木麻黄桩在堤防软土地基中的设计与应用

2017-11-04李皇胜中水珠江规划勘测设计有限公司海南分公司

大陆桥视野 2017年18期

关键词：木麻黄挡墙木桩

李皇胜/中水珠江规划勘测设计有限公司海南分公司

木麻黄桩在堤防软土地基中的设计与应用

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本文在介绍了木麻黄桩加固软土地基原理的基础上，就木麻黄木桩的设计计算、适用范围、施工工艺流程和操作进行探讨，结合堤防工程实例，表明在特定的条件下，木麻黄桩用于软土地基的加固具独特的优势。

软土地基；木麻黄桩；加固原理；应用

在河道堤防工程施工中，软土地基是一种常见的地基，它一般具有强度较低、压缩性较高和透水性较小以及含水量大等特点，一般都不能满足堤防或涵闸等建筑物基底承载力的要求。软基处理根据软弱地基的面积、深度以及承载力要求等，可采用抛石、水泥土搅拌桩、粉喷桩、换填等多种处理方法。但在地下水位较高，软基面积不大而软基深度较深的情况下由于其施工地域狭小、工程量相对较少，采用换填处理需要对软土挖除，换填透水性好的材料，不仅施工困难而且极易塌方；采用水泥土搅拌桩、粉喷桩等又因工程量小而增大成本，同时也拖延了工期。在海南沿海地区，对于中小水利工程，采用木麻黄桩进行处理不仅施工较为方便快捷，而且施工工艺也比较简单，成本也较低，也是一种较好的软基处理方法。

木麻黄别称马毛树、驳骨松，生长迅速，抗风力强，能耐盐碱，是中国南方滨海防风固林的优良树种。我国民间采用木桩处理地基的工程不少，作为一种古老的地基处理方法，木桩复合地基在现行技术规范中均未提及，因而对木桩处理软土地基往往停留在经验上，技术人员不敢轻易采用。本文结合笔者在海南当地的堤防工程实践，对用木麻黄处理软土地基的问题进行一些探讨，以供参考。

一、木麻黄加固软土地基原理

复合地基是指部分土体被增强或被置换，形成由地基土和竖向增强体共同承担荷载的人工地基[1]。木麻黄桩复合地基和其它复合地基相比，除桩的材料不同外，其余均有相似之处，其加固机理：一是桩体的的支撑作用，木麻黄桩复合地基以木麻黄桩取代了与桩体体积相同、低强度土体，在承受外荷载时，基础中应力按桩土应力比重新分配。应力向桩体逐渐集中，桩周土体所承受的应力相应减少，大部分荷载由木桩承受。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。二是挤密作用：木桩施工时，采用静力压入法打入，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，起到挤密作用。根据桩体的材料、强度与承载力，可分为刚性、柔性和半刚性桩，笔者认为，和水泥土搅拌桩类似，木麻黄木桩可以算作半刚性桩。基础荷载主要通过桩下传，土的主要受力区在加固深度中间，或者接近基底或桩底。

木麻黄桩处理堤防软土地基的机理就是利用木桩能够对软土地基进行挤密并形成整体以提高地基承载力。在无坚硬持力层的情况下，靠桩间挤密软土层，使软土的孔隙比达到要求，并在桩顶用片石混凝土或片石嵌缝碎石填隙，形成刚性承载面，从而桩、软土和片石混凝土或片石层共同形成整体支撑体系来承受基础荷载，增加了基底的整体性，以提高地基承载力，避免不均匀沉降；在有坚硬持力层的情况下，木桩除了起到挤密软土作用外，还靠自身的承载能力传递荷载至持力层，因而，在这种情况下，主要由木桩与顶面的片石混凝土或片石层形成支撑体系，挤密后的软土孔隙比并不能达到承载的挤密程度，所以木桩承受大部分的荷载，受挤密后的软土承受荷载相对要小得多，在计算时要重点考虑木桩的承载能力，同时也要考虑软土承受的荷载。

二、设计计算方法

木麻黄桩复合地基承载力计算无现行规范可依，笔者结合工程实践，参照规范[1]，认为可按有粘接强度增强体复合地基，即规范[1]7.1.5-2式计算确定。

（一）单桩承载力Ra的确定

1.由桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力，按下式计算：

式中：Ap为桩的截面积（m2）；up为桩的周长（m）；qsi为桩周第i层土的侧阻力特征值（kPa），可按地区经验确定；li为桩长范围内第i层土的厚度（m）；qp为桩端地基土未经修正的承载力特征值（kPa）；αp为桩端端阻力发挥系数，取0.5。

