木桩复合地基在软土地基处理中的设计与应用

杨智强 余舒惠

（贵州省建筑材料科学研究设计院有限责任公司，贵州 贵阳 550000）

在世界建筑史中，木桩作为重要的建筑基础材料曾被广泛应用于各种建筑中，但是随着经济的不断发展，科技的不断进步使得建筑技术不断得以提升，大量新的建筑材料被应用到工程中，其中钢筋混凝土以其优异的材料特性和力学特性，在各类建筑基础中得到广泛的使用，成为最重要的建筑材料之一，从而全面取代了木桩的地位。然而木桩并未就此退出工程界，在一些特殊的工程条件下，木桩以其运输便捷、便于施工和经济性好等优势，仍有一定的使用价值。

目前，对于木桩的应用主要以复合地基的形式对软土地基进行处理。木桩复合地基即以木桩作为复合地基增强体，并与桩间土共同作用，从而提高原软土地基的承载力，降低土体的压缩性，减小地基沉降量的一种地基处理方式。对于使用木桩作为复合地基增强体，应满足一定的前提条件，主要有以下几个方面：1） 木材选用时应遵循因地制宜的原则，便于取材；2）所使用的木材应具有较好的受力特性，要具备良好的抗压，抗弯和抗剪等强度指标。3） 要具备较好的耐腐蚀性，尤其是在水下的耐腐蚀性，必须能够抵御微生物和地下水的侵蚀。4）桩身应完好，不能有空洞、断裂等缺陷。

笔者于2018 年参与的一个工程项目设计中，地基处理方式就运用了木桩复合地基，本文就以该工程为例，就木桩复合地基的承载力、沉降等方面的计算及有关施工方法进行分析和探讨。

1 项目慨况

1.1 场地概述

该项目为利用回转窑煅烧铝矾土矿生产高铝熟料生产线，项目地点位于南美洲圭亚那共和国林登市，由于本项目由中资企业投资建设，并由国内施工单位进行施工，所以本项目的勘察、设计、施工、验收等各方面的工作均执行中国现行标准和规范。该地区位于地球赤道附近南北纬10 度之间，属热带雨林气候，雨量充沛。厂区建设场地为河流冲积平原，海拔高度在33m 左右，厂区南西侧为“DEMERARA RIVER”河，距厂区直线距离约100～150m。

1.2 工程地质情况

1） 地基岩土分布情况，根据本项目《岩土工程勘察报告》，该建设场地土层主要由粉土及细砂土组成。粉土分布较为均匀，厚度大，细砂土分布不连续，厚度较小。地基土物理力学性质指标及设计承载力见下表：

表1 地基土物理力学性质指标及设计承载力参数表

2） 地下水，由于本工程场地紧靠“DEMERARA RIVER”河，场地内地下水受河流侧向补给，同时直接接受大气降水，场地内地下水位较高，稳定水位埋深在0.5m～3.20m之间，根据水质分析报告，PH 值为5.87-6.24，呈弱酸性。

1.3 地基处理方案的确定

由于地下水位较高且水量充沛，粉土层虽然具备一定的承载力，但在地下水的作用下，尤其在基坑开挖后在外力的扰动下，极易形成流塑状淤泥质粉土，使其丧失原有的承载力，成为软土地基。因此，该场地内天然土层不能直接作为地基持力层，必须对其进行处理。

由于受到材料、设备采购困难和施工条件差等方面因素的制约，在对各种地基处理方案进行认真对比后，最终确定采用木桩复合地基进行地基处理，理由是：1） 材料采购和运输方便，木桩采用当地产绿心樟木，该木材强度较大，其抗压强度91.7MPa，韧性好，在水中耐久性好，具备作为复合地基增强体的条件。并且可以在当地直接采购，运输距离短（其余建筑材料均需从他国进口）；2） 施工方便，木桩用打桩机直接锤入土中。3） 工期短，造价低。

2 木桩复合地基的计算分析与设计

本文以回转窑窑墩基础为例进行计算分析，该基础形式为平板式筏形基础，其平面尺寸见图1，基础底板厚度为2.5m，基础埋深为3.0m。经计算，作用于基础底面的平均净反力为PK=176.7KN/m2，基底最大反力为PKmax=273.2KN/m2，基底最小反力为PKmin=15.2KN/m2。

