松木桩在桥梁支架地基加固中的应用

马江旭

（中铁十四局集团第四工程有限公司，山东济南 250000）

0 引言

我国长江中下游地区漫滩地质冲积地层属第四纪Q4，大量泥沙在滩涂有规律地沉积，下部逐渐形成细粉砂、粉质黏土、粉砂、粉土等一系列土层，上部则形成较厚的淤泥质土层，工程地质条件较为复杂，其中广泛分布的淤泥质粉质黏土天然地基承载力仅为75～80kPa（俗称“八吨土”），具有抗剪强度低、破坏敏感、孔隙大、高压缩性等特点[1]。在此地基上进行桥梁支架的设计和施工难度较大。为此，提出在类似地质条件下选用木桩复合地基处理的方案，在支架基础上设置松木桩，通过桩、土的共同作用，有效提高地基承载力，满足承受桥梁上部结构施工时的荷载要求，解决常规类似工程桥梁支架方案中存在的问题。

1 工程概况

某干线公路工程桥梁位于河床范围内，上部结构设计为3×30+4×30+3×30m 三联十跨预应力混凝土连续箱梁，桥梁总长308m，单箱六室，梁高2m，顶板宽39m，底板宽33.5m；基础及下部结构设计为圆柱式墩、座板台、桩基础。桥梁工程总体施工组织为非汛期于桥址处河道上下游筑坝截流造堰，排干堰内河水，清淤后干法施工桥梁基础、下部结构与上部结构的方案。其中，上部结构采用钢管贝雷梁少支架法进行施工，钢管柱除少数可直接坐于承台外，其余均需设置于混凝土条形基础上，基础下采用松木桩复合地基。场区地下水主要为松散岩类孔隙潜水，初见上层水位埋深0.3～1.2m，受季节性变化影响较为明显。

2 木桩复合地基设计

2.1 复合地基构造设计

河床清淤完成，以整平后的规划河床底高程为建基面，在设计处理范围内插打5m 长φ200mm 木桩，按梅花形布桩，间距700mm，形成木桩复合地基，铺设100mm 厚中砂褥垫层后，在其上模筑尺寸为2.3m（宽）×0.8m（高）的钢筋混凝土条形基础，襟边按150mm 设计。

2.2 复合地基承载力计算

有复合地基承载力特征值fspk：

式（1）中：Ap为单桩截面积（m2）；Ra为单桩竖向抗压承载力特征值（kN）；fsk为桩间土地基承载力特征值（kPa）；m为复合地基置换率；βp为桩体竖向抗压承载力修正系数，宜综合复合地基中桩体实际竖向抗压承载力和复合地基破坏时桩体的竖向抗压承载力发挥度，结合工程经验取值；βs为桩间土地基承载力修正系数，宜综合复合地基中桩间土地基实际承载力和复合地基破坏时桩间土地基承载力发挥度，结合工程经验取值。

复合地基置换率m：

式（2）中：d为桩体直径（m）；de为单根桩分担的地基处理面积的等效圆直径（m），其中等边三角形布桩时，de=1.05s。

则有：

单桩分担的地基处理面积的等效圆径：de=1.05×0.7=0.735m。

复合地基置换率：

单桩竖向抗压承载力特征值（kN）：

式（3）中：Ap为单桩截面积（m2）；μp为桩的截面周长（m）；n为桩长范围内所划分的土层数；qik为第i层土的桩侧摩阻力特征值（kPa）；li为桩长范围内第i层土的厚度（m）；qp为桩端土地基承载力特征值（kPa）；α为桩端土地基承载力折减系数。代入数据计算得：

桩身强度（根据文献4 要求）：

式（4）中：fcu为松木顺纹受压容许强度，fcu=12MPa；λ=βp=1.0，则有：

故木桩强度满足要求。

复合地基承载力特征值：

式（5）中：fsk0=90kPa（依该项目地勘报告粉砂层取值），K1=1.0，γ1=18kN/m3

按刚性桩，式中βp=1.0，βs=0.65，考虑到水平作用等，可能引起偏心的影响，计入偏载安全系数，即

故地基承载力满足要求。

2.3 复合地基沉降计算

复合地基沉降计算模型如图1 所示。

图1 地基沉降计算简图

计算地基最终变形量s

式（6）中：s为地基最终变形量（mm）；ψs为沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定；n为地基变形计算深度范围内的土层数；p0为相应于作用的准永久组合时基础底面处的附加压力(kPa)；Εsi为基础底面下第i层土的压缩模量（MPa）；zi、zi-1为基础底面至第i层土、第i-1 层土底面的距离（m）；为基础底面计算点至第i层土、第i-1 层土底面范围内平均附加应力系数。

