蘇睿華，李利平，徐先強

(1.長興縣水利水電勘測設(shè)計所，浙江長興 313100;2.長興縣水利水電建筑工程有限公司，浙江長興 313100)

0 引言

軟弱地基指主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土構(gòu)成的地基.這種地基天然含水量大，承載力低，在荷載作用下易產(chǎn)生滑動或固結(jié)沉降.軟弱地基的性質(zhì)因地而異、因?qū)佣?，不可預(yù)見性大.在設(shè)計、施工過程中，稍有疏忽就會出現(xiàn)質(zhì)量事故.因此，如要在軟弱地基上建造水工建筑物，必須對其進(jìn)行地基處理.

松木富含松脂，防腐能力較強，古時便有“水上千年杉，水下萬年松”之說.松木樁作為一種古老的地基處理方法，以其施工便利、造價較低的優(yōu)點在小型水利工程中獲得廣泛應(yīng)用.出于種種原因，松木樁作為一種有效的處理軟弱地基的方法，在諸多地基技術(shù)規(guī)范中均未被提及，令人遺憾.現(xiàn)結(jié)合實踐經(jīng)驗，就松木樁在小型水閘軟弱地基上的應(yīng)用作出一些分析和總結(jié)，希望對業(yè)內(nèi)同行起到一定的參考作用.

1 概述

近年來，長興縣在包漾湖水源保護工程、農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)項目、圩區(qū)整治工程等多個工程項目中興建了一批小型水閘(閘室凈寬多為3 m或6 m).這些水閘大部分都坐落在硬基上，不需進(jìn)行地基處理.但也有少數(shù)水閘坐落在軟弱地基上，且軟弱地基層厚以3～4 m居多.

在工程實踐中，軟基按厚度大小可被分為深層軟基和淺層軟基.對深層軟基一般采用鋼筋混凝土樁、水泥攪拌樁等進(jìn)行處理，對淺層軟基則多采用混凝土預(yù)制短樁、松木樁、墊層法等進(jìn)行處理.而上文提及的的3～4 m淺層軟基不適宜用墊層法進(jìn)行處理，對這類淺層軟基的處理方法可在混凝土預(yù)制短樁和松木樁中進(jìn)行比較選擇.經(jīng)方案比較，采用松木樁處理此類軟弱地基不但施工便捷，而且費用較為經(jīng)濟合理，故最終選擇采用松木樁處理方案.

經(jīng)過數(shù)年的運行，這些采用松木樁處理軟弱地基的水閘基礎(chǔ)穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的沉降變形現(xiàn)象.因此，采用松木樁處理3～4 m厚的軟弱地基是一種有效可行的方法.

2 松木樁處理軟弱地基的機理［1］

2.1 樁體效用

松木樁樁體的剛度比樁間土體的大，在荷載作用下，為了保持樁體和樁間土之間變形協(xié)調(diào)，地基中的應(yīng)力根據(jù)材料模量進(jìn)行分配.這樣一來，樁體上會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，樁體承擔(dān)較大比例的荷載，并將荷載傳遞到深處土層.

2.2 墊層效用

松木樁復(fù)合地基的加固區(qū)宏觀上可視作一復(fù)合土體，其力學(xué)性能比原天然地基好.在荷載作用下，復(fù)合土體能起到均勻應(yīng)力、增大壓力擴散角的作用，有利于提高地基承載力，減少地基沉降量.

2.3 擠密效應(yīng)

松木樁復(fù)合地基在施工過程中對樁間土體的擠密作用，使樁間土壓實，從而使樁間土的承載力得到提高，壓縮性降低.

3 松木樁在小型水閘軟弱地基處理上的應(yīng)用

本文以包漾湖水源保護工程的陶家灣西閘為范例，說明松木樁在小型水閘軟弱地基處理上的應(yīng)用.

3.1 工程概況

陶家灣西閘，閘室的基礎(chǔ)面積為26 m2(b=4 m，l=6.5 m)，底板高程為 －0.3 m(85 高程，下同)，閘底板基礎(chǔ)埋深0.5 m.底板以下地質(zhì)剖面自上而下由淤泥、粘土及粉質(zhì)粘土等構(gòu)成.淤泥層呈軟塑狀，承載力50 kPa，層厚約3 m;粘土地基承載力為130 kPa，層厚約6 m;粉質(zhì)粘土地基承載力為120 kPa，層厚約5 m.經(jīng)計算，陶家灣西閘設(shè)計基底應(yīng)力為p=65 kPa，則粘土層是較為理想的持力層.