图1 窑墩基础平面图

2.1 木桩桩身强度计算

本工程所采用的木桩为当地产绿心樟木，根据业主提供的资料，该木桩大头直径为350～500mm，小头直径为300～450mm。根据《木结构设计规范》 （GB50005-2003） 第4.2条规定，其强度等级为TB20，抗压强度设计值为，弹性模量，为方便计算，设计时按平均直径400mm 进行计算。参考《建筑地基基础设计规范》 （GB50007-2011） 第8.5.11 公式，其桩身强度按下式进行计算：

式中：Ap—— 桩身截面面积（m2）；

fc—— 木桩的抗压强度设计值（KPa）；

φc—— 工作条件系数，本工程中按非预应力预制桩取值，为0.75；

经计算，木桩按桩身强度计算的单桩承载力为。

2.2 增强体单桩竖向承载力特征值计算

本工程增强体单桩竖向承载力特征值按《建筑地基处理技术规范》 （JGJ79-2012） 第7.1.5 条相关公式进行计算，则计算如下：

式中：Ra—— 单桩竖向承载力特征值（KN）；up—— 木桩的周长（m）；

qsi—— 桩周第i层土的侧阻力特征值（KPa），本工程地基土以粉土为主，其取值为22KPa；

lsi—— 桩长范围内第i层土的厚度（m），本工程桩长为10m，该范围内均为粉土，因此其取值为10m ；

αp—— 桩端阻力发挥系数，本工程取值为0.5 ；

qp—— 桩端端阻力特征值，根据地勘报告取值为1000 KPa；

经计算，单桩竖向承载力特征值为Ra=339.12KN。

2.3 复合地基承载力计算

根据上述计算结果，可以看出Ra＜Q，则单桩竖向承载力取两者的较小值，即Ra=339.12KN。

1） 木桩布置

木桩按梅花状布置，每相邻三根桩成等边三角形，相邻桩间距按3 倍桩径考虑，即S=1.2m，如图2 所示：

图2 木桩布置图

则，复合地基面积置换率为m=d2/de2=0.101，其中d为桩身直径，de为单桩分担的处理地基面积的等效圆直径，取1.05s。

按《建筑地基处理技术规范》 （JGJ79-2012） 第7.1.5条中有粘结强度增强体复合地基进行计算，其计算公式如下：

式中：λ —— 单桩承载力发挥系数，根据规范其取值范围为0.8～1.0，本工程取值为0.9；

β—— 桩间土承载力发挥系数，根据规范其取值范围为0.8～1.0，本工程取值为0.9；

fspk—— 复合地基承载力特征值（KPa）；

fsk—— 处理后桩间土承载力特征值（KPa），为使计算结果偏安全，该值按天然地基土承载力特征值取值。

经计算，复合地基承载力特征值为fspk=342.52KPa＞Pkmax=273.2KPa，满足要求。

2.4 软弱下卧层验算

根据地勘报告，由于粉土层厚度较大，复合地基以下土体均为粉土层，属软弱下卧层，因此需对其进行验算，根据《建筑地基基础设计规范》 （GB50007-2011） 第5.2.7 条公式计算如下：

1) 软弱下卧层顶面地基承载力特征值计算：

式中：faz—— 软弱下卧层顶面经深度修正后的地基承载力特征值（KPa）；

ηd—— 软弱下卧层顶面埋深的地基承载力修正系数，本工程取值为1.5；

d—— 软弱下卧层顶面埋置深度，为13.4m ；

γm—— 软弱下卧层顶面以上土体平均重度，有地下水时取有效重度，本工程中，粉土天然饱和重度为18.7KN/m3，软弱下卧层顶面以上为复合地基，木桩重度为10.1KN/m3，面积置换率为0.101。经换算，复合地基平均重度γp=17.8KN/m3。