2.桩身材料强度确定的单桩承载力。

式中：η为桩身强度折减系数，王志鑫[2]采用木材取为0.5；fcu为木麻黄抗压强度，可根据规范[3]取。

比较两式算出的Ra值，取较小者作为单桩承载力特征值。

（二）桩复合地基承载力

木麻黄桩复合地基承载力特征值按规范[1]7.1.5-2式计算：

式中：λ为单桩承载力发挥系数，可取1.0；Ra为单桩竖向承载力特征值（kN）；m为面积置换率；fsk为桩间土体承载力标准值（kPa），根据地质勘察报告取；β为桩间土承载力发挥系数，可按地区经验取值。

三、木麻黄桩适用范围和施工工艺

（一）木麻黄桩处理软土地基的适应条件：

首先，软土厚度一般小于5.0m。其次，软土地基必须在满足设计埋深以，且在年最低水位以下，以保证木麻黄桩常年浸在水中，防止木麻黄桩时干时湿，腐朽变质。对于地下水位变化幅度较大或地下水具有较强腐蚀性的地区，不宜使用木麻黄桩。最后，只适用于上部荷载不大的中小型建筑物，通常设计最大地基应力不超过130kPa。

（二）对木麻黄桩的要求

首先，木麻黄桩的长度一般不宜长于6.0m，因为太长，就难就地取材，材料贵且不经济，还不易打桩；但也不宜短于2.5m。其次，木麻黄桩的尾径一般取10～20cm，桩头用斧头削尖。

（三）操作过程

1.探明软土地基的厚度以确定木麻黄桩的长度，每隔2～3m试探。

2.打桩：打桩设备可采用钢板桩施工设备，使用最多的是振动打桩机。无钢板桩施工设备时，可用挖掘机，方法是用挖掘机的挖斗倒过来扣压桩，功效较高，仅需两人扶桩到位，由挖斗轻按至桩入土自稳，然后人走开，由挖掘机压桩。

3.打桩时，为使挤密效果好，必须由基底四周往内圈施打。桩的布置以梅花形为好，桩间距离不宜小于3倍桩径。

4.打桩，完毕应锯平桩头，使每根桩的桩顶基本水平。清挖打桩时挤出的淤泥，然后采用块石灌砂回填，一般厚度为20～30cm，保证基础不包桩头，使受力均匀。在基础下设置褥垫层可减小桩土应力比，充分发挥桩间土的作用，即可增大β，减少基础底面的应力集中。

5.最后取土样做土工试验，或用长杆贯入仪验证处理后地基的实际承载能力是否满足设计要求。

四、工程实例

实例1 海南省文昌市某防洪（潮）项目，河道为出海口感潮河段，位于老城区内，堤防迎水面采用直立式悬臂挡墙，最大基底应力为117kPa。钻孔资料揭露堤基土层自上而下为素填土、淤泥质粉质粘土、粘土、层砂质粘性土、强风化花岗岩。挡墙坐落于淤泥质粉质粘土上，该层天然地基承载力特征值不足60kPa，饱和，软塑，局部含有少量石英砂粒及贝壳碎屑，偶夹有腐殖质，切面有光泽，干强度中等，韧性中等，标准贯入试验击数N=1～2击。原设计基础采用水泥土搅拌桩进行处理，但在实施过程中，由于场地条件限制，桩机无法作业，后经经济和施工难易比选分析，改为采用木麻黄桩处理方案。经计算，采用木麻黄桩桩长5m，可进入砂质粘性土持力层，木桩尾径不小于0.12m，梅花形布置，间距为0.5m可满足承载力要求。

该方案操作简便，对周边市政管网和设施影响较小，大大推进了工程进度，投资上也和原方案基本持平。工程完工后，堤防经过几次台风洪水，挡墙运行完好。

图1 挡墙基础处理断面图

图2 挡墙基础处理平面布置图

实例2 海南省东方市某防洪（潮）项目，堤防为砼矮墙加斜坡土堤结构，中下游段施工过程中，开挖揭露约140m长的原有养殖鱼塘范围内，分布有淤泥质土，为软土层，流塑～软塑状，压缩性高，承载力低，抗剪强度低，厚度约5m，埋深相对较浅，对堤基抗滑稳定影响较大。软土层渗透性能弱，标贯击数1～3击，平均标贯击数2.2击，无法满足挡墙和堤身承载力要求。经经济和施工难易比选分析，迎水面挡墙和堤身基础增加木麻黄桩和砂垫层组合处理，以提高基底承载力。采用木麻黄桩尾径不小于0.1m，平均桩长5m，梅花形布置，挡墙范围内桩距为1m，堤身范围内桩距为1.5m。处理后通过现场地基荷载实验表明，复合地基承载力挡墙范围大于80kPa，堤身范围大于70kPa，分别满足挡墙和堤身承载力要求。

该处理方案无需等待地基长时间沉降固结，见效快，施工设备可通过堤身并碾压无明显沉降，极大推进了工程进度。