3.2 方案提出

現(xiàn)提出兩種方案，即松木樁處理方案和混凝土預(yù)制短樁處理方案，在這兩種方案之間進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟比較.

方案一:松木樁處理方案

樁端全斷面進(jìn)入持力層(粘土)深度≥2d［2］，則初步擬定松木樁長度為4 m.梢徑d初步擬定為150 mm.

在設(shè)計中，當(dāng)樁端有硬殼層存在時，可作為端承樁，按照樁材強度確定單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值:

式中:Ra—單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kN;

Φ—縱向彎曲系數(shù)，與樁間土質(zhì)有關(guān)，一般取1;

α—樁材料的應(yīng)力折減系數(shù)，木材取0.5;

［σ］—樁材料的容許壓應(yīng)力，kPa.樹種強度等級取TC15，經(jīng)查表及調(diào)整計算，木材順紋抗壓及承壓強度設(shè)計值fc為10 400 kPa，細(xì)長比λ=lo/i=4 000/(150/4)=106.67，穩(wěn)定系數(shù) φ =3 000/λ2=0.264，則［σ］ =1 040 0 × 0.264=2 746 kPa［3］;

AP—樁端截面積，m2

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

經(jīng)計算，陶家灣西閘設(shè)計基底應(yīng)力為 p=65 kPa，現(xiàn)根據(jù)單樁承載力確定樁距S.

S=p/Ra=65/24.25 ≈2.68 根 /m2

該工程基底面積為26 m2，所需樁數(shù)2.68×26≈70，實取74根，樁的布置按梅花形，見圖1.

圖1 松木樁平面布置圖

4 m長Φ150 mm的松木樁每根樁費用為140元/根，則總費用為10 360元.

方案二:混凝土預(yù)制短樁處理方案

樁端全斷面進(jìn)入持力層(粘土)深度＞=2d［1］，則初步擬定混凝土預(yù)制短樁長度為4 m.規(guī)格為方樁，尺寸為200 mm×200 mm.

混凝土預(yù)制短樁在土中形成摩擦樁，其單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算:

式中:μ—樁身平均周長，m;

qsi—樁周第i層土的側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa;

li—樁穿越第i層土的厚度，m;

qp—樁端地基土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa;

AP—樁端截面積，m2;

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

經(jīng)計算，陶家灣西閘設(shè)計基底應(yīng)力為 p=65 kPa，現(xiàn)根據(jù)單樁承載力確定樁距S.

該工程基底面積為26 m2，所需樁數(shù)1.35×26≈35，實取38根.混凝土預(yù)制樁的混凝土強度等級不宜低于C30，最小配筋率不宜小于0.6%(靜壓法沉樁)，主筋不宜小于14 mm［4］.則本工程混凝土預(yù)制樁強度等級取為C30，按構(gòu)造配筋，主筋為4Φ14.方樁截面尺寸為200 mm×200 mm，樁身配箍Φ6@100～200，Φ6@100加密區(qū)為樁頂1 m及樁底1 m;樁尖長 0.35 m，配箍 Φ6@50［4］.

混凝土預(yù)制樁的平面布置見圖2.

圖2 混凝土預(yù)制樁平面布置圖

4 m長截面尺寸為200 mm×20 mm的混凝土預(yù)制樁每根樁費用為360元/根，則總費用為13 680元.

3.3 方案比選

方案一:優(yōu)點在于投資省，施工便利;缺點在于不適用于荷載大的結(jié)構(gòu)，不適宜地下水位變化幅度較大或地下水具有較強腐蝕性的地區(qū).

方案二:優(yōu)點在于適應(yīng)性好，可適用于荷載較大的結(jié)構(gòu);缺點在于投資相對較大，且需要用到柴油打樁機，對于地處偏僻的小型水利工程，其施工機械進(jìn)場有一定難度.

由以上分析可知，方案一除了對荷載和地下水狀況有一定要求，在投資和施工便利方面均優(yōu)于方案二.而陶家灣西閘地基應(yīng)力較小，僅65 kPa，且經(jīng)地質(zhì)勘探，本工程地下水位變化幅度較小，無強腐蝕性，則綜合技術(shù)與經(jīng)濟兩方面的因素，選擇方案一，即采用松木樁處理方案.

