木麻黃樁在堤防軟土地基中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李皇勝/中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司海南分公司

木麻黃樁在堤防軟土地基中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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本文在介紹了木麻黃樁加固軟土地基原理的基礎(chǔ)上，就木麻黃木樁的設(shè)計(jì)計(jì)算、適用范圍、施工工藝流程和操作進(jìn)行探討，結(jié)合堤防工程實(shí)例，表明在特定的條件下，木麻黃樁用于軟土地基的加固具獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

軟土地基；木麻黃樁；加固原理；應(yīng)用

在河道堤防工程施工中，軟土地基是一種常見(jiàn)的地基，它一般具有強(qiáng)度較低、壓縮性較高和透水性較小以及含水量大等特點(diǎn)，一般都不能滿足堤防或涵閘等建筑物基底承載力的要求。軟基處理根據(jù)軟弱地基的面積、深度以及承載力要求等，可采用拋石、水泥土攪拌樁、粉噴樁、換填等多種處理方法。但在地下水位較高，軟基面積不大而軟基深度較深的情況下由于其施工地域狹小、工程量相對(duì)較少，采用換填處理需要對(duì)軟土挖除，換填透水性好的材料，不僅施工困難而且極易塌方；采用水泥土攪拌樁、粉噴樁等又因工程量小而增大成本，同時(shí)也拖延了工期。在海南沿海地區(qū)，對(duì)于中小水利工程，采用木麻黃樁進(jìn)行處理不僅施工較為方便快捷，而且施工工藝也比較簡(jiǎn)單，成本也較低，也是一種較好的軟基處理方法。

木麻黃別稱馬毛樹(shù)、駁骨松，生長(zhǎng)迅速，抗風(fēng)力強(qiáng)，能耐鹽堿，是中國(guó)南方濱海防風(fēng)固林的優(yōu)良樹(shù)種。我國(guó)民間采用木樁處理地基的工程不少，作為一種古老的地基處理方法，木樁復(fù)合地基在現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范中均未提及，因而對(duì)木樁處理軟土地基往往停留在經(jīng)驗(yàn)上，技術(shù)人員不敢輕易采用。本文結(jié)合筆者在海南當(dāng)?shù)氐牡谭拦こ虒?shí)踐，對(duì)用木麻黃處理軟土地基的問(wèn)題進(jìn)行一些探討，以供參考。

一、木麻黃加固軟土地基原理

復(fù)合地基是指部分土體被增強(qiáng)或被置換，形成由地基土和豎向增強(qiáng)體共同承擔(dān)荷載的人工地基[1]。木麻黃樁復(fù)合地基和其它復(fù)合地基相比，除樁的材料不同外，其余均有相似之處，其加固機(jī)理：一是樁體的的支撐作用，木麻黃樁復(fù)合地基以木麻黃樁取代了與樁體體積相同、低強(qiáng)度土體，在承受外荷載時(shí)，基礎(chǔ)中應(yīng)力按樁土應(yīng)力比重新分配。應(yīng)力向樁體逐漸集中，樁周土體所承受的應(yīng)力相應(yīng)減少，大部分荷載由木樁承受。由于樁的強(qiáng)度和抗變形能力均優(yōu)于土體，故而形成后的復(fù)合地基承載力、模量也優(yōu)于原土體，從而達(dá)到減小變形，提高承載力的效果。二是擠密作用：木樁施工時(shí)，采用靜力壓入法打入，樁孔位置原有土體被強(qiáng)制側(cè)向擠壓，使樁周一定范圍內(nèi)的土層密實(shí)度提高，起到擠密作用。根據(jù)樁體的材料、強(qiáng)度與承載力，可分為剛性、柔性和半剛性樁，筆者認(rèn)為，和水泥土攪拌樁類似，木麻黃木樁可以算作半剛性樁。基礎(chǔ)荷載主要通過(guò)樁下傳，土的主要受力區(qū)在加固深度中間，或者接近基底或樁底。

