結(jié)合現(xiàn)場荷載試驗，對該計算方法相應參數(shù)、結(jié)果進行校對，驗證該計算方法的合理性。

關(guān)鍵詞松木樁;設計計算;合理性

1　引言

1.1松木樁簡介

松木樁是用松木制作的木樁，因其造價低廉、施工運輸方便及工期短、適應性強等優(yōu)點，廣泛應用于軟土地基基礎處理。松木含有豐富的松脂，而松脂能很好地防止地下水和細菌對其的腐蝕，其在潮濕環(huán)境的耐久性極好，有“水泡萬年松”之美譽。古代著名的靈渠基礎處理便是使用的松木樁。松木樁性能有：

1）彈性韌性好，能承受沖擊和振動作用；

2）在適當?shù)谋ｐB(yǎng)條件下，有較好的耐久性；

3）聯(lián)結(jié)構(gòu)造簡單，易于加工；

4）松木樁具有較強的吸濕性和濕脹干縮性，干燥松木吸濕時，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，使得它具有較好的抗拉、抗壓、抗彎和抗剪強度；

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)狀松木樁基礎設計的方法

翻閱各類規(guī)程規(guī)范，對常見的基礎樁基處理如：碎石樁、水泥攪拌樁、高壓噴射注漿樁、剛性樁等均有詳細計算理論與方法。而對于松木樁復合地基則沒有對應的計算方法。

現(xiàn)狀松木樁基礎處理設計一般采用現(xiàn)場荷載試驗的辦法，在工程區(qū)域區(qū)基礎典型地質(zhì)段，進行試樁及現(xiàn)場載荷試驗，通過一些工程經(jīng)驗，判定松木樁的樁長、樁距等施工參數(shù)。該辦法雖然可靠，但現(xiàn)場荷載試驗時間長，對于試樁樁距、樁長的經(jīng)驗判定有較高的要求，否則樁距過大，則試驗失敗，樁距過小，提高了工程造價。另一方面，遇到地質(zhì)情況較為復雜的工程段時，荷載試驗取點密度必然提高，增加了試驗難度及試驗成本。荷載試驗的方法對于一般的點工程尚可行，對于長戰(zhàn)線的工程，如河道堤岸整治、道路等，則適用起來非常繁瑣，事倍功半。

局部地區(qū)用松木樁時甚至不進行荷載試驗，根據(jù)經(jīng)驗直接進行施工，這種辦法雖然免去了荷載試驗的繁瑣，但對工程可靠性，無法保障。

筆者通過對水泥攪拌樁、預制樁、高壓噴射旋噴樁、松木樁的工作原理進行分析，認為松木樁和水泥攪拌樁的工作性質(zhì)相似，擬采用計算水泥攪拌樁復合地基的辦法，對相關(guān)參數(shù)進行微調(diào)，計算松木樁復合地基。

2　工程案例

2.1設計基礎資料

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，需對其進行整治。根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料及擋墻地基應力計算結(jié)果，基礎層淤泥質(zhì)土不能滿足地基承載力要求，需進行地基處理。

根據(jù)擋墻地基應力計算結(jié)果，地基允許承載力特征值不小于105kPa，勘察資料顯示基礎層土質(zhì)從上至下依次為淤泥質(zhì)土、細砂、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)濟性，施工難易程度，適應性等因素，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處理方案。但由于該工程工期時間要求非常短，采用水泥攪拌樁成樁待凝的時間長，對工期影響較大。經(jīng)多方協(xié)商討論，決定采用松木樁進行基礎處理。根據(jù)市場松木樁規(guī)格情況，松木樁樁長初定為6m，尾徑為80mm。

3.2設計計算方法

松木樁基礎處理設計采用《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007.2011水泥攪拌樁復合地基的計算方法：

單樁豎向承載力特征值取下兩式計算值的小值：

式中：

表1　地質(zhì)參數(shù)表

表2　擋墻基底應力計算成果表

fcu—樁身抗拉強度平均值（kPa），根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》，取松木順紋抗拉強度8500kPa；

