松木桩在长兴陶家湾水闸软弱地基处理上的应用

苏睿华，李利平，徐先强

(1.长兴县水利水电勘测设计所，浙江长兴 313100;2.长兴县水利水电建筑工程有限公司，浙江长兴 313100)

0 引言

软弱地基指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土构成的地基.这种地基天然含水量大，承载力低，在荷载作用下易产生滑动或固结沉降.软弱地基的性质因地而异、因层而异，不可预见性大.在设计、施工过程中，稍有疏忽就会出现质量事故.因此，如要在软弱地基上建造水工建筑物，必须对其进行地基处理.

松木富含松脂，防腐能力较强，古时便有“水上千年杉，水下万年松”之说.松木桩作为一种古老的地基处理方法，以其施工便利、造价较低的优点在小型水利工程中获得广泛应用.出于种种原因，松木桩作为一种有效的处理软弱地基的方法，在诸多地基技术规范中均未被提及，令人遗憾.现结合实践经验，就松木桩在小型水闸软弱地基上的应用作出一些分析和总结，希望对业内同行起到一定的参考作用.

1 概述

近年来，长兴县在包漾湖水源保护工程、农业综合开发项目、圩区整治工程等多个工程项目中兴建了一批小型水闸(闸室净宽多为3 m或6 m).这些水闸大部分都坐落在硬基上，不需进行地基处理.但也有少数水闸坐落在软弱地基上，且软弱地基层厚以3～4 m居多.

在工程实践中，软基按厚度大小可被分为深层软基和浅层软基.对深层软基一般采用钢筋混凝土桩、水泥搅拌桩等进行处理，对浅层软基则多采用混凝土预制短桩、松木桩、垫层法等进行处理.而上文提及的的3～4 m浅层软基不适宜用垫层法进行处理，对这类浅层软基的处理方法可在混凝土预制短桩和松木桩中进行比较选择.经方案比较，采用松木桩处理此类软弱地基不但施工便捷，而且费用较为经济合理，故最终选择采用松木桩处理方案.

经过数年的运行，这些采用松木桩处理软弱地基的水闸基础稳定，未出现明显的沉降变形现象.因此，采用松木桩处理3～4 m厚的软弱地基是一种有效可行的方法.

2 松木桩处理软弱地基的机理［1］

2.1 桩体效用

松木桩桩体的刚度比桩间土体的大，在荷载作用下，为了保持桩体和桩间土之间变形协调，地基中的应力根据材料模量进行分配.这样一来，桩体上会产生应力集中现象，桩体承担较大比例的荷载，并将荷载传递到深处土层.

2.2 垫层效用

松木桩复合地基的加固区宏观上可视作一复合土体，其力学性能比原天然地基好.在荷载作用下，复合土体能起到均匀应力、增大压力扩散角的作用，有利于提高地基承载力，减少地基沉降量.

2.3 挤密效应

松木桩复合地基在施工过程中对桩间土体的挤密作用，使桩间土压实，从而使桩间土的承载力得到提高，压缩性降低.

3 松木桩在小型水闸软弱地基处理上的应用

本文以包漾湖水源保护工程的陶家湾西闸为范例，说明松木桩在小型水闸软弱地基处理上的应用.

3.1 工程概况

陶家湾西闸，闸室的基础面积为26 m2(b=4 m，l=6.5 m)，底板高程为 －0.3 m(85 高程，下同)，闸底板基础埋深0.5 m.底板以下地质剖面自上而下由淤泥、粘土及粉质粘土等构成.淤泥层呈软塑状，承载力50 kPa，层厚约3 m;粘土地基承载力为130 kPa，层厚约6 m;粉质粘土地基承载力为120 kPa，层厚约5 m.经计算，陶家湾西闸设计基底应力为p=65 kPa，则粘土层是较为理想的持力层.

3.2 方案提出

现提出两种方案，即松木桩处理方案和混凝土预制短桩处理方案，在这两种方案之间进行技术经济比较.

