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土木施工技术

时间:2015-12-06  来源:园林学习网   编辑:   浏览:85次
掌握影响土方边坡稳定的因素,熟悉土壁支护的形式及适用范围,了解施工降水的基本方法及适用范围,熟悉轻型井点设计与施工,熟悉流砂现象的原因与防治方法…自学支护结构的设计和轻型井点设计…⑵危害土完全失去承载力,流砂边挖边冒,土方开挖无法达到设计深度,极易引起土体塌方,严重者附近建筑物下沉倾斜,甚至倒塌,拖延工期增加费用…渗透系数k值将直接影响降水方案的选择和涌水量计算的准确性…
土木施工技术

第一章土方工程

【内容提要】本章重点讨论场地设计标高的确定及优化、土方工程量计算及调配、土壁支撑及施工降水、土方机械选择、土方填筑压实施工等。本章是课程的教学重点。

【学习方法指示】本章内容涉及到土力学及线性规划等方面的知识,学习难度较大。

熟悉“土的可松性”概念;掌握场地设计标高的确定、调整及列表计算最佳设计平面;掌握土方工程量计算、调配,运用表上作业法求最优调配方案。掌握影响土方边坡稳定的因素;熟悉土壁支护的形式及适用范围;了解施工降水的基本方法及适用范围,熟悉轻型井点设计与施工;熟悉流砂现象的原因与防治方法。自学支护结构的设计和轻型井点设计。掌握土方机械选择和挖土机与汽车配合施工问题;熟悉土方填筑与压实的基本要求及对工程质量的影响。

【时间安排】共1.5周、3次课、6课时。

1概述

1.1土方工程的内容及施工要求

常见的土方工程施工内容有:

①场地平整包括障碍物拆除、场地清理、确定场地设计标高、计算挖填土量、合理进行土方平衡调配等。

②开挖沟槽、基坑、竖井、隧道、修筑路基、堤坝包括测量放线、施工排水降水、土方边坡和支护结构等。

③土方回填与压实包括土料选择、运输、填土压实的方法及密实度检验等。

土方工程的施工要求:

●要求标高、断面控制准确;

●土体有足够的强度和稳定性;

●土方量少、工期短、费用省;

●因地制宜编制合理的施工方案,预防流砂、管涌、塌方等事故发生,确保安全;

●应尽可能采用先进的施工工艺、施工组织和机械化施工。

1.2土的工程分类

分类:在土方工程施工中,按开挖的难易程度分为八类,见教材表1-1

注:在湖南省(99)单位估价表中,一二类土统一划为普通土,三四类土统一划为坚土。不同类土的开挖费用和工效是不一样的,如基坑挖土石方的基价和台班产量:

一二类

三四类

五类

六类

七类

八类

单价(元/m3)

7.62

15.55

19.96

25.5

53.49

109.97

台班产量(m3/工日)

2.58

1.27

0.98

0.77

0.37

0.18

1.3土的工程性质:土有各种工程性质(物理指标),其中影响土方施工的有土的质量密度、含水量、渗透性和可松性等。

①土的质量密度——分天然密度和干密度。土的天然密度是指土在天然状态下单位体积的质量,它影响土的承载力、土压力及边坡的稳定性。土的干密度是指单位体积中固体颗粒的质量,它是用以检验土压实质量的控制指标。

②土的含水量w——是土中所含的水与土的固体颗粒间的质量比,以百分数表示:

(1.1)

g1——含水状态时土的质量;

g2——土烘干后的质量。

●土的含水量影响土方施工方法的选择、边坡的稳定和回填土的质量;

●土的含水量超过25~30%,则机械化施工就困难,容易打滑、陷车;

●回填土则需有最佳含水量方能夯压密实,获得最大干密度。见教材表1.2

③土的渗透性——是指水在土中渗流的性能,一般以渗透系数k表示。渗透系数k值将直接影响降水方案的选择和涌水量计算的准确性。一般土的渗透系数参考值见教材表1.3

④土的可松性——即自然状态下的土,经过开挖后,其体积因松散而增加,以后虽经回填压实,仍不能恢复其原来的体积。土的可松性用可松性系数ks表示。

土的可松性对土方量的平衡调配,确定运土机具的数量及弃土坑的容积,以及计算填方所需的挖方体积等均有很大的影响。不同分类的土的可松性系数可参考教材表1.4

2场地设计标高z0的确定

场地设计标高是进行场地平整和土方量计算的依据,也是总图规划和竖向设计的依据。合理地确定场地的设计标高,对减少土方工程量、加速工程进度、降低工程造价有着重要的经济意义。确定场地设计标高应结合各类影响因素反复进行技术经济比较,选择一个最佳方案。

2.1z0的确定原则:

●满足生产工艺和运输的要求;

●充分利用地形,分区或分台阶布置,分别确定不同的设计标高;

●考虑挖填平衡,弃土运输或取土回填的土方量最少;

●要有合理的泄水坡度(≧2‰),满足排水要求;

●考虑最高洪水位的影响。

2.2z0的确定步骤及方法:

