木樁復合地基在軟土地基處理中的設計與應用

楊智強 余舒惠

（貴州省建筑材料科學研究設計院有限責任公司，貴州 貴陽 550000）

在世界建筑史中，木樁作為重要的建筑基礎材料曾被廣泛應用于各種建筑中，但是隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，科技的不斷進步使得建筑技術不斷得以提升，大量新的建筑材料被應用到工程中，其中鋼筋混凝土以其優(yōu)異的材料特性和力學特性，在各類建筑基礎中得到廣泛的使用，成為最重要的建筑材料之一，從而全面取代了木樁的地位。然而木樁并未就此退出工程界，在一些特殊的工程條件下，木樁以其運輸便捷、便于施工和經(jīng)濟性好等優(yōu)勢，仍有一定的使用價值。

目前，對于木樁的應用主要以復合地基的形式對軟土地基進行處理。木樁復合地基即以木樁作為復合地基增強體，并與樁間土共同作用，從而提高原軟土地基的承載力，降低土體的壓縮性，減小地基沉降量的一種地基處理方式。對于使用木樁作為復合地基增強體，應滿足一定的前提條件，主要有以下幾個方面：1） 木材選用時應遵循因地制宜的原則，便于取材；2）所使用的木材應具有較好的受力特性，要具備良好的抗壓，抗彎和抗剪等強度指標。3） 要具備較好的耐腐蝕性，尤其是在水下的耐腐蝕性，必須能夠抵御微生物和地下水的侵蝕。4）樁身應完好，不能有空洞、斷裂等缺陷。

筆者于2018 年參與的一個工程項目設計中，地基處理方式就運用了木樁復合地基，本文就以該工程為例，就木樁復合地基的承載力、沉降等方面的計算及有關施工方法進行分析和探討。

1 項目慨況

1.1 場地概述

該項目為利用回轉窯煅燒鋁礬土礦生產(chǎn)高鋁熟料生產(chǎn)線，項目地點位于南美洲圭亞那共和國林登市，由于本項目由中資企業(yè)投資建設，并由國內(nèi)施工單位進行施工，所以本項目的勘察、設計、施工、驗收等各方面的工作均執(zhí)行中國現(xiàn)行標準和規(guī)范。該地區(qū)位于地球赤道附近南北緯10 度之間，屬熱帶雨林氣候，雨量充沛。廠區(qū)建設場地為河流沖積平原，海拔高度在33m 左右，廠區(qū)南西側為“DEMERARA RIVER”河，距廠區(qū)直線距離約100～150m。

1.2 工程地質情況

1） 地基巖土分布情況，根據(jù)本項目《巖土工程勘察報告》，該建設場地土層主要由粉土及細砂土組成。粉土分布較為均勻，厚度大，細砂土分布不連續(xù)，厚度較小。地基土物理力學性質指標及設計承載力見下表：

表1 地基土物理力學性質指標及設計承載力參數(shù)表

2） 地下水，由于本工程場地緊靠“DEMERARA RIVER”河，場地內(nèi)地下水受河流側向補給，同時直接接受大氣降水，場地內(nèi)地下水位較高，穩(wěn)定水位埋深在0.5m～3.20m之間，根據(jù)水質分析報告，PH 值為5.87-6.24，呈弱酸性。

1.3 地基處理方案的確定

由于地下水位較高且水量充沛，粉土層雖然具備一定的承載力，但在地下水的作用下，尤其在基坑開挖后在外力的擾動下，極易形成流塑狀淤泥質粉土，使其喪失原有的承載力，成為軟土地基。因此，該場地內(nèi)天然土層不能直接作為地基持力層，必須對其進行處理。

由于受到材料、設備采購困難和施工條件差等方面因素的制約，在對各種地基處理方案進行認真對比后，最終確定采用木樁復合地基進行地基處理，理由是：1） 材料采購和運輸方便，木樁采用當?shù)禺a(chǎn)綠心樟木，該木材強度較大，其抗壓強度91.7MPa，韌性好，在水中耐久性好，具備作為復合地基增強體的條件。并且可以在當?shù)刂苯硬少?，運輸距離短（其余建筑材料均需從他國進口）；2） 施工方便，木樁用打樁機直接錘入土中。3） 工期短，造價低。

2 木樁復合地基的計算分析與設計

本文以回轉窯窯墩基礎為例進行計算分析，該基礎形式為平板式筏形基礎，其平面尺寸見圖1，基礎底板厚度為2.5m，基礎埋深為3.0m。經(jīng)計算，作用于基礎底面的平均凈反力為PK=176.7KN/m2，基底最大反力為PKmax=273.2KN/m2，基底最小反力為PKmin=15.2KN/m2。