方案一:松木桩处理方案

桩端全断面进入持力层(粘土)深度≥2d［2］，则初步拟定松木桩长度为4 m.梢径d初步拟定为150 mm.

在设计中，当桩端有硬壳层存在时，可作为端承桩，按照桩材强度确定单桩承载力标准值:

式中:Ra—单桩承载力标准值，kN;

Φ—纵向弯曲系数，与桩间土质有关，一般取1;

α—桩材料的应力折减系数，木材取0.5;

［σ］—桩材料的容许压应力，kPa.树种强度等级取TC15，经查表及调整计算，木材顺纹抗压及承压强度设计值fc为10 400 kPa，细长比λ=lo/i=4 000/(150/4)=106.67，稳定系数 φ =3 000/λ2=0.264，则［σ］ =1 040 0 × 0.264=2 746 kPa［3］;

AP—桩端截面积，m2

故Ra=1×0.5×2746×π ×(0.15/2)2=24.25 kN/根

经计算，陶家湾西闸设计基底应力为 p=65 kPa，现根据单桩承载力确定桩距S.

S=p/Ra=65/24.25 ≈2.68 根 /m2

该工程基底面积为26 m2，所需桩数2.68×26≈70，实取74根，桩的布置按梅花形，见图1.

图1 松木桩平面布置图

4 m长Φ150 mm的松木桩每根桩费用为140元/根，则总费用为10 360元.

方案二:混凝土预制短桩处理方案

桩端全断面进入持力层(粘土)深度＞=2d［1］，则初步拟定混凝土预制短桩长度为4 m.规格为方桩，尺寸为200 mm×200 mm.

混凝土预制短桩在土中形成摩擦桩，其单桩承载力标准值按下式计算:

式中:μ—桩身平均周长，m;

qsi—桩周第i层土的侧阻力标准值，kPa;

li—桩穿越第i层土的厚度，m;

qp—桩端地基土的承载力标准值，kPa;

AP—桩端截面积，m2;

故Ra=4×0.2×5×3+4×0.2×20×1+0.2 × 0.2 × 500=48 kN/根

经计算，陶家湾西闸设计基底应力为 p=65 kPa，现根据单桩承载力确定桩距S.

该工程基底面积为26 m2，所需桩数1.35×26≈35，实取38根.混凝土预制桩的混凝土强度等级不宜低于C30，最小配筋率不宜小于0.6%(静压法沉桩)，主筋不宜小于14 mm［4］.则本工程混凝土预制桩强度等级取为C30，按构造配筋，主筋为4Φ14.方桩截面尺寸为200 mm×200 mm，桩身配箍Φ6@100～200，Φ6@100加密区为桩顶1 m及桩底1 m;桩尖长 0.35 m，配箍 Φ6@50［4］.

混凝土预制桩的平面布置见图2.

图2 混凝土预制桩平面布置图

4 m长截面尺寸为200 mm×20 mm的混凝土预制桩每根桩费用为360元/根，则总费用为13 680元.

3.3 方案比选

方案一:优点在于投资省，施工便利;缺点在于不适用于荷载大的结构，不适宜地下水位变化幅度较大或地下水具有较强腐蚀性的地区.

方案二:优点在于适应性好，可适用于荷载较大的结构;缺点在于投资相对较大，且需要用到柴油打桩机，对于地处偏僻的小型水利工程，其施工机械进场有一定难度.

由以上分析可知，方案一除了对荷载和地下水状况有一定要求，在投资和施工便利方面均优于方案二.而陶家湾西闸地基应力较小，仅65 kPa，且经地质勘探，本工程地下水位变化幅度较小，无强腐蚀性，则综合技术与经济两方面的因素，选择方案一，即采用松木桩处理方案.

