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        木樁復(fù)合地基在軟土地基處理中的設(shè)計與應(yīng)用

        2019-07-20 07:03:02楊智強余舒惠
        建材發(fā)展導(dǎo)向 2019年23期
        關(guān)鍵詞:臥層木樁單樁

        楊智強 余舒惠

        (貴州省建筑材料科學(xué)研究設(shè)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(chǔ)材料曾被廣泛應(yīng)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(shù)不斷得以提升,大量新的建筑材料被應(yīng)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(xué)特性,在各類建筑基礎(chǔ)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(yīng)用主要以復(fù)合地基的形式對軟土地基進行處理。木樁復(fù)合地基即以木樁作為復(fù)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(fù)合地基增強體,應(yīng)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(yīng)遵循因地制宜的原則,便于取材;2)所使用的木材應(yīng)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(yīng)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(shè)計中,地基處理方式就運用了木樁復(fù)合地基,本文就以該工程為例,就木樁復(fù)合地基的承載力、沉降等方面的計算及有關(guān)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(zhuǎn)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(shè),并由國內(nèi)施工單位進行施工,所以本項目的勘察、設(shè)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(shè)場地為河流沖積平原,海拔高度在33m 左右,廠區(qū)南西側(cè)為“DEMERARA RIVER”河,距廠區(qū)直線距離約100~150m。

        1.2 工程地質(zhì)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(shè)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(xué)性質(zhì)指標及設(shè)計承載力見下表:

        表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標及設(shè)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(cè)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(zhì)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(zhì)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(shè)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(fù)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(fù)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(fù)合地基的計算分析與設(shè)計

        本文以回轉(zhuǎn)窯窯墩基礎(chǔ)為例進行計算分析,該基礎(chǔ)形式為平板式筏形基礎(chǔ),其平面尺寸見圖1,基礎(chǔ)底板厚度為2.5m,基礎(chǔ)埋深為3.0m。經(jīng)計算,作用于基礎(chǔ)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(chǔ)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計值為,彈性模量,為方便計算,設(shè)計時按平均直徑400mm 進行計算。參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)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(shè)計值(KPa);

        φc—— 工作條件系數(shù),本工程中按非預(yù)應(yīng)力預(yù)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(shù)規(guī)范》 (JGJ79-2012) 第7.1.5 條相關(guān)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(cè)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(fù)合地基承載力計算

        根據(jù)上述計算結(jié)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(fù)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(shù)規(guī)范》 (JGJ79-2012) 第7.1.5條中有粘結(jié)強度增強體復(fù)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(fù)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(jié)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(fù)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(fù)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(chǔ)設(shè)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(fù)合地基,木樁重度為10.1KN/m3,面積置換率為0.101。經(jīng)換算,復(fù)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(fù)合地基處理深度,為10.3m ;

        γw—— 地下水重度,取10KPa;

        pc—— 基礎(chǔ)底面處土的自重壓力,為74KPa。

        式中:Pz—— 相應(yīng)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(chǔ)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(fù)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(fù)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(chǔ)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(chǔ)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(gòu)筑物的沉降量允許值,是滿足要求的。

        綜合以上計算結(jié)果,采用木樁復(fù)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(zhì)量控制

        木樁采用機械錘入方式。施工前,應(yīng)先開挖至碎石褥墊層底面標高,并進行人工整平場地?;娱_挖時邊應(yīng)作放坡處理,并根據(jù)土質(zhì)情況確定放坡比值?;娱_挖時,如地下水位較高,應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)對周邊建、構(gòu)筑物變形進行監(jiān)測。打樁時應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)按設(shè)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(yīng)在樁頂鋪設(shè)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(yīng)為5~30mm, 最大粒徑不宜大于40mm,其內(nèi)不應(yīng)含植物殘體,垃圾等雜質(zhì)。砂料可采用中、粗砂。墊層施工應(yīng)分層鋪填和夯(壓) 實,每層鋪填厚度不應(yīng)大于150mm。墊層竣工驗收合格后,應(yīng)及時進行基礎(chǔ)施工與基坑回填。

        4 結(jié)語

        在處理軟土地基時,采用木樁復(fù)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(shè)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(fù)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(yīng)注意到,由于木樁的特性,會使木樁復(fù)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(yīng)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(zhì)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(fù)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(yīng)根據(jù)實際情況綜合判斷后才能作出最佳選擇。

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