圖1 窯墩基礎平面圖

2.1 木樁樁身強度計算

本工程所采用的木樁為當?shù)禺a(chǎn)綠心樟木，根據(jù)業(yè)主提供的資料，該木樁大頭直徑為350～500mm，小頭直徑為300～450mm。根據(jù)《木結構設計規(guī)范》 （GB50005-2003） 第4.2條規(guī)定，其強度等級為TB20，抗壓強度設計值為，彈性模量，為方便計算，設計時按平均直徑400mm 進行計算。參考《建筑地基基礎設計規(guī)范》 （GB50007-2011） 第8.5.11 公式，其樁身強度按下式進行計算：

式中：Ap—— 樁身截面面積（m2）；

fc—— 木樁的抗壓強度設計值（KPa）；

φc—— 工作條件系數(shù)，本工程中按非預應力預制樁取值，為0.75；

經(jīng)計算，木樁按樁身強度計算的單樁承載力為。

2.2 增強體單樁豎向承載力特征值計算

本工程增強體單樁豎向承載力特征值按《建筑地基處理技術規(guī)范》 （JGJ79-2012） 第7.1.5 條相關公式進行計算，則計算如下：

式中：Ra—— 單樁豎向承載力特征值（KN）；up—— 木樁的周長（m）；

qsi—— 樁周第i層土的側阻力特征值（KPa），本工程地基土以粉土為主，其取值為22KPa；

lsi—— 樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度（m），本工程樁長為10m，該范圍內(nèi)均為粉土，因此其取值為10m ；

αp—— 樁端阻力發(fā)揮系數(shù)，本工程取值為0.5 ；

qp—— 樁端端阻力特征值，根據(jù)地勘報告取值為1000 KPa；

經(jīng)計算，單樁豎向承載力特征值為Ra=339.12KN。

2.3 復合地基承載力計算

根據(jù)上述計算結果，可以看出Ra＜Q，則單樁豎向承載力取兩者的較小值，即Ra=339.12KN。

1） 木樁布置

木樁按梅花狀布置，每相鄰三根樁成等邊三角形，相鄰樁間距按3 倍樁徑考慮，即S=1.2m，如圖2 所示：

圖2 木樁布置圖

則，復合地基面積置換率為m=d2/de2=0.101，其中d為樁身直徑，de為單樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，取1.05s。

按《建筑地基處理技術規(guī)范》 （JGJ79-2012） 第7.1.5條中有粘結強度增強體復合地基進行計算，其計算公式如下：

式中：λ —— 單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)規(guī)范其取值范圍為0.8～1.0，本工程取值為0.9；

β—— 樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，根據(jù)規(guī)范其取值范圍為0.8～1.0，本工程取值為0.9；

fspk—— 復合地基承載力特征值（KPa）；

fsk—— 處理后樁間土承載力特征值（KPa），為使計算結果偏安全，該值按天然地基土承載力特征值取值。

經(jīng)計算，復合地基承載力特征值為fspk=342.52KPa＞Pkmax=273.2KPa，滿足要求。

2.4 軟弱下臥層驗算

根據(jù)地勘報告，由于粉土層厚度較大，復合地基以下土體均為粉土層，屬軟弱下臥層，因此需對其進行驗算，根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》 （GB50007-2011） 第5.2.7 條公式計算如下：

1) 軟弱下臥層頂面地基承載力特征值計算：

式中：faz—— 軟弱下臥層頂面經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值（KPa）；

ηd—— 軟弱下臥層頂面埋深的地基承載力修正系數(shù)，本工程取值為1.5；

d—— 軟弱下臥層頂面埋置深度，為13.4m ；

γm—— 軟弱下臥層頂面以上土體平均重度，有地下水時取有效重度，本工程中，粉土天然飽和重度為18.7KN/m3，軟弱下臥層頂面以上為復合地基，木樁重度為10.1KN/m3，面積置換率為0.101。經(jīng)換算，復合地基平均重度γp=17.8KN/m3。

