松木桩基础在软土地基处理中的应用研究

刘君洪

（广州市水务规划勘测设计研究院　广东　广州　510640）



松木桩基础在软土地基处理中的应用研究

刘君洪

（广州市水务规划勘测设计研究院广东广州510640）

摘要松木桩在浅层软土地基基础处理中应用广泛，在设计中却缺乏相应规程规范进行计算。本文为笔者根据工作中的经验，参考水泥搅拌桩复合地基的计算方法，应用于松木桩基础设计计算，并结合现场荷载试验，对该计算方法相应参数、结果进行校对，验证该计算方法的合理性。

关键词松木桩;设计计算;合理性

1　引言

1.1松木桩简介

松木桩是用松木制作的木桩，因其造价低廉、施工运输方便及工期短、适应性强等优点，广泛应用于软土地基基础处理。松木含有丰富的松脂，而松脂能很好地防止地下水和细菌对其的腐蚀，其在潮湿环境的耐久性极好，有“水泡万年松”之美誉。古代著名的灵渠基础处理便是使用的松木桩。松木桩性能有：

1）弹性韧性好，能承受冲击和振动作用；

2）在适当的保养条件下，有较好的耐久性；

3）联结构造简单，易于加工；

4）松木桩具有较强的吸湿性和湿胀干缩性，干燥松木吸湿时，随着吸附水的增加，松木将发生体积膨胀，增大桩体与土体的摩擦力；

5）由于松木的组织结构特点，使得它具有较好的抗拉、抗压、抗弯和抗剪强度；

6）松木桩如有缺陷易于从外表观察，不致将有疵病的木材用于重要结构。

1.2现状松木桩基础设计的方法

翻阅各类规程规范，对常见的基础桩基处理如：碎石桩、水泥搅拌桩、高压喷射注浆桩、刚性桩等均有详细计算理论与方法。而对于松木桩复合地基则没有对应的计算方法。

现状松木桩基础处理设计一般采用现场荷载试验的办法，在工程区域区基础典型地质段，进行试桩及现场载荷试验，通过一些工程经验，判定松木桩的桩长、桩距等施工参数。该办法虽然可靠，但现场荷载试验时间长，对于试桩桩距、桩长的经验判定有较高的要求，否则桩距过大，则试验失败，桩距过小，提高了工程造价。另一方面，遇到地质情况较为复杂的工程段时，荷载试验取点密度必然提高，增加了试验难度及试验成本。荷载试验的方法对于一般的点工程尚可行，对于长战线的工程，如河道堤岸整治、道路等，则适用起来非常繁琐，事倍功半。

局部地区用松木桩时甚至不进行荷载试验，根据经验直接进行施工，这种办法虽然免去了荷载试验的繁琐，但对工程可靠性，无法保障。

笔者通过对水泥搅拌桩、预制桩、高压喷射旋喷桩、松木桩的工作原理进行分析，认为松木桩和水泥搅拌桩的工作性质相似，拟采用计算水泥搅拌桩复合地基的办法，对相关参数进行微调，计算松木桩复合地基。

2　工程案例

2.1设计基础资料

某沿海地区堤岸整治工程，原堤岸为土堤，其堤高和结构稳定性均不满足防洪排涝的要求，需对其进行整治。根据地质钻孔资料及挡墙地基应力计算结果，基础层淤泥质土不能满足地基承载力要求，需进行地基处理。

根据挡墙地基应力计算结果，地基允许承载力特征值不小于105kPa，勘察资料显示基础层土质从上至下依次为淤泥质土、细砂、粉质粘土，承载力特征值分别为45 kPa、100 kPa、180kPa，其中淤泥层深度6m～8m。根据地质情况，基础处理方式可选用水泥搅拌桩、松木桩高压旋喷桩等。按照经济性，施工难易程度，适应性等因素，两者均合适。由于淤泥深度较深，前期推荐采用水泥搅拌桩的基础处理方案。但由于该工程工期时间要求非常短，采用水泥搅拌桩成桩待凝的时间长，对工期影响较大。经多方协商讨论，决定采用松木桩进行基础处理。根据市场松木桩规格情况，松木桩桩长初定为6m，尾径为80mm。

3.2设计计算方法

松木桩基础处理设计采用《建筑地基基础设计规范》GB50007.2011水泥搅拌桩复合地基的计算方法：

单桩竖向承载力特征值取下两式计算值的小值：

式中：

表1　地质参数表

表2　挡墙基底应力计算成果表

fcu—桩身抗拉强度平均值（kPa），根据《木结构设计规范》，取松木顺纹抗拉强度8500kPa；

η—桩身强度折减系数，取1（不折减）；

up—桩的周长，取松木桩平均桩径100mm，Up=0.314m；

n—桩长范围内所划分的土层数，n=1；

qsi—桩周第i层土的侧阻力特征值，淤泥层qs1=6 kPa ～12kPa（《广东省地基处理技术规范》）；

qp—桩端地基土未经修正的承载力特征值，kPa，取qp=45kPa；

α—桩端天然地基土的承载力折减系数，取α=0.8。

复合地基承载力：

式中：

fspk——复合地基承载力特征值，kPa；

m——面积置换率；

Ra——单桩竖向承载力特征值，kPa；

Ap——桩端截面积，0.00785m2；

β——桩间土承载力折减系数，0.5～0.9；

fsk——桩间土承载力特征值，取45kPa。

2.3计算参数选取

从单桩竖向承载力特征值公式不难看出，由于松木桩桩径较小，桩端土层承载力较低，松木桩的端承作用不明显（计算式与其工作时间情况吻合），其主要抵抗上部结构作用的抗力为松木桩与桩间土摩擦力及桩间土承载力。