沉降计算点（x=0.000m，y=0.000m），则各层土的压缩情况和最终沉降量结算结果见表1、表2。

表1 各土层压缩情况

表2 最终沉降量计算结果

其中，沉降计算经验系数ψs=0.2(P0≥fak)和ψs=0.2(P0≤0.75fak)。

3 木桩复合地基施工

3.1 木桩采购及存放

木桩主要为市场采购优质松木，因原木往往因自然生长而存在直径下大上小的现象，故该工程所用木桩按平均直径不小于20cm 控制，桩顶锯平并加铁箍，桩尖削成棱锥形[2]。

木桩采购时需注意，木材质地应均匀，不得有劈裂、超限弯曲等情形，且桩身不得有蛀孔、缩颈及其他可能损害强度的瑕疵。

木桩在吊运、装卸、堆置时，应尽量避免桩身遭受冲击或径向直剪，以免因之损及桩身。储存场地地基应坚实而平坦，不得有沉陷现象，避免木桩变形[3]。

3.2 沉桩机械

木桩采用沉桩法施工，沉桩采用挖掘机加装厂家定制的配套专用振动沉桩锤施工，该振动锤具有结构合理、激振力集中、可自行夹桩、工效高、施工安全等优点[4]。沉桩时，振动力使桩孔砂层受振液化，可有效降低沉桩阻力。

3.3 沉桩工艺

3.3.1 木桩定位

沉桩施工前，根据测量控制网对桩位进行放样，同时为保证桩位及桩体垂直度满足要求，辅以型钢导向架进行控制。

3.3.2 沉桩

考虑到场区土层孔隙率较高，为充分发挥桩、土共同作用的效果，现场采取由四周向中心的顺序施工，以达到桩土挤密的效果。施工过程中严格控制沉桩质量，并做好施工记录[5]。

3.3.3 沉桩质量控制

在施工过程中采用经纬仪控制木桩的垂直度和位置，并按要求将定位桩沉到设计标高，以确保定位桩的稳定性。完成定位桩的施打后，逐根将下一根木桩一次性沉桩到设计标高位置。每根桩的正位程度对后续桩的正常施打有很大影响，在施打过程中，要做到精心控制，确保沉桩质量。具体质量控制措施如下。

第一，桩体检查：沉桩前，需检查木桩的外观、桩径、桩长等指标是否满足要求[6]。

第二，桩位及垂直度控制：沉桩过程中采用经纬仪严格控制木桩的桩位及垂直度，确保桩位偏差≤50mm，垂直度偏差≤1%。沉桩开始至入土1m 期间，若偏差超限，应及时停机调整，若桩体严重倾斜，应拔桩重新进行沉入。

第三，高程控制：沉桩以高程控制为准，桩顶高程允许偏差应控制在±50mm[7]。沉桩至接近设计高程时，应适当控制振动锤的激振力及振频，以保证高程控制准确，并按设计高程锯平桩头。

3.4 适用性验证

木桩复合地基大面积施工前，应选择代表性地段施工试验桩，进行适用性验证。试验桩施工完毕并经15d 休止期后，对复合地基进行地基静载试验，按比例随机选取一定数量的检测点进行地基承载力及沉降量试验。该项目按规定抽检6 台检测点，按设计要求在最大试验荷载下，测得单桩复合地基承载力特征值满足不小于182.3kPa 的要求，单桩最大沉降量23.5mm，最大回弹量5.75mm，满足支架模板体系施工对地基的要求[8-9]。试验桩的适用性验证通过后，方可大面积进行后续施工，否则应对地基加固设计进行修改，或重新审视木桩复合地基加固方案在该地区的适用性。

4 结论

第一，木桩复合地基处理方案在长江中下游漫滩地质及类似工程地质条件软弱地基加固中有一定的可行性及广泛的适用性，尤其是具备材料来源广、施工简便快捷、成本低廉、可回收利用率高等优势，可在我国相关地区的桥梁钢管贝雷梁式支架下地基加固中大力推广应用。

第二，设计木桩复合地基施工方案前，需委托有资质的勘察单位对区域内代表性地段的地质、水文条件以及土层的物理力学参数进行勘察、试验，以保证复合地基设计资料的可靠性。

第三，在无可靠成功案例支撑的地区首次使用木桩复合地基进行桥梁支架地基加固时，建议大面积施工前按规定进行试桩，并通过静载试验验证其适用性。此外，为保证桥梁支架模板系统的稳定性，若桩端持力土层较为软弱导致沉降量偏大，或桥梁整体采用多种支架地基基础形式（例如除木桩复合地基外，还有钢管桩基础等），需协调不同地基基础形式中支架的沉降差异，可采取充分的支架（或地基）预压措施予以消除，并做好过程中的沉降观测工作。