浅析松木桩在软土路基中的设计与施工

许世友

厦门中平公路勘察设计院有限公司湖北分公司

1 前言

软弱土指淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土及其他高压缩性土，其特性是天然含水量高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩系数高、渗透系数小。软土在外荷载作用下的地基承载力低、地基变形大且变形稳定历时较长，广泛分布于我国浙闽沿海地区和内陆江河湖区的周围。随着城市化发展越来越快，原本不适合工程建设的软土区域也得到了开发利用，新建道路工程在软土地基上建设也较频繁和常见。由于软土含水量大，孔隙比大，承载力低，压缩性高等因素，难以承载较大的填土高度及车辆荷载，后期路基的沉降以及位移比较大，对道路的使用功能将造成较大破坏。因此，我们在软土地基上修建道路时，前期应对软土进行强化处理，满足基本的沉降要求。

在古代松木桩就因其突出的优点在日常生产生活中得了较广泛的应用，譬如房屋地基加固、搭桥铺路等。但是，松木桩作为一种古朴、简单的软土路基处理方法，在JTG D30—2015《公路路基设计规范》、JTGD 63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》以及GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》等相关技术标准规范中均未进行描述或运用。实际上，松木桩处治软土路基仅在少数工程项目中在条件限制的情况下才适用。现结合某个具体的道路建设工程，针对采用松木桩处理软基进行一些概括和总结，以供同仁们参考、交流。

2 松木桩的设计与计算

某市工业园区经三路、经四路位于河道两侧，河道宽20m，拟建道路临河道一侧边坡为1:1.75，坡面采用干砌块石防护，另一侧为厂区场地整平，道路设计标高与索溪河底高差约5.0m。道路沿线初始地面为软土，在河堤坡脚处及河道下方作抛石处治，施工时未对路堤下方软土处治即在其上进行填土堆载，施工过程中发现大面积滑坡现象，滑裂高度1.0m～4.0m，并伴有地下水流出，水量较大。

根据沿线岩土的地质年代、成因类型、工程地质性质，本勘测区揭示深度范围内地基土划分为6层，自上而下分述如下：

（1）填方：主要成分为碎石土，上部干燥，下部潮湿，松散～中密，为新近人工堆填，层厚1.9m～5.8m，承载力容许值150kPa。

（2）淤泥质粉土：饱和，流塑状，有腥臭味。含有机质及腐殖质，局部含少量叶片状细砂及腐木，表面光滑，摇振反应中等，干强度低-中等，韧性中等。场地均有分布，层厚3.1m～6.6m，承载力容许值80kPa。

（3）含砾粉质黏土：湿，硬塑-坚硬状，主要成分由粉质黏土组成，砾石含量占20%左右，无摇振反应，干强度高，韧性中等，层厚3.4m～6.2m，承载力容许值250kPa。

（4）残积黏性土：湿，可塑状，主要由粘、粉粒及砂粒组成，其母岩为凝灰岩，岩芯呈砂土状，刀切带有砂感，无光泽反应，干强度中等，层厚0.8m～2.5m，承载力容许值150kPa。

（5）全风化凝灰熔岩，层厚1.1m～3.9m，承载力容许值400kPa。

表1 土层主要物理力学性能指标表

2.1 根据松木桩强度计算单桩承载力

单桩承载力标准值计算过程如下：

式中：

Ra——单桩承载力标准值（kN）；

Ψ——纵向弯曲系数，取1；

α——材料的应力折减系数0.5；

[σ]——桩材料的容许应力，Φ140的松木桩[σ]=2600kPa

Ap——桩端截面积（m2）。

将已知数据代入上式，得：

2.2 根据土体抗力计算单桩承载力

单桩承载力标准值计算过程如下：

将已知数据代入上式，得：

Ra＝3.14159×0.14×11×6＋0.5×150×3.14159×（0.14/2）2＝30.18kN/根单桩承载力计算用值取上述两种计算方法中较小值者，即：