4 松木桩的施工要点

4.1 材料选择及施工前的准备［5］

采购时要选择新鲜、没有虫眼、没有裂纹的松木.所选松木的桩长应比设计桩长稍微长些，且木材材质均匀，无明显弯曲.在吊运、装卸及存放的过程中，为避免损坏桩体，应尽量减少振动与冲击.存放场所的地面要坚硬平坦，以免松木桩在存放的过程中产生变形，影响使用.

制作松木桩时，应削除原木树皮，并砍去突出部分，划出桩中轴线，锯平桩头，并在表面喷涂防腐材料，做好防腐处理.为了在打桩时使桩能顺利贯入地基，减少阻力，保护桩头，将桩尾部削成约300 mm长的尖锥状.打桩前，先清除地基表面300 mm淤泥，使基础顶面大致平整.

4.2 施打顺序及褥垫的设置［6］

为了使挤密效果好，提高地基承载力，打桩时由基底四周往内圈施打.每根桩需预留桩头150～200 mm，打桩完毕后应按设计高程锯平桩头，使每根桩的桩基基本保持在同一水平面.清挖打桩时挤出的淤泥，在桩顶铺设200～300 mm厚片石灌碎石褥垫层并加以压实，然后再浇筑素混凝土垫层及闸室底板，以保证基础通过褥垫层把一部分荷载传到桩间土上，调整桩和土的分担作用.

4.3 其他注意事项［7］

仔细安放锤垫与桩垫，桩垫可采用120 mm厚水泥纸袋或75～100 mm厚的松木.锤击沉桩过程中，当桩穿过软土层突然进入硬层时，会产生大的压应力，须注意观察，严格操作.锤击时还要注意，当锤击次数越多、锤击频率越高，桩的强度则降低越大，损伤的可能性也越大.因此，需要控制锤击次数.

对发生“假极限”、“吸入”现象的桩应进行复打.“假极限”是指桩在饱和的细、中、粗砂中连续锤击下沉时，使流动的砂紧密夹实于桩的周围，妨碍土中水分沿桩上升，在桩尖下形成水压很大的“水垫”，使桩产生暂时的极大贯入阻力;在休止一定时间后阻力就下降.“吸入”是指桩在粘土中连续锤击时，由于土的渗透系数小，桩周围的土不能渗透扩散，而沿桩身向上挤出，形成周围的润滑套，使桩周围的摩擦力大为减少;在休止一定时间后，桩周土摩擦力逐渐恢复.

5 结论

软弱地基在设计之前必须从场地的土层和土质的特点出发，对地基与基础的结构、施工及使用等方面进行综合考虑，通过方案比较选择合理的处理方案.一般软土厚度为3～4 m时较为适宜用松木桩处理，为了便于打桩，桩长不宜超过5 m.桩的材料必须用松木，因为松木含有丰富的松脂，能较好地防止地下水和细菌对桩的侵蚀.长兴县一些小型水闸采用松木桩进行基础处理后，经过数年的运行，基础稳定，未出现明显的沉降变形现象.实践证明，松木桩在处理浅层软弱地基时，施工方便快捷，经济效益显著，处理后的基础安全可靠，因而松木桩在处理软弱地基方面经济、技术均可行，不失为一种处理浅层软弱地基的有效手段.

［1］ 邱乾勇，罗海东，陈 佳.浅层软土地基处理方法［J］.城市道桥与防洪，2012，29(12):127 －128.

［2］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ 94－2008建筑桩基技术规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［3］ 中华人民共和国建设部.GB 50005－2003木结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［4］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.04G361预制钢筋混凝土方桩［S］.北京:中国计划出版社，2008.

［5］ 陆慧飞，李水明.松木桩在水利工程软土地基处理中的应用［J］.中国科技信息，2012，24(17):58 －58.

［6］ 邓 涛.浅谈松木桩处理软土地基［J］.民营科技，2011，17(4):182.

［7］ 张华衍.松木桩在涵闸软基处理中的应用［J］.中国新技术新产品，2010，18(12):68.