松木樁在橋梁支架地基加固中的應用

馬江旭

（中鐵十四局集團第四工程有限公司，山東濟南 250000）

0 引言

我國長江中下游地區漫灘地質沖積地層屬第四紀Q4，大量泥沙在灘涂有規律地沉積，下部逐漸形成細粉砂、粉質黏土、粉砂、粉土等一系列土層，上部則形成較厚的淤泥質土層，工程地質條件較為復雜，其中廣泛分布的淤泥質粉質黏土天然地基承載力僅為75～80kPa（俗稱“八噸土”），具有抗剪強度低、破壞敏感、孔隙大、高壓縮性等特點[1]。在此地基上進行橋梁支架的設計和施工難度較大。為此，提出在類似地質條件下選用木樁復合地基處理的方案，在支架基礎上設置松木樁，通過樁、土的共同作用，有效提高地基承載力，滿足承受橋梁上部結構施工時的荷載要求，解決常規類似工程橋梁支架方案中存在的問題。

1 工程概況

某干線公路工程橋梁位于河床范圍內，上部結構設計為3×30+4×30+3×30m 三聯十跨預應力混凝土連續箱梁，橋梁總長308m，單箱六室，梁高2m，頂板寬39m，底板寬33.5m；基礎及下部結構設計為圓柱式墩、座板臺、樁基礎。橋梁工程總體施工組織為非汛期于橋址處河道上下游筑壩截流造堰，排干堰內河水，清淤后干法施工橋梁基礎、下部結構與上部結構的方案。其中，上部結構采用鋼管貝雷梁少支架法進行施工，鋼管柱除少數可直接坐于承臺外，其余均需設置于混凝土條形基礎上，基礎下采用松木樁復合地基。場區地下水主要為松散巖類孔隙潛水，初見上層水位埋深0.3～1.2m，受季節性變化影響較為明顯。

2 木樁復合地基設計

2.1 復合地基構造設計

河床清淤完成，以整平后的規劃河床底高程為建基面，在設計處理范圍內插打5m 長φ200mm 木樁，按梅花形布樁，間距700mm，形成木樁復合地基，鋪設100mm 厚中砂褥墊層后，在其上模筑尺寸為2.3m（寬）×0.8m（高）的鋼筋混凝土條形基礎，襟邊按150mm 設計。

2.2 復合地基承載力計算

有復合地基承載力特征值fspk：

式（1）中：Ap為單樁截面積（m2）；Ra為單樁豎向抗壓承載力特征值（kN）；fsk為樁間土地基承載力特征值（kPa）；m為復合地基置換率；βp為樁體豎向抗壓承載力修正系數，宜綜合復合地基中樁體實際豎向抗壓承載力和復合地基破壞時樁體的豎向抗壓承載力發揮度，結合工程經驗取值；βs為樁間土地基承載力修正系數，宜綜合復合地基中樁間土地基實際承載力和復合地基破壞時樁間土地基承載力發揮度，結合工程經驗取值。

復合地基置換率m：

式（2）中：d為樁體直徑（m）；de為單根樁分擔的地基處理面積的等效圓直徑（m），其中等邊三角形布樁時，de=1.05s。

則有：

單樁分擔的地基處理面積的等效圓徑：de=1.05×0.7=0.735m。

復合地基置換率：

單樁豎向抗壓承載力特征值（kN）：

式（3）中：Ap為單樁截面積（m2）；μp為樁的截面周長（m）；n為樁長范圍內所劃分的土層數；qik為第i層土的樁側摩阻力特征值（kPa）；li為樁長范圍內第i層土的厚度（m）；qp為樁端土地基承載力特征值（kPa）；α為樁端土地基承載力折減系數。代入數據計算得：

樁身強度（根據文獻4 要求）：

式（4）中：fcu為松木順紋受壓容許強度，fcu=12MPa；λ=βp=1.0，則有：

故木樁強度滿足要求。

復合地基承載力特征值：

式（5）中：fsk0=90kPa（依該項目地勘報告粉砂層取值），K1=1.0，γ1=18kN/m3

按剛性樁，式中βp=1.0，βs=0.65，考慮到水平作用等，可能引起偏心的影響，計入偏載安全系數，即

故地基承載力滿足要求。

2.3 復合地基沉降計算

復合地基沉降計算模型如圖1 所示。

圖1 地基沉降計算簡圖

計算地基最終變形量s

式（6）中：s為地基最終變形量（mm）；ψs為沉降計算經驗系數，根據地區沉降觀測資料及經驗確定；n為地基變形計算深度范圍內的土層數；p0為相應于作用的準永久組合時基礎底面處的附加壓力(kPa)；Εsi為基礎底面下第i層土的壓縮模量（MPa）；zi、zi-1為基礎底面至第i層土、第i-1 層土底面的距離（m）；為基礎底面計算點至第i層土、第i-1 層土底面范圍內平均附加應力系數。