4 松木樁的施工要點

4.1 材料選擇及施工前的準(zhǔn)備［5］

采購時要選擇新鮮、沒有蟲眼、沒有裂紋的松木.所選松木的樁長應(yīng)比設(shè)計樁長稍微長些，且木材材質(zhì)均勻，無明顯彎曲.在吊運、裝卸及存放的過程中，為避免損壞樁體，應(yīng)盡量減少振動與沖擊.存放場所的地面要堅硬平坦，以免松木樁在存放的過程中產(chǎn)生變形，影響使用.

制作松木樁時，應(yīng)削除原木樹皮，并砍去突出部分，劃出樁中軸線，鋸平樁頭，并在表面噴涂防腐材料，做好防腐處理.為了在打樁時使樁能順利貫入地基，減少阻力，保護樁頭，將樁尾部削成約300 mm長的尖錐狀.打樁前，先清除地基表面300 mm淤泥，使基礎(chǔ)頂面大致平整.

4.2 施打順序及褥墊的設(shè)置［6］

為了使擠密效果好，提高地基承載力，打樁時由基底四周往內(nèi)圈施打.每根樁需預(yù)留樁頭150～200 mm，打樁完畢后應(yīng)按設(shè)計高程鋸平樁頭，使每根樁的樁基基本保持在同一水平面.清挖打樁時擠出的淤泥，在樁頂鋪設(shè)200～300 mm厚片石灌碎石褥墊層并加以壓實，然后再澆筑素混凝土墊層及閘室底板，以保證基礎(chǔ)通過褥墊層把一部分荷載傳到樁間土上，調(diào)整樁和土的分擔(dān)作用.

4.3 其他注意事項［7］

仔細(xì)安放錘墊與樁墊，樁墊可采用120 mm厚水泥紙袋或75～100 mm厚的松木.錘擊沉樁過程中，當(dāng)樁穿過軟土層突然進(jìn)入硬層時，會產(chǎn)生大的壓應(yīng)力，須注意觀察，嚴(yán)格操作.錘擊時還要注意，當(dāng)錘擊次數(shù)越多、錘擊頻率越高，樁的強度則降低越大，損傷的可能性也越大.因此，需要控制錘擊次數(shù).

對發(fā)生“假極限”、“吸入”現(xiàn)象的樁應(yīng)進(jìn)行復(fù)打.“假極限”是指樁在飽和的細(xì)、中、粗砂中連續(xù)錘擊下沉?xí)r，使流動的砂緊密夾實于樁的周圍，妨礙土中水分沿樁上升，在樁尖下形成水壓很大的“水墊”，使樁產(chǎn)生暫時的極大貫入阻力;在休止一定時間后阻力就下降.“吸入”是指樁在粘土中連續(xù)錘擊時，由于土的滲透系數(shù)小，樁周圍的土不能滲透擴散，而沿樁身向上擠出，形成周圍的潤滑套，使樁周圍的摩擦力大為減少;在休止一定時間后，樁周土摩擦力逐漸恢復(fù).

5 結(jié)論

軟弱地基在設(shè)計之前必須從場地的土層和土質(zhì)的特點出發(fā)，對地基與基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)、施工及使用等方面進(jìn)行綜合考慮，通過方案比較選擇合理的處理方案.一般軟土厚度為3～4 m時較為適宜用松木樁處理，為了便于打樁，樁長不宜超過5 m.樁的材料必須用松木，因為松木含有豐富的松脂，能較好地防止地下水和細(xì)菌對樁的侵蝕.長興縣一些小型水閘采用松木樁進(jìn)行基礎(chǔ)處理后，經(jīng)過數(shù)年的運行，基礎(chǔ)穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的沉降變形現(xiàn)象.實踐證明，松木樁在處理淺層軟弱地基時，施工方便快捷，經(jīng)濟效益顯著，處理后的基礎(chǔ)安全可靠，因而松木樁在處理軟弱地基方面經(jīng)濟、技術(shù)均可行，不失為一種處理淺層軟弱地基的有效手段.

［1］ 邱乾勇，羅海東，陳 佳.淺層軟土地基處理方法［J］.城市道橋與防洪，2012，29(12):127 －128.

［2］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 94－2008建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50005－2003木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［4］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.04G361預(yù)制鋼筋混凝土方樁［S］.北京:中國計劃出版社，2008.

［5］ 陸慧飛，李水明.松木樁在水利工程軟土地基處理中的應(yīng)用［J］.中國科技信息，2012，24(17):58 －58.

［6］ 鄧 濤.淺談松木樁處理軟土地基［J］.民營科技，2011，17(4):182.

［7］ 張華衍.松木樁在涵閘軟基處理中的應(yīng)用［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010，18(12):68.