木麻黃樁處理堤防軟土地基的機(jī)理就是利用木樁能夠?qū)浲恋鼗M(jìn)行擠密并形成整體以提高地基承載力。在無(wú)堅(jiān)硬持力層的情況下，靠樁間擠密軟土層，使軟土的孔隙比達(dá)到要求，并在樁頂用片石混凝土或片石嵌縫碎石填隙，形成剛性承載面，從而樁、軟土和片石混凝土或片石層共同形成整體支撐體系來(lái)承受基礎(chǔ)荷載，增加了基底的整體性，以提高地基承載力，避免不均勻沉降；在有堅(jiān)硬持力層的情況下，木樁除了起到擠密軟土作用外，還靠自身的承載能力傳遞荷載至持力層，因而，在這種情況下，主要由木樁與頂面的片石混凝土或片石層形成支撐體系，擠密后的軟土孔隙比并不能達(dá)到承載的擠密程度，所以木樁承受大部分的荷載，受擠密后的軟土承受荷載相對(duì)要小得多，在計(jì)算時(shí)要重點(diǎn)考慮木樁的承載能力，同時(shí)也要考慮軟土承受的荷載。

二、設(shè)計(jì)計(jì)算方法

木麻黃樁復(fù)合地基承載力計(jì)算無(wú)現(xiàn)行規(guī)范可依，筆者結(jié)合工程實(shí)踐，參照規(guī)范[1]，認(rèn)為可按有粘接強(qiáng)度增強(qiáng)體復(fù)合地基，即規(guī)范[1]7.1.5-2式計(jì)算確定。

（一）單樁承載力Ra的確定

1.由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力，按下式計(jì)算：

式中：Ap為樁的截面積（m2）；up為樁的周長(zhǎng)（m）；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值（kPa），可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；li為樁長(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度（m）；qp為樁端地基土未經(jīng)修正的承載力特征值（kPa）；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，取0.5。

2.樁身材料強(qiáng)度確定的單樁承載力。

式中：η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，王志鑫[2]采用木材取為0.5；fcu為木麻黃抗壓強(qiáng)度，可根據(jù)規(guī)范[3]取。

比較兩式算出的Ra值，取較小者作為單樁承載力特征值。

（二）樁復(fù)合地基承載力

木麻黃樁復(fù)合地基承載力特征值按規(guī)范[1]7.1.5-2式計(jì)算：

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，可取1.0；Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；m為面積置換率；fsk為樁間土體承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告??；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值。

三、木麻黃樁適用范圍和施工工藝

（一）木麻黃樁處理軟土地基的適應(yīng)條件：

首先，軟土厚度一般小于5.0m。其次，軟土地基必須在滿足設(shè)計(jì)埋深以，且在年最低水位以下，以保證木麻黃樁常年浸在水中，防止木麻黃樁時(shí)干時(shí)濕，腐朽變質(zhì)。對(duì)于地下水位變化幅度較大或地下水具有較強(qiáng)腐蝕性的地區(qū)，不宜使用木麻黃樁。最后，只適用于上部荷載不大的中小型建筑物，通常設(shè)計(jì)最大地基應(yīng)力不超過(guò)130kPa。

（二）對(duì)木麻黃樁的要求

首先，木麻黃樁的長(zhǎng)度一般不宜長(zhǎng)于6.0m，因?yàn)樘L(zhǎng)，就難就地取材，材料貴且不經(jīng)濟(jì)，還不易打樁；但也不宜短于2.5m。其次，木麻黃樁的尾徑一般取10～20cm，樁頭用斧頭削尖。

（三）操作過(guò)程

1.探明軟土地基的厚度以確定木麻黃樁的長(zhǎng)度，每隔2～3m試探。

2.打樁：打樁設(shè)備可采用鋼板樁施工設(shè)備，使用最多的是振動(dòng)打樁機(jī)。無(wú)鋼板樁施工設(shè)備時(shí)，可用挖掘機(jī)，方法是用挖掘機(jī)的挖斗倒過(guò)來(lái)扣壓樁，功效較高，僅需兩人扶樁到位，由挖斗輕按至樁入土自穩(wěn)，然后人走開(kāi)，由挖掘機(jī)壓樁。

3.打樁時(shí)，為使擠密效果好，必須由基底四周往內(nèi)圈施打。樁的布置以梅花形為好，樁間距離不宜小于3倍樁徑。

4.打樁，完畢應(yīng)鋸平樁頭，使每根樁的樁頂基本水平。清挖打樁時(shí)擠出的淤泥，然后采用塊石灌砂回填，一般厚度為20～30cm，保證基礎(chǔ)不包樁頭，使受力均勻。在基礎(chǔ)下設(shè)置褥墊層可減小樁土應(yīng)力比，充分發(fā)揮樁間土的作用，即可增大β，減少基礎(chǔ)底面的應(yīng)力集中。

