楊智強(qiáng) 余舒惠

（貴州省建筑材料科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 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(jì)的不斷發(fā)展，科技的不斷進(jìn)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(yùn)輸便捷、便于施工和經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)，仍有一定的使用價(jià)值。

目前，對(duì)于木樁的應(yīng)用主要以復(fù)合地基的形式對(duì)軟土地基進(jìn)行處理。木樁復(fù)合地基即以木樁作為復(fù)合地基增強(qiáng)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(duì)于使用木樁作為復(fù)合地基增強(qiáng)體，應(yīng)滿足一定的前提條件，主要有以下幾個(gè)方面：1） 木材選用時(shí)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(qiáng)度指標(biāo)。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(gè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，地基處理方式就運(yùn)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(jì)算及有關(guān)施工方法進(jìn)行分析和探討。

1 項(xiàng)目慨況

1.1 場(chǎng)地概述

該項(xiàng)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(xiàng)目地點(diǎn)位于南美洲圭亞那共和國(guó)林登市，由于本項(xiàng)目由中資企業(yè)投資建設(shè)，并由國(guó)內(nèi)施工單位進(jìn)行施工，所以本項(xiàng)目的勘察、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等各方面的工作均執(zhí)行中國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)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(xiàng)目《巖土工程勘察報(bào)告》，該建設(shè)場(chǎng)地土層主要由粉土及細(xì)砂土組成。粉土分布較為均勻，厚度大，細(xì)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(biāo)及設(shè)計(jì)承載力見下表：

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及設(shè)計(jì)承載力參數(shù)表

2） 地下水，由于本工程場(chǎng)地緊靠“DEMERARA RIVER”河，場(chǎng)地內(nèi)地下水受河流側(cè)向補(bǔ)給，同時(shí)直接接受大氣降水，場(chǎng)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(bào)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(dòng)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(chǎng)地內(nèi)天然土層不能直接作為地基持力層，必須對(duì)其進(jìn)行處理。

由于受到材料、設(shè)備采購(gòu)困難和施工條件差等方面因素的制約，在對(duì)各種地基處理方案進(jìn)行認(rèn)真對(duì)比后，最終確定采用木樁復(fù)合地基進(jìn)行地基處理，理由是：1） 材料采購(gòu)和運(yùn)輸方便，木樁采用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)綠心樟木，該木材強(qiáng)度較大，其抗壓強(qiáng)度91.7MPa，韌性好，在水中耐久性好，具備作為復(fù)合地基增強(qiáng)體的條件。并且可以在當(dāng)?shù)刂苯硬少?gòu)，運(yùn)輸距離短（其余建筑材料均需從他國(guó)進(jìn)口）；2） 施工方便，木樁用打樁機(jī)直接錘入土中。3） 工期短，造價(jià)低。

2 木樁復(fù)合地基的計(jì)算分析與設(shè)計(jì)

本文以回轉(zhuǎn)窯窯墩基礎(chǔ)為例進(jìn)行計(jì)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(jì)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(qiáng)度計(jì)算

本工程所采用的木樁為當(dāng)?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(jì)規(guī)范》 （GB50005-2003） 第4.2條規(guī)定，其強(qiáng)度等級(jí)為TB20，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為，彈性模量，為方便計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)按平均直徑400mm 進(jìn)行計(jì)算。參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB50007-2011） 第8.5.11 公式，其樁身強(qiáng)度按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Ap—— 樁身截面面積（m2）；

fc—— 木樁的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jì)算，木樁按樁身強(qiáng)度計(jì)算的單樁承載力為。

2.2 增強(qiáng)體單樁豎向承載力特征值計(jì)算

本工程增強(qiáng)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(jìn)行計(jì)算，則計(jì)算如下：

式中：Ra—— 單樁豎向承載力特征值（KN）；up—— 木樁的周長(zhǎng)（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(zhǎng)范圍內(nèi)第i層土的厚度（m），本工程樁長(zhǎng)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(bào)告取值為1000 KPa；

經(jīng)計(jì)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(jì)算

根據(jù)上述計(jì)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(dān)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(qiáng)度增強(qiáng)體復(fù)合地基進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)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(jì)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(jì)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(yàn)算

根據(jù)地勘報(bào)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(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》 （GB50007-2011） 第5.2.7 條公式計(jì)算如下：

1) 軟弱下臥層頂面地基承載力特征值計(jì)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(shí)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(jì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，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(zhǎng)度（m）；

Pk—— 基底平均壓力標(biāo)準(zhǔn)值，為176.7KPa；

bp，lp—— 復(fù)合地基底面的寬度和長(zhǎng)度，分別為13.2m 和22.86m 。

經(jīng)計(jì)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(jì)算

1） 基底以下土層參數(shù)：

序號(hào) 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(zhǎng)度：

根據(jù)基礎(chǔ)寬度b=10m，查表5.3.7 得ΔZ=1.0m。

3） 計(jì)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(jì)算 滿足要求

5） 地基最終變形量計(jì)算：

式中：S—— 地基最終變形量（mm）；

ψS—— 沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，本工程中，經(jīng)計(jì)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(jì)算，地基最終沉降量S=10.38mm，該沉降量遠(yuǎn)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(jì)算結(jié)果，采用木樁復(fù)合地基對(duì)軟土地基進(jìn)行處理，各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)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(jī)械錘入方式。施工前，應(yīng)先開挖至碎石褥墊層底面標(biāo)高，并進(jìn)行人工整平場(chǎng)地?；娱_挖時(shí)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(shí)，如地下水位較高，應(yīng)注意降低基槽水位，并防止擾動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)值，并確定工程樁的施工參數(shù)及控制標(biāo)準(zhǔn)，施工過程中應(yīng)對(duì)夯擊次數(shù)、夯沉量、隆起度、孔隙水壓力、土體位移等項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)應(yīng)對(duì)周邊建、構(gòu)筑物變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。打樁時(shí)應(yīng)先靜壓方式將木樁壓入土中達(dá)到穩(wěn)定后再進(jìn)行機(jī)械打樁，在打樁過程中應(yīng)隨時(shí)保證樁身垂直度，避免樁身傾斜，同時(shí)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(jìn)行承載力試驗(yàn)。

木樁可按梅花形、正方形或矩形進(jìn)行布置。為方便施工，打樁的順序可沿一個(gè)方向連續(xù)施打，同時(shí)要控制好樁間距，打樁完畢后應(yīng)按設(shè)計(jì)標(biāo)高鋸平樁頭并清除打樁時(shí)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(jí)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?bào)w，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(shí)，每層鋪填厚度不應(yīng)大于150mm。墊層竣工驗(yàn)收合格后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行基礎(chǔ)施工與基坑回填。

4 結(jié)語(yǔ)

在處理軟土地基時(shí)，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(jī)具設(shè)備及其操作過程簡(jiǎn)單、施工便捷、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)。在一些特殊的條件下，例如地形復(fù)雜的施工地點(diǎn)，大型機(jī)械很難進(jìn)場(chǎng)的情況下，或在工期緊張的情況下這種優(yōu)勢(shì)更加突出。

但同時(shí)也應(yīng)注意到，由于木樁的特性，會(huì)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(qiáng)度指標(biāo)，同時(shí)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(qiáng)腐蝕性的地方就不適宜木樁復(fù)合地基。因此，在對(duì)于處理軟土地基時(shí)采用何種處理方式，還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合判斷后才能作出最佳選擇。