2.2.1无特殊要求时,可按以下步骤:

⑴按确定场地设计标高的一般方法,先计算出z0;

⑵用最小二乘法求最佳设计平面;

⑶场地设计标高的调整(考虑土的可松性、工程余土或用土、场地泄水坡度的影响),计算出zn;

⑷求各方格角点的施工高度hn;

⑸绘出零线;

⑹计算场地挖、填土方量。

2.2.2方法:方格网的划分一般10~50m,常用20m、40m;

方格网角点高程可采用水准仪实地测量或利用地形图的等高线用插入法求得;

按挖填平衡确定设计标高z0的实用公式为:

(1-4)

以p52页习题1-1为例讲解

2.3用最小二乘法求最佳设计平面

用前述方法求得的设计平面能使土方工程挖填平衡,但不能保证总的土方量最小。当地形比较复杂或需设计成多平面场地时,可用最小二乘法求最佳设计平面。

用最小二乘法求最佳设计平面一般采用列表计算法。

讲解表1-3

y、x、z——各角点的x、y轴坐标及原始地形标高;

p——各角点的权数;

px、py、pz、pxx、pyy、pxy、pxz、pyz——p与x、y、z的乘积;

h——各角点的施工高度

(1-6)

式中:c为场地设计标高,如场地为水平面,则ix=iy=0

最后一列ph的和等于0,则计算结果无误。

2.4场地设计标高h0的调整:

按以上步骤求得的z0仅为一理论值,还应考虑以下因素进行调整,求出z0,:

●土的可松性影响——填方因土的可松性引起的填方体积增加;

●考虑工程余土或工程用土,相应提高或降低设计标高;

●场内挖方和填方的影响——从经济观点出发,安排的挖方就近弃土和填方就近场外取土,引起的挖填土方量的变化;

泄水坡度的调整:

任意点的设计标高z,i为:

(1-5)

各角点的施工高度hi为:

(1-6)

3土方工程量的计算与调配

3.1土方工程量的基本方法:有平均高度法和平均断面法

3.1.1平均高度法

⑴四方棱柱体法:将施工区域划分为若干个边长等于a的方格网,每个方格网的土方体积v等于底面积a2乘四个角点高度的平均值,即:

(1-14)

⑵三角棱柱体法:将每一个方格顺地形的等高线沿对角线划分为两个三角形,然后分别计算每一个三角棱柱体的土方量。

略……

3.1.2平均断面法

基坑、基槽、管沟、路堤的土方量计算可采用平均断面法。即:

(1-13)

角点编号施工高度hn

1-0.72

43.2442.52

自然地面标高zi设计标高z,i3.2场地平整土方量的计算

⑴求各方格角点的施工高度hn

若hi为正值则该点为填方,hi为负值则为挖方。

⑵绘出“零线”

“零线”位置的确定:在方格网中找出边线两端施工高度有“”“-”的“零点”,将两“零点”连接起来即为“零线”。

零点的位置按下式计算:

式中x1、x2——角点至零点的距离(m);

h1、h2——相邻两角点的施工高度(m),均用绝对值;

a——方格网的边长(m);

⑶计算场地挖、填土方量

“零线”求出,也就划出了场地的挖方区和填方区,便可按平均高度法计算各方格的挖、填土方量了。

⑷计算各挖、填方调配区之间的平均运距

先按下式求出各挖方或填方区土方重心坐标x0、y0:

式中xi、yi——i块方格的重心坐标;

vi——i块方格的土方量。

则填、挖方区之间的平均运距l0为:

式中x0t、y0t——填方区的重心坐标;

x0w、y0w——挖方区的重心坐标。

在实际工作中,亦可用作图法近似地求出调配区的形心位置o代替重心坐标,用比例尺量出每对调配区的平均运距。

3.3土方调配

3.3.1土方调配区的划分原则:力求挖填平衡、运距最短、费用最省,考虑土方的利用,以减少土方的重复挖填和运输。

3.3.2土方调配的步骤:划分调配区(绘出零线)→计算调配区之间的平均运距(即挖方区至填方区土方重心的距离)→确定初始调配方案→优化方案判别→绘制土方调配图表。

3.3.3土方调配的方法:

下面以教材p14页的例子采用“表上作业法”进行土方调配:

⑴用“最小元素法”编制初始调配方案

步骤1:将土方数及平均运距填入表中;

步骤2:选定一个最小运距c43开始确定其土方调配数,并使调配数x43尽可能大;无土方调入的区打×;

步骤3:按运距由小至大依次按步骤2的方法进行,就得到表1-7的初始方案计算结果。

⑵最优方案的判别

步骤1:引入假想价格系数c,ij,有调配土方的c,ij=cij,将数据填入表格1-8中;

步骤2:按任一矩形的四个方格内对角线上的c,ij之和相等(公式1-23)计算无调配土方的c,ij,也将数据填入表格1-8中;

步骤3:引入检验数

即将无土方调配的方格右边两小格上下数字相减,,出现负数就说明初始方案不是最优方案,需要进一步调整。

⑶方案的调整

步骤1:选定一个负检验数(λ12)对应的变量(x12)作为调整对象;

