“木麻黄”桩复合地基的应用

2013-08-21王志鑫李龙飞林师兴

山西建筑 2013年25期

王志鑫唐鹰李龙飞林师兴

(海南水文地质工程地质勘察院，海南海口 570228)

在海南省沿海、沿河地区，接近地表部分埋藏着厚度不等的由于海相、河相沉积而成的淤泥质软土。这些地基具有承载力低、压缩性大、透水性差和地下水位高等特点。在该种软弱地基上修建建筑物往往会出现地基强度和变形不能满足设计要求的问题，因而需要采取措施进行地基处理。在海南的工程实践中，在该类地基上的高层建筑一般采用桩基础或桩筏基础来满足设计要求。然而对于一般的多层私人住宅楼，采用桩基础显然是不经济的。根据当地的工程经验，大多数3层～6层的小型住宅建筑采用“木麻黄”桩来进行地基处理(“木麻黄”又名驳骨松，树干通直，生长迅速，能耐盐碱，是我国南方滨海防风固林的优良树种)。

我国历史上采用木桩来处理软弱地基的工程有很多，可以说，用木桩来进行地基处理是一项古老的技术。然而，让人遗憾的是，木桩复合地基在现行《建筑地基处理技术规范》《建筑地基基础设计规范》等技术规范中均未提及。因而对木桩处理软弱地基往往停留在经验上，技术人员不敢轻易采用。在本文中，笔者根据海南当地的工程实践，对用“木麻黄”桩复合地基的设计计算方法、施工方法及其注意事项等进行一些总结，以供参考。

1 “木麻黄”桩复合地基的加固机理分析

复合地基的应力分布是比较复杂的，目前常用的复合地基有砂桩、碎石桩、灰土桩深层搅拌桩等。它们都是由刚度不同的材料组成，共同承担上部荷载并协调变形的人工地基。“木麻黄”桩复合地基与这些常见的复合地基相比，除了桩的材质不同外，其余均有相似之处，因此其加固机理也是类似的。1)桩体传递荷载的作用:复合地基由许多独立桩体与桩间土共同工作，桩体和桩间土沉降相等，由于桩体的刚度比桩间土体大，在基础底面发生等量变形时，地基中应力将重新分配，桩体产生应力集中而桩间土应力降低，桩体承担着较大比例的荷载。由于桩的强度和抗变形能力均优于土体，故而形成后的复合地基承载力、模量也优于原土体，从而达到减小变形、提高承载力的效果。2)桩体对周围土体的挤密作用:“木麻黄”桩施工时，随着桩体的打入，桩孔位置原有土体被强制侧向挤压，使桩周一定范围内的土层密实度提高，起到挤密的作用。工程中根据以上两种作用机理的侧重点不同分为“刚性桩”和“柔性桩”。“木麻黄”桩在计算的时候是按照“刚性桩”还是“柔性桩”来处理，笔者认为，“木麻黄”桩具有两重特性，它的受力特性介于柔性桩和刚性桩之间，土和桩共同分担基础荷载，桩间土分担的荷载作用是不能忽视的。

2 “木麻黄”桩复合地基的设计计算方法

2.1 单桩承载力特征值Ra的确定

1)按照桩身材料强度确定单桩承载力:Ra=ηfcuAp。其中，Ra为单桩竖向承载力特征值;η为桩身材料强度折减系数，木材取0.5;fcu为“木麻黄”桩的抗压强度，根据《木结构设计规范》取;Ap为桩端截面积。2)按照土抗力确定单桩承载力αApqp。其中，d为木桩的平均直径;n为桩身范围内所划分的图层数;hi为桩周第i层土的厚度;qsi为桩周第i层土的平均摩阻力特征值;qp为桩端天然地基土的承载力特征值;α为桩端天然地基土的承载力折减系数，可取0.4～0.6。比较两式算出的Ra值，取较小值作为单桩承载力的特征值。

2.2 桩距的确定

本文建议按柔性桩考虑桩的布置间距。因为“木麻黄”桩桩身直径较小，采用锤击打入时易造成桩头、桩身断裂，且在“木麻黄”桩受荷过程中，事实上存在偏心受荷及水平受荷等不利受荷情况，因此不宜过高估计桩土的应力比。在确定桩距时，可以借鉴规范中砂石桩桩距的计算公式。等边三角形布桩时:S=0.9ξd其中，S为“木麻黄”桩间距;d为“木麻黄”桩直径;ξ为修正系数，取1.0;e0为处理前的地基土孔隙比;e1为地基挤密后要求达到的孔隙比。