式中对单桩竖向承载力影响最大的可变参数取值为土层侧阻力特征值qsi，规范参考值：淤泥为4 kPa ～7kPa，淤泥质土为6 kPa ～12 kPa。根据地质报告对该层土的描述情况，“灰黑色，流塑～软塑，具腥臭味，含贝壳，易污手，局部揭露砂质粘性土夹层，平均标贯击数为2击。该土层为该地区典型的淤泥质土，选取均值8kPa值计算，得Ra=15.32kN。

木桩桩身强度参考《木结构设计规范》，选取松木顺纹抗压强度8500 kPa；由于桩身强度在施工及其工作时，均不受影响，故桩身折减系数取1。

由复合地基承载力公式可见，承载力由桩和桩间土两部分组成。其中桩间土的承载力折减系数为经验值，取值范围较大，该值对计算的地基承载力影响较大，结合地基土下卧土层情况，依次为细砂、粉质粘土，土质较好，本处考虑桩间土作用，选取0.8计算。经试算，桩距为450mm，矩形布置，复合地基承载力特征值为108kPa。

3　现场地基载荷试验验证

3.1试验方法

试验采用地基平板载荷试验，承压板边长为0.9m×0.9m，底板铺设5mm中粗砂找平。试验荷载每一级按220/8kPa的荷载（22.3kN）加载，第一级为两倍。选取工程3个典型部位进行试验。

3.2试验结果

试验点1试验加载到245kN时，p- s曲线出现明显拐点，达到结束试验标准。破坏前一级荷载为222.7kN，地基承载力极限值为274 kPa，p- s曲线无比例界限，地基承载力特征值取极限值的一半为137kPa，如图1。

图1　试验点1p- s曲线图

试验点2试验加载到201kN时，p- s曲线出现明显拐点，达到结束试验标准。破坏前一级荷载为159kN，地基承载力极限值为220 kPa，p- s曲线无比例界限，地基承载力特征值取极限值的一半为110 kPa，如图2。

图2　试验点2 p- s曲线图

试验点3试验加载到223kN时，p- s曲线出现明显拐点，达到结束试验标准。破坏前一级荷载为179kN，地基承载力极限值为247 kPa，p- s曲线无比例界限，地基承载力特征值取极限值的一半为123.5 kPa，如图3。

图3　试验点3p- s曲线图

4　结论与建议

4.1计算结果与试验结果对比

三个部位松木桩荷载试验承载力结果分别为：137 kPa、110 kPa、123.5 kPa，平均值为123.5 kPa。采用水泥搅拌桩复合地基承载力计算方法算得的松木桩地基承载力特征值为108 kPa。计算结果与试验结果相差12.5%，差距不大。采用该方法进行松木桩初步设计计算具有一定的参考价值。根据松木桩的工作原理，结合地质参数及对土层的具体描述，合理的选取设计计算参数是影响计算结果的关键因素。其中松木桩的侧摩阻力系数及桩间土承载力折减系数的选取对计算结果影响较大，应细致分析区域地质情况，合理的选取为宜。

在初步设计时，可以采用上述方法进行松木桩基础处理设计计算，为工程造价提供计算依据。工程实施时应根据现场试桩及载荷试验对松木桩基础布置进行确定。

4.2松木桩应用的一些建议

松木桩作为传统的基础处理方式，其高强度且密度小，弹、韧性好，可承受一定冲击作用。松木桩具有吸湿性及湿胀干缩性的特点，吸水后体积膨胀，对桩间土有一定挤密作用，同时增大了摩擦作用，这是其它刚性桩基础所无法替代的。其“水下千年松”的特有防腐性，在软基处理，特别是淤泥、淤泥土质的基础处理中具有很好的适应性。

松木桩桩长一般不长于6m，基础处理深度受限，处理深度同时也制约其处理承载力的大小。根据笔者经验，松木桩一般适用于不高于130kPa的部位。松木桩在使用过程中应注意以下几点：

1）松木桩为“原木”，不用剥皮，不要锯成别的形状，如对半锯成半圆状，容易造成后期桩身弯曲变形，失去作用。

2）不能将更笔直，桩长可达更长的“杉木桩”或其它木桩替代或推广成松木桩，因为大部分常见木材是忌水，在水中将会快速变黑、变形和腐烂，杉木尤其如此。

3）施工时要考虑到松木桩所能承受的沉桩冲击力，沉桩冲击力应能控制在300kg.m以内，以免冲击力过大破坏松木桩的桩体。

4）淤泥及淤泥质土水平抗力很小，桩群上端容易出现整体水平位移，从而拉裂地面设施。处理办法一般在松木桩间铺设一层块石，顶部设置碎石垫层，以提高桩群的水平刚度。陕西水利

（责任编辑：畅妮）

中图分类号：U445

文献标识码：A