松木桩复合地基的应用_松木桩复合地基

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松木桩复合地基的应用

作者:王瑞杰

摘要:本文通过对软土地基以及松木桩复合地基工程特性的分析,建立了松木桩复合地基的力学模型,提出了松木桩复合地基的设计方法。

关键词:软土地基 松木桩 复合地基 承载力

前 言

软土地基是一种不良地基,它的成因和物质都较为复杂,按成因可分为第四纪后期在滨海、湖泊、河滩、三角洲等地质沉积而成;人工填土;吹填土等,普遍存在于我国沿海地区。软土地基是一种呈软塑到流塑状态饱和(或接近饱和)的粘性土,常含有机质,其天然孔隙比常大于1。当天然孔隙比常大于1.5时,称为淤泥质土(淤泥质粘土,淤泥质亚粘土)。软土地基由于含水量较高,孔隙比较大,因而导致软土地基的承载力低,抗剪强度低,压缩性强,渗透性小。软土地基浅基础的承载力特征值一般只有40-70Kpa,不能承受较大的荷载。在软土地基上的建筑往往会出现地基强度和变形不能满足设计要求的问题。对于一般四层至七层的砌体承重结构房屋,最终沉降量约为0.2—0.5m,对于荷载较大的构筑物(水池、储罐)基础的沉降一般达到0.5m以上,有些达到2m以上。过大的沉降和不均匀沉降将引起建筑物基础标高的降低,影响建筑物的使用功能,或造成倾斜、开裂破坏。因而常常要采取措施进行地基处理。

对软土地基常见的处理方法有换填法、砂石挤密法、水泥搅拌桩、预制桩等。目前,在江浙一带使用较多的是予应力混凝土管桩。以上几种地基处理方法造价偏高,对场地和施工要求高,常用于较大的建筑物。而松木桩复合地基对于处理一些低层建筑、水池、机器设备基础,则具有施工方便、建筑材料易取、经济效益明显的优点。

一、加固软土地基的原理

采用松木桩加固的软土地基属于复合地基。复合地基是由天然地基土和桩体两部分组成。松木桩复合地基同其它复合地基相比,除桩的材质不同外,其余均有相似之处,其加固机理:一是桩体的支撑作用:松木桩复合地基以松木桩取代了与桩体体积相同的低模量、低强度土体,在承受外荷时,地基中应力按桩土应力比重新分配。应力向桩体逐渐集中,桩周土体所承受的应力相应减少,大部分荷载由松木桩承受。由于桩的强度和抗变形能力均优于土体,故而形成后的复合地基承载力、模量也优于原土体,从而达到减小变形,提高承载力的效果。二是挤密作用:松木桩施工时,采用锤击打入,桩孔位置原有土体被强制侧向挤压,使桩周一定范围内的土层密实度提高,起到挤密作用。松木桩复合地基在施工中对桩间土体的挤密作用,使桩间土密实,从而使桩间土的承载力得到提高,压缩性降低。

二、松木桩复合地基的设计计算原理

1、松木桩复合地基承载力确定;

松木桩复合地基同其它复合地基相比,除桩的材质不同外,其余均有相似之处。根据桩、土相互组合共同承受上部荷载的特点,这种地基可参照《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)中复合地基计算公式进行设计,即:

Fsp,k=m*Ra/Ap+ß(1-m)fsk 1

式中:Fsp,k为复合地基承载力特征值,kpa;

m为面积置换率,m= Ap/ Ac;

Ac 为一根桩承担的处理面积;

Ra 为单桩竖向承载力特征值,Kn;

Ap为桩身截面积,m2;

ß为桩间土承载力折减系数,宜按地区经验取值,如无经验时取0.75-0.95;

fsk为处理后桩间土承载力, kpa, 宜按地区经验取值,如无经验时,可取天然地基承载力特征值;

2、松木桩单桩承载力特征值Ra确定;

松木桩单桩承载力特征值Ra由摩擦力和桩端承载力组成,即;

Ra=Up Σqsi li+qpAp 2

式中:Up为松木桩有效周长, m;

qsi 为第i层土的侧阻力特征值, kpa;

qp 为桩端土层的端阻力特征值, kpa;

li为第i层土的厚度, m;

Ap为桩身截面积,m2;

为防止桩的破坏,须对桩身容许承载力进行核算,并取较小值,即;

Ra=ΨσаAp 3

式中:Ψ为纵向弯曲系数,与桩间土有关,一般取1.0;