2.3 “木麻黄”桩复合地基承载力的确定

“木麻黄”桩复合地基的承载力计算思路是先分别确定桩体的承载力和桩间土承载力，然后根据一定的原则叠加这两部分承载力得到复合地基的承载力。其中，fspk为复合地基承载力特征值，kPa;m为面积置换率，当等边三角形布桩时为桩体竖向承载力特征值，kN;Ap为桩端截面积，m2;β为桩间土承载力发挥度，对于该类地基取0.7;fsk为桩间土承载力特征值，kPa。

2.4 沉降计算

复合地基沉降计算采用将加固区与下卧层分别考虑的沉降计算方法，即分别计算加固区土层的压缩量S1和下卧层的压缩量S2，相加即为复合地基的沉降量S。加固区压缩量计算方法采用复合模量法。将复合地基加固区中增强体和基体两部分视为一复合土体，采用复合压缩模量Ec来评价复合土体的压缩性，并采用分层总和法计算加固区土层压缩量其中，ΔPi为第i层复合土平均附加应力增量;Hi为第i层复合土的厚度;Eci为第i层复合土的复合压缩模量，Eci=mEpi+(1－m)Esi;Epi为第i层复合土中桩的压缩模量;Esi为第i层复合土中桩间土的压缩模量。

下卧层土层压缩模量S2的计算也可采用分层总和法计算，即:

其中，Esi为下卧层中第i分层土的压缩模量。

3 “木麻黄”桩的施工工艺及方法

3.1 “木麻黄”桩桩长和桩径的选取

“木麻黄”桩的桩长应该根据工程的地质条件来选取。但是为了施工方便和便于就地取材，桩的长度一般取4 m～6 m，同时为了保证加固效果，桩长不宜短于3 m。从经济效果考虑，木桩的尾径一般为100 mm～200 mm。

3.2 施工机械的选取

在小型工程中，由于施工场地的限制，大型的打桩机械不能进场，并且价格昂贵，因此一般选择柴油桩锤来打桩，在打桩过程中要注意桩头的保护。为了提高施工进度，也可以直接采用反铲挖掘机来压桩，在压桩的时候，先由两个人扶桩就位，用反铲扣压木桩，将木桩压入地基一定深度自稳，最后让人离开，由挖掘机把木桩压下去。与柴油锤打桩相比，用反铲挖掘机压桩难以保证桩的垂直度，桩身容易发生倾斜。

3.3 施工要点

1)桩的布置宜按梅花形，严格按分段、间隔、间歇的施工工序，由外向内施打。按照规定，在地基的外缘扩打一排桩。2)在打桩的后期，如果发现入桩困难应该停止打桩，不能强行施打，以免引起桩身破坏。3)在打桩前，应先开挖到基础底面标高以下50 cm。4)打桩完成后，按统一标高锯掉桩头，铺30 cm～50 cm的砂石垫层，压密。通过褥垫层来调整桩和土的承载。

3.4 耐久性分析

“木麻黄”桩属于松木的一种，在民间早有“水下万年松”的说法。因为松木含有丰富的松脂，松脂能很好地防止地下水和细菌对木材的腐蚀作用。所以说，松木在地下水位较高的土层中应用时其耐久性能更好。在海口市的旧城改造时，曾挖出当时用于地基处理的“木麻黄”桩，在经历了上百年后，其保持完好。

4 使用“木麻黄”桩的注意事项

1)在复合地基设计和施工之前，必须认真进行工程地质勘察，了解地基的基本情况，通过对地基和基础的结构、施工和经济方面进行综合考虑，选择是否适合使用“木麻黄”桩。2)由于受桩长的限制，木桩只适用于处理软土较浅的地基，同时，软弱土层不能太厚，否则会因沉降变形太大而影响建筑物的正常使用。3)“木麻黄”桩复合地基只适用于上部荷载较小的小型建筑，通常设计最大地基应力不超过130 kN/m2。