经计算，软弱下卧层顶面地基承载力特征值faz=270.9KPa。

2) 软弱下卧层顶面附加压力和土的自重压力值计算：

式中：pcz—— 软弱下卧层顶面处土的自重压力值（KPa）；

z—— 复合地基处理深度，为10.3m ；

γw—— 地下水重度，取10KPa；

pc—— 基础底面处土的自重压力，为74KPa。

式中：Pz—— 相应于作用的标准组合时，软弱下卧层顶面的附加压力值（KPa）；

b，l—— 基础底面的宽度和长度（m）；

Pk—— 基底平均压力标准值，为176.7KPa；

bp，lp—— 复合地基底面的宽度和长度，分别为13.2m 和22.86m 。

经计算，软弱下卧层顶面地的附加压力值Pz=61.3KPa。则：满足要求。

2.5 地基变形计算

1） 基底以下土层参数：

序号 土层名称 厚度/m 重度/(KN/m3) MPa 1 复合地基 10 17.8 40.4 2粉土 20 18.7 14.3

2） 确定ΔZ 的长度：

根据基础宽度b=10m，查表5.3.7 得ΔZ=1.0m。

3） 计算地基变形量：

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

经计算 满足要求

5） 地基最终变形量计算：

式中：S—— 地基最终变形量（mm）；

ψS—— 沉降计算经验系数，本工程中，经计算ES=20MPa，又P0＞fak，查表5.3.5 得ψS的取值为0.2 ；

zi—— 基础底面至第i 层土底面的距离（m）；

经计算，地基最终沉降量S=10.38mm，该沉降量远小于各类建构筑物的沉降量允许值，是满足要求的。

综合以上计算结果，采用木桩复合地基对软土地基进行处理，各项计算指标均能满足现行规范的要求。

3 施工质量控制

木桩采用机械锤入方式。施工前，应先开挖至碎石褥垫层底面标高，并进行人工整平场地。基坑开挖时边应作放坡处理，并根据土质情况确定放坡比值。基坑开挖时，如地下水位较高，应注意降低基槽水位，并防止扰动基底土层，以免降低地基土承载力。桩基工程施工前应先打试桩，以试桩资料确定单桩承载力标准值，并确定工程桩的施工参数及控制标准，施工过程中应对夯击次数、夯沉量、隆起度、孔隙水压力、土体位移等项目进行监测。同时应对周边建、构筑物变形进行监测。打桩时应先静压方式将木桩压入土中达到稳定后再进行机械打桩，在打桩过程中应随时保证桩身垂直度，避免桩身倾斜，同时保证单桩的桩位偏差小于规范规定的允许偏差值。桩基工程竣工后，应按规范要求进行承载力试验。

木桩可按梅花形、正方形或矩形进行布置。为方便施工，打桩的顺序可沿一个方向连续施打，同时要控制好桩间距，打桩完毕后应按设计标高锯平桩头并清除打桩时挤出的淤泥。木桩施工完成后，应在桩顶铺设300mm 厚褥垫层，以保证桩间土的作用得到最大限度的发挥，褥垫层可采用级配砂石垫层，其中碎石粒径应为5～30mm， 最大粒径不宜大于40mm，其内不应含植物残体，垃圾等杂质。砂料可采用中、粗砂。垫层施工应分层铺填和夯（压） 实，每层铺填厚度不应大于150mm。垫层竣工验收合格后，应及时进行基础施工与基坑回填。

4 结语

在处理软土地基时，采用木桩复合地基不仅能有效提高软土的地基承载力，减少地基沉降量，还具有施工机具设备及其操作过程简单、施工便捷、经济效益显著等优点。在一些特殊的条件下，例如地形复杂的施工地点，大型机械很难进场的情况下，或在工期紧张的情况下这种优势更加突出。

但同时也应注意到，由于木桩的特性，会使木桩复合地基的使用受到诸多限制，就取材而言，并非所有的木材都能作为木桩使用，所选用的木材应具有较好的受力特性，要具备良好的抗压，抗弯和抗剪等强度指标，同时还要具备较好的耐腐蚀性，尤其是在水下的耐腐蚀性，必须能够抵御微生物和地下水的侵蚀。就地质条件而言，若地下水位变化幅度较大，干湿环境交替频繁，或地下水具有较强腐蚀性的地方就不适宜木桩复合地基。因此，在对于处理软土地基时采用何种处理方式，还应根据实际情况综合判断后才能作出最佳选择。