η—樁身強度折減系數(shù)，取1（不折減）；

up—樁的周長，取松木樁平均樁徑100mm，Up=0.314m；

n—樁長范圍內(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。

復合地基承載力：

式中：

fspk——復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（計算式與其工作時間情況吻合），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)報告對該層土的描述情況，“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值計算，得Ra=15.32kN。

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

由復合地基承載力公式可見，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)驗值，取值范圍較大，該值對計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計算。經(jīng)試算，樁距為450mm，矩形布置，復合地基承載力特征值為108kPa。

3　現(xiàn)場地基載荷試驗驗證

3.1試驗方法

試驗采用地基平板載荷試驗，承壓板邊長為0.9m×0.9m，底板鋪設5mm中粗砂找平。試驗荷載每一級按220/8kPa的荷載（22.3kN）加載，第一級為兩倍。選取工程3個典型部位進行試驗。

3.2試驗結(jié)果

試驗點1試驗加載到245kN時，p- s曲線出現(xiàn)明顯拐點，達到結(jié)束試驗標準。破壞前一級荷載為222.7kN，地基承載力極限值為274 kPa，p- s曲線無比例界限，地基承載力特征值取極限值的一半為137kPa，如圖1。

圖1　試驗點1p- s曲線圖

試驗點2試驗加載到201kN時，p- s曲線出現(xiàn)明顯拐點，達到結(jié)束試驗標準。破壞前一級荷載為159kN，地基承載力極限值為220 kPa，p- s曲線無比例界限，地基承載力特征值取極限值的一半為110 kPa，如圖2。

圖2　試驗點2 p- s曲線圖

試驗點3試驗加載到223kN時，p- s曲線出現(xiàn)明顯拐點，達到結(jié)束試驗標準。破壞前一級荷載為179kN，地基承載力極限值為247 kPa，p- s曲線無比例界限，地基承載力特征值取極限值的一半為123.5 kPa，如圖3。

圖3　試驗點3p- s曲線圖

4　結(jié)論與建議

4.1計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

三個部位松木樁荷載試驗承載力結(jié)果分別為：137 kPa、110 kPa、123.5 kPa，平均值為123.5 kPa。采用水泥攪拌樁復合地基承載力計算方法算得的松木樁地基承載力特征值為108 kPa。計算結(jié)果與試驗結(jié)果相差12.5%，差距不大。采用該方法進行松木樁初步設計計算具有一定的參考價值。根據(jù)松木樁的工作原理，結(jié)合地質(zhì)參數(shù)及對土層的具體描述，合理的選取設計計算參數(shù)是影響計算結(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)的選取對計算結(jié)果影響較大，應細致分析區(qū)域地質(zhì)情況，合理的選取為宜。

在初步設計時，可以采用上述方法進行松木樁基礎處理設計計算，為工程造價提供計算依據(jù)。工程實施時應根據(jù)現(xiàn)場試樁及載荷試驗對松木樁基礎布置進行確定。

4.2松木樁應用的一些建議

松木樁作為傳統(tǒng)的基礎處理方式，其高強度且密度小，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，吸水后體積膨脹，對樁間土有一定擠密作用，同時增大了摩擦作用，這是其它剛性樁基礎所無法替代的。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)的基礎處理中具有很好的適應性。

松木樁樁長一般不長于6m，基礎處理深度受限，處理深度同時也制約其處理承載力的大小。根據(jù)筆者經(jīng)驗，松木樁一般適用于不高于130kPa的部位。松木樁在使用過程中應注意以下幾點：

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

2）不能將更筆直，樁長可達更長的“杉木樁”或其它木樁替代或推廣成松木樁，因為大部分常見木材是忌水，在水中將會快速變黑、變形和腐爛，杉木尤其如此。

3）施工時要考慮到松木樁所能承受的沉樁沖擊力，沉樁沖擊力應能控制在300kg.m以內(nèi)，以免沖擊力過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，從而拉裂地面設施。處理辦法一般在松木樁間鋪設一層塊石，頂部設置碎石墊層，以提高樁群的水平剛度。陜西水利

（責任編輯：暢妮）

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