沉降計算點（x=0.000m，y=0.000m），則各層土的壓縮情況和最終沉降量結算結果見表1、表2。

表1 各土層壓縮情況

表2 最終沉降量計算結果

其中，沉降計算經驗系數ψs=0.2(P0≥fak)和ψs=0.2(P0≤0.75fak)。

3 木樁復合地基施工

3.1 木樁采購及存放

木樁主要為市場采購優質松木，因原木往往因自然生長而存在直徑下大上小的現象，故該工程所用木樁按平均直徑不小于20cm 控制，樁頂鋸平并加鐵箍，樁尖削成棱錐形[2]。

木樁采購時需注意，木材質地應均勻，不得有劈裂、超限彎曲等情形，且樁身不得有蛀孔、縮頸及其他可能損害強度的瑕疵。

木樁在吊運、裝卸、堆置時，應盡量避免樁身遭受沖擊或徑向直剪，以免因之損及樁身。儲存場地地基應堅實而平坦，不得有沉陷現象，避免木樁變形[3]。

3.2 沉樁機械

木樁采用沉樁法施工，沉樁采用挖掘機加裝廠家定制的配套專用振動沉樁錘施工，該振動錘具有結構合理、激振力集中、可自行夾樁、工效高、施工安全等優點[4]。沉樁時，振動力使樁孔砂層受振液化，可有效降低沉樁阻力。

3.3 沉樁工藝

3.3.1 木樁定位

沉樁施工前，根據測量控制網對樁位進行放樣，同時為保證樁位及樁體垂直度滿足要求，輔以型鋼導向架進行控制。

3.3.2 沉樁

考慮到場區土層孔隙率較高，為充分發揮樁、土共同作用的效果，現場采取由四周向中心的順序施工，以達到樁土擠密的效果。施工過程中嚴格控制沉樁質量，并做好施工記錄[5]。

3.3.3 沉樁質量控制

在施工過程中采用經緯儀控制木樁的垂直度和位置，并按要求將定位樁沉到設計標高，以確保定位樁的穩定性。完成定位樁的施打后，逐根將下一根木樁一次性沉樁到設計標高位置。每根樁的正位程度對后續樁的正常施打有很大影響，在施打過程中，要做到精心控制，確保沉樁質量。具體質量控制措施如下。

第一，樁體檢查：沉樁前，需檢查木樁的外觀、樁徑、樁長等指標是否滿足要求[6]。

第二，樁位及垂直度控制：沉樁過程中采用經緯儀嚴格控制木樁的樁位及垂直度，確保樁位偏差≤50mm，垂直度偏差≤1%。沉樁開始至入土1m 期間，若偏差超限，應及時停機調整，若樁體嚴重傾斜，應拔樁重新進行沉入。

第三，高程控制：沉樁以高程控制為準，樁頂高程允許偏差應控制在±50mm[7]。沉樁至接近設計高程時，應適當控制振動錘的激振力及振頻，以保證高程控制準確，并按設計高程鋸平樁頭。

3.4 適用性驗證

木樁復合地基大面積施工前，應選擇代表性地段施工試驗樁，進行適用性驗證。試驗樁施工完畢并經15d 休止期后，對復合地基進行地基靜載試驗，按比例隨機選取一定數量的檢測點進行地基承載力及沉降量試驗。該項目按規定抽檢6 臺檢測點，按設計要求在最大試驗荷載下，測得單樁復合地基承載力特征值滿足不小于182.3kPa 的要求，單樁最大沉降量23.5mm，最大回彈量5.75mm，滿足支架模板體系施工對地基的要求[8-9]。試驗樁的適用性驗證通過后，方可大面積進行后續施工，否則應對地基加固設計進行修改，或重新審視木樁復合地基加固方案在該地區的適用性。

4 結論

第一，木樁復合地基處理方案在長江中下游漫灘地質及類似工程地質條件軟弱地基加固中有一定的可行性及廣泛的適用性，尤其是具備材料來源廣、施工簡便快捷、成本低廉、可回收利用率高等優勢，可在我國相關地區的橋梁鋼管貝雷梁式支架下地基加固中大力推廣應用。

第二，設計木樁復合地基施工方案前，需委托有資質的勘察單位對區域內代表性地段的地質、水文條件以及土層的物理力學參數進行勘察、試驗，以保證復合地基設計資料的可靠性。

第三，在無可靠成功案例支撐的地區首次使用木樁復合地基進行橋梁支架地基加固時，建議大面積施工前按規定進行試樁，并通過靜載試驗驗證其適用性。此外，為保證橋梁支架模板系統的穩定性，若樁端持力土層較為軟弱導致沉降量偏大，或橋梁整體采用多種支架地基基礎形式（例如除木樁復合地基外，還有鋼管樁基礎等），需協調不同地基基礎形式中支架的沉降差異，可采取充分的支架（或地基）預壓措施予以消除，并做好過程中的沉降觀測工作。