再根据单桩承载力确定桩距：

即每平方米至少7.46根桩。

实际设计中松木桩采用0.5×0.5m 梅花形布置，面积置换率为11.5%。

2.3 复合地基承载力计算［1］

处理后形成复合地基承载力标准值按计算公式如下：

将上述已知数据代入式中，得：

满足要求。

3 松木桩的施工

该工程软土路基施工时先在坡脚2m范围内抛石处理，并对滑坡土方进行分级卸载，并挖除部分软弱土形成施工面，在距离路堤坡脚2m 处向路基范围内打入5 排松木桩，间距为0.5m，按梅花形布置，并应穿透淤泥质粉土层，打入相对硬土层，然后在填筑预压土。详见图1、图2所示。

图1 松木桩位布置图

图2 松木桩横断布置图

根据本项目的实际情况，施工建议采用液压挖掘机打木桩。首先，需对打桩场地进行清理、稍平整形成工作面，并按设计桩位及间距放样，明确打入的位置。第二步，两人将松木桩定位、扶稳，保持竖直，挖掘机操作员将挖斗扣过来，先缓压木桩，将木桩压入地基约2m～3m深度保持竖直、自稳，最后由挖斗将松木桩压入软土，并外露30cm桩尾。

一般情况下，每3min～5min 即可打入一根木桩，施工快捷、简便，效率高。为了保证木桩与土体之间的挤密效果，尽量提高地基承载力，打桩时应由路基外围往内侧施工，并且为避免对临近桩体产生影响，建议间隔打桩。

打桩结束后，应及时清理打桩时置换挤出的淤泥，然后在桩顶铺设约30cm～50cm厚毛渣（或沙砾）褥垫层并加以压实。通过外露的桩尾与铺设的褥垫层形成较强的嵌挤作用，桩体与垫层形成良好的整体硬壳层，然后再回填路基土，以保证路基通过垫层把荷载传到桩间土上，调整桩和土的分担作用。在桩体顶面设置褥垫层可增大桩土间摩擦力，充分发挥桩间土的嵌挤、固结作用；可增大桩间土承载力，分摊路基底面的应力。若不设桩顶褥垫层，则不能发挥桩土间的嵌挤和估计作用［2］。

考虑到本段软土性质较差，且临近河道，地下水丰富，为验证松木桩处治软土的可行性，现选取本项目50m 路段作为松木桩处治软弱土的试验段。试验段采用松木桩桩长6m，尾径14cm，打设间距为0.5m×0.5m，按梅花形布置，共打入5 排，在坡脚处抛石，在松木桩打入完毕后铺30cm 厚毛渣垫层并加以压实，然后在回填预压土进行等载预压。本段试验段为指导全段软土路基采用松木桩施工提供依据。

试验段施工完毕后，由施工单位观测路堤沉降情况，根据从当年4月1日至6月23日的持续观测，累计沉降量为76mm，连续4周观测每周沉降量均＜5mm。

根据观测结果以及现状路基填筑情况，现状路基沉降均匀，未发生滑移等现象，可认定本段试验段采用松木桩处治软土是合适的、可行的，因此，根据试验段的观测结果及实际处理效果，本项目全段均采用松木桩处治软土。

4 结论与建议

根据个人在软土路基处治方面的设计经验及总结，建议进行软土路基设计之前，必须进行详细的工程地质勘察和土工试验，取得软土及各下卧层土的各项物理参数以及现场水文资料等。

由于松木桩主要承受竖向荷载，对水平推力抵抗能力较差，因此对于软土路基滑移路段，使用松木桩时应形成群桩效应，并在松木桩顶面填褥垫层，增强桩体之间土体的挤密效果，提高松木桩的水平抗力，保证软土路基的稳定。路基填土较高时，建议与反压护道或抛石等防护形式结合使用，并且正式施工前建议先施工试验段，为大范围松木桩施工提供实际处理依据。

由于松木本身的耐腐蚀性，桩体适宜在打入地下水位较高的工作环境中。考虑到松木桩的单桩承载力较固结土桩或是刚性桩较弱，设计时应综合考虑软土性质以及单桩承载力的限制条件，正式施工前必须施打试验段用以验证理论计算的可行性，避免因理论与实际相差较多，导致地基处理失败，造成经济损失。

实际工程证明，松木桩在有条件处理软弱路基时，不仅在技术上简单可行，施工简便，而且可以避免较复杂的处治方式，在效果上是可行的，经济上是节约的，工期上是节省的，是一种经济、适用、有效的处理软弱路基的方法。