5.最后取土樣做土工試驗(yàn)，或用長(zhǎng)桿貫入儀驗(yàn)證處理后地基的實(shí)際承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

四、工程實(shí)例

實(shí)例1 海南省文昌市某防洪（潮）項(xiàng)目，河道為出?？诟谐焙佣?，位于老城區(qū)內(nèi)，堤防迎水面采用直立式懸臂擋墻，最大基底應(yīng)力為117kPa。鉆孔資料揭露堤基土層自上而下為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘土、層砂質(zhì)粘性土、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。擋墻坐落于淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土上，該層天然地基承載力特征值不足60kPa，飽和，軟塑，局部含有少量石英砂粒及貝殼碎屑，偶夾有腐殖質(zhì)，切面有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)N=1～2擊。原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)采用水泥土攪拌樁進(jìn)行處理，但在實(shí)施過(guò)程中，由于場(chǎng)地條件限制，樁機(jī)無(wú)法作業(yè)，后經(jīng)經(jīng)濟(jì)和施工難易比選分析，改為采用木麻黃樁處理方案。經(jīng)計(jì)算，采用木麻黃樁樁長(zhǎng)5m，可進(jìn)入砂質(zhì)粘性土持力層，木樁尾徑不小于0.12m，梅花形布置，間距為0.5m可滿足承載力要求。

該方案操作簡(jiǎn)便，對(duì)周邊市政管網(wǎng)和設(shè)施影響較小，大大推進(jìn)了工程進(jìn)度，投資上也和原方案基本持平。工程完工后，堤防經(jīng)過(guò)幾次臺(tái)風(fēng)洪水，擋墻運(yùn)行完好。

圖1 擋墻基礎(chǔ)處理斷面圖

圖2 擋墻基礎(chǔ)處理平面布置圖

實(shí)例2 海南省東方市某防洪（潮）項(xiàng)目，堤防為砼矮墻加斜坡土堤結(jié)構(gòu)，中下游段施工過(guò)程中，開(kāi)挖揭露約140m長(zhǎng)的原有養(yǎng)殖魚塘范圍內(nèi)，分布有淤泥質(zhì)土，為軟土層，流塑～軟塑狀，壓縮性高，承載力低，抗剪強(qiáng)度低，厚度約5m，埋深相對(duì)較淺，對(duì)堤基抗滑穩(wěn)定影響較大。軟土層滲透性能弱，標(biāo)貫擊數(shù)1～3擊，平均標(biāo)貫擊數(shù)2.2擊，無(wú)法滿足擋墻和堤身承載力要求。經(jīng)經(jīng)濟(jì)和施工難易比選分析，迎水面擋墻和堤身基礎(chǔ)增加木麻黃樁和砂墊層組合處理，以提高基底承載力。采用木麻黃樁尾徑不小于0.1m，平均樁長(zhǎng)5m，梅花形布置，擋墻范圍內(nèi)樁距為1m，堤身范圍內(nèi)樁距為1.5m。處理后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地基荷載實(shí)驗(yàn)表明，復(fù)合地基承載力擋墻范圍大于80kPa，堤身范圍大于70kPa，分別滿足擋墻和堤身承載力要求。

該處理方案無(wú)需等待地基長(zhǎng)時(shí)間沉降固結(jié)，見(jiàn)效快，施工設(shè)備可通過(guò)堤身并碾壓無(wú)明顯沉降，極大推進(jìn)了工程進(jìn)度。

五、結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，對(duì)于地基承載力要求不高，且軟弱土層厚度不大時(shí)，木麻黃樁處理堤防軟弱地基不僅技術(shù)簡(jiǎn)單易行且施工方便快捷。在木麻黃資源比較豐富的地區(qū)，采用木麻黃樁復(fù)合地基，在技術(shù)上是可行的，經(jīng)濟(jì)上是合理的，與其他昂貴的處理措施相比，可降低工程造價(jià)，效果顯著，是一種因地制宜處理軟弱地基的有效方法。

[1]建筑地基處理技術(shù)規(guī)范（S）．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012．

[2]王志鑫，唐鷹，李龍飛，林師興．“木麻黃”樁復(fù)合地基的應(yīng)用[J]．山西建筑，2013，39（25）：49-50．

[3]木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（S）．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004．