經(jīng)計算，軟弱下臥層頂面地基承載力特征值faz=270.9KPa。

2) 軟弱下臥層頂面附加壓力和土的自重壓力值計算：

式中：pcz—— 軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值（KPa）；

z—— 復合地基處理深度，為10.3m ；

γw—— 地下水重度，取10KPa；

pc—— 基礎底面處土的自重壓力，為74KPa。

式中：Pz—— 相應于作用的標準組合時，軟弱下臥層頂面的附加壓力值（KPa）；

b，l—— 基礎底面的寬度和長度（m）；

Pk—— 基底平均壓力標準值，為176.7KPa；

bp，lp—— 復合地基底面的寬度和長度，分別為13.2m 和22.86m 。

經(jīng)計算，軟弱下臥層頂面地的附加壓力值Pz=61.3KPa。則：滿足要求。

2.5 地基變形計算

1） 基底以下土層參數(shù)：

序號 土層名稱 厚度/m 重度/(KN/m3) MPa 1 復合地基 10 17.8 40.4 2粉土 20 18.7 14.3

2） 確定ΔZ 的長度：

根據(jù)基礎寬度b=10m，查表5.3.7 得ΔZ=1.0m。

3） 計算地基變形量：

Z(m) l/b’ Z/b’ αi αi*Zi Zi*αi-Zi-1*αi-1(m)Esi(MPa)△si’=4*po*Ai/Esi(mm)si’=∑△si’(mm)10 1.8 2.0 0.218 1.526 1.526 40.40 18.63 18.63 20 1.8 4.0 0.133 2.664 1.138 14.30 39.25 57.88 21 1.8 4.2 0.129 2.707 0.043 14.30 1.48 59.36

經(jīng)計算 滿足要求

5） 地基最終變形量計算：

式中：S—— 地基最終變形量（mm）；

ψS—— 沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，本工程中，經(jīng)計算ES=20MPa，又P0＞fak，查表5.3.5 得ψS的取值為0.2 ；

zi—— 基礎底面至第i 層土底面的距離（m）；

經(jīng)計算，地基最終沉降量S=10.38mm，該沉降量遠小于各類建構筑物的沉降量允許值，是滿足要求的。

綜合以上計算結果，采用木樁復合地基對軟土地基進行處理，各項計算指標均能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

3 施工質量控制

木樁采用機械錘入方式。施工前，應先開挖至碎石褥墊層底面標高，并進行人工整平場地。基坑開挖時邊應作放坡處理，并根據(jù)土質情況確定放坡比值?；娱_挖時，如地下水位較高，應注意降低基槽水位，并防止擾動基底土層，以免降低地基土承載力。樁基工程施工前應先打試樁，以試樁資料確定單樁承載力標準值，并確定工程樁的施工參數(shù)及控制標準，施工過程中應對夯擊次數(shù)、夯沉量、隆起度、孔隙水壓力、土體位移等項目進行監(jiān)測。同時應對周邊建、構筑物變形進行監(jiān)測。打樁時應先靜壓方式將木樁壓入土中達到穩(wěn)定后再進行機械打樁，在打樁過程中應隨時保證樁身垂直度，避免樁身傾斜，同時保證單樁的樁位偏差小于規(guī)范規(guī)定的允許偏差值。樁基工程竣工后，應按規(guī)范要求進行承載力試驗。

木樁可按梅花形、正方形或矩形進行布置。為方便施工，打樁的順序可沿一個方向連續(xù)施打，同時要控制好樁間距，打樁完畢后應按設計標高鋸平樁頭并清除打樁時擠出的淤泥。木樁施工完成后，應在樁頂鋪設300mm 厚褥墊層，以保證樁間土的作用得到最大限度的發(fā)揮，褥墊層可采用級配砂石墊層，其中碎石粒徑應為5～30mm， 最大粒徑不宜大于40mm，其內(nèi)不應含植物殘體，垃圾等雜質。砂料可采用中、粗砂。墊層施工應分層鋪填和夯（壓） 實，每層鋪填厚度不應大于150mm。墊層竣工驗收合格后，應及時進行基礎施工與基坑回填。

4 結語

在處理軟土地基時，采用木樁復合地基不僅能有效提高軟土的地基承載力，減少地基沉降量，還具有施工機具設備及其操作過程簡單、施工便捷、經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點。在一些特殊的條件下，例如地形復雜的施工地點，大型機械很難進場的情況下，或在工期緊張的情況下這種優(yōu)勢更加突出。

但同時也應注意到，由于木樁的特性，會使木樁復合地基的使用受到諸多限制，就取材而言，并非所有的木材都能作為木樁使用，所選用的木材應具有較好的受力特性，要具備良好的抗壓，抗彎和抗剪等強度指標，同時還要具備較好的耐腐蝕性，尤其是在水下的耐腐蝕性，必須能夠抵御微生物和地下水的侵蝕。就地質條件而言，若地下水位變化幅度較大，干濕環(huán)境交替頻繁，或地下水具有較強腐蝕性的地方就不適宜木樁復合地基。因此，在對于處理軟土地基時采用何種處理方式，還應根據(jù)實際情況綜合判斷后才能作出最佳選擇。