σ为桩身材料的容许应力,kpa,松木桩可参见《木结构设计规范》(GB50005-2003),取为3600 kpa;

а为桩身材料的应力折减系数,木桩取0.5;

Ap为桩身截面积,m2;

3、松木桩桩长与桩径的确定;

桩长主要取决于需要加固土层的厚度,一般视建筑物的设计要求和地质条件而定。应满足地基的强度和变形控制要求,通常桩长不宜长于5米,过长则施工困难,且不经济。桩径应根据工程地质等因素选用,一般为100-150mm,软基较深的地基宜选用较大的桩径。

4、单位面积松木桩的确定:

在桩长和桩径一定情况下,松木桩复合地基承载力主要取决于单位面积的桩数。设计中,我们可以根据设计要求的地基承载力值来确定单位面积松木桩的数量,即:

K=(Fsp,k-ß*fsk)/(Ra-ß*fsk* Ap)4

式中:K为单位面积松木桩数(K= m/ Ap),根/ m2;

其它符号同前。

5、桩距的确定:

松木桩布桩通常采用三角形和正方形两种形式,其桩距可按以下公式计算,即:

三角形布置 L=1.08√1/K

正方形布置 L=√1/K

式中:K为单位面积松木桩数(K= m/ Ap),根/ m2;

L为松木桩间距。

6、沉降计算:

复合地基的沉降包括两部分:一部分为计算复合地基加固区内的压缩量,另一部分为计算加固区下卧层的压缩量。所以,近似将加固区复合地基沉降与下卧土层沉降之和作为复合地基的总沉降量。

三、松木桩复合地基的适用条件

软土地基设计之前必须进行地质勘察和土工试验,只有查清土层和土质的情况,才能正确进行设计和施工。再者,必须从场地土层和土质的特点出发,对地基与基础的结构、施工及使用等方面进行综合考虑,通过方案比较,合理地选择地基处理方案。一般软土厚度小于8米较为适宜用松木桩处理。为了便于打桩,桩长5-7米为宜,可作端承桩。为保证桩尖能贯穿入持力层上部,可先开挖至基础埋深后再打桩。因松木含有丰富松脂,松脂能很好地防止地下水和细菌对其腐蚀作用,且价格也较为便宜。松木桩适用于地下水位较高的地层中,在这种条件下桩能抵抗真菌的腐蚀而保持耐久性。对于地下水位变化幅度大且有较强腐蚀性的地区,则不宜采用松木桩基础。松木桩复合地基对地基承载力的提高是有限的,所以只适用于三层及三层以下建筑,对沉降有要求的构筑物,设备基础等较小荷载的地基处理。

四、松木桩的构造要求、施工及检测

(一)、松木桩加固地基的设计构造要求:

1、它可应用于砂土、素填土、杂填土、粘性土及淤泥质土等地基土的浅层加固,加固深度一般为基底下1.5—8米,桩端应进入持力层0.5米。

2、松木桩应选用梢径100—150厘米的活性或尚有活性的松木或松木树梢。这类松木在地下水位以下,可经数百年而不烂,保持完好。

3、松木桩完成后,桩顶应设柔性褥垫层,褥垫层使桩间土的有效接触应力增加,提高了桩周土的抗剪强度,使得桩体承载力得到提高,对于地基的不均匀沉降也有一定的补偿作用。褥垫层一般采用15—25厘米厚碎石垫层。

(二)、松木桩施工及检测

在施工中,为使地基的挤密效果好,必须由基础四周由外至内施打松木桩,且桩宜梅花形布置,桩间距应大于3倍桩径。木桩采用松木,干燥后去皮,用防腐剂浸泡充分,端头削尖,以便沉桩,锤击端应以铁丝箍匝牢固,以防锤击时锤击端损坏。为保证桩尖能进入较坚硬的持力层,上部可先开挖至基础的埋深后再打桩。打桩完毕后,清除浮土,锯平桩头,然后铺设垫层。

对于处理后地基是否达到设计要求,可用长杆贯入仪来验证处理后地基的承载力。

五、结束语

实践证明,松木桩处理软弱地基时,具有施工方便,处理效果明显,材料来源广泛,施工速度快,工程造价省等优点,它可避免大量的土方开挖,因而在松木资源较为丰富的地区,用松木桩处理软弱地基在经济和技术上是可行的,它不失为一种处理软弱地基的有效手段。