步骤2:找出x12的闭回路;

步骤3:在奇数次转角点的数字中找出一个最小的(x32的100)将其调入x12中;

步骤4:将闭回路上其它的奇数次转角点的数字都减去100,偶数次转角点的数字都加上100,使得填挖方区的土方量仍保持平衡。见表1-11。

4土方工程的准备与辅助工作

土方工程施工的要点,主要解决土壁稳定、施工排水、流砂防治和填土压实等四个问题。

4.1准备工作

见教材p20页

4.2土方边坡及稳定

合理地选择基坑、沟槽、路基、堤坝的断面和留设边坡,是减少土方量的有效措施。

(1-25)

式中m=b/h,称为坡度系数。其意义为:当边坡高度已知为h时,其边坡宽度则等于mh。

4.2.1影响边坡坡度的因素有:

●挖填高度——高度大则坡度系数大,高度小则坡度系数小,甚至不放坡;

●土的工程性质——土的类别、含水量,有无地下水等。土的类别低(密度小)、含水量大,则坡度系数大;土的类别高(密度大)、含水量小,则坡度系数小;

●施工的特点——坡顶是否有荷载?施工期长短?施工季节?人工作业还是机械作业?应对坡顶有荷载(尤其是有动荷载)、使用时间长、且跨越冬雨季施工的边坡留有充足的安全系数。

4.2.2边坡的确定

既要保证土体稳定和施工安全,又要节省土方

⑴场地边坡:临时性挖方边坡应按使用时间(临时或永久性)、土的种类、土的工程性质、水文情况确定,表1.5和1.6仅供参考,工作实践中应查阅专业的施工手册;

⑵挖方中有不同土层,且深度较大时(8m以上),其边坡可做成折线形或台阶形,以减少土方;

⑶永久性挖方或填方边坡则应按设计要求施工。

4.2.3边坡的稳定

土壁的稳定主要是由土体内磨擦阻力和粘结力来保持平衡的.一量土体失去平衡,土体就会塌方,这不仅会造成人身安全事故、影响工期,有时还会危及附近的建构筑物。

⑴造成土壁塌方的原因:

①边坡过陡;

②雨水、地下水渗入基坑;

③基坑上口边缘堆载过大;

④土方开挖顺序、方法未遵守“从上至下、分层开挖;开槽支撑、先撑后挖”的原则。

⑵防治塌方的措施:

①放足边坡;

②设置支撑;见教材p21页图1-13;

③做好施工排水,防止产生流砂现象;

④对可能产生滑坡的地段,不宜在雨期挖方,并应遵循先整治后开挖和由上至下的开挖顺序,严禁先切除坡脚或在滑坡体上弃土;

⑤基坑边坡有危岩、孤石、崩塌体等不稳定的迹象时要先做妥善处理。

⑥边坡稳定:开挖后对软土土坡和极易风化的软质岩石边坡,应对坡脚、坡面采取喷浆、抹面、嵌补、砌石等保护措施,并作好坡顶、坡脚排水;

⑦挖方上边缘至土堆坡脚的距离:应根据挖方深度、边坡高度和土的类别确定,当土质干燥密实时不小于3米,当土质松软地不小于5米。应在土堆坡脚设置排水沟,防止雨水流入挖方场地。

4.2.4边坡开挖

场地边坡开挖应采取沿等高线自上而下、分层、分段依次进行。在边坡上采取多台阶同时进行开挖时,上台阶应比下台阶开挖进深不少于30米,以防塌方;

边坡台阶开挖,应作成一定坡势以利泄水。边坡下部设有护脚及排水沟时,在边坡修完后,应立即进行护脚矮墙和排水沟的砌筑和疏通,以保证坡面不被冲刷和坡脚范围内不积水。

4.2.5基坑槽和管沟开挖

①基坑开挖,上部应有排水措施,防止地表水流入坑内冲刷边坡,造成塌方和破坏基土;

②基坑开挖,应进行测量定位、抄平放线,定出开挖宽度,根据土质和水文情况确定在四侧或两侧、直立或放坡开挖,坑底宽度应注意预留施工操作面;

③应根据开挖深度、土体类别及工程性质等综合因素确定保持土壁稳定的方法和措施;

④基坑开挖的一般程序:测量放线→切线分层开挖→排降水→修坡→整平→留足预留土层等。相邻基坑开挖时应遵循先深后浅或同时进行的施工程序,挖土应自上而下水平分段分层进行,每层30cm左右,边挖边检查坑底宽度及坡度,每3m左右修一次坡,至设计标高再统一进行一次修坡清底;

⑤基坑开挖应防止对基础持力层土壤的扰动,基坑挖好后不能立即进入下道工序,应预留15(人工)~30cm(机械)一层土不挖,待下道工序开始后再挖至设计标高,以防止基底持力层土壤被阳光曝晒或雨水浸泡;

⑥在地下水位以下挖土,应在基坑四侧或两侧设置排水沟或集水井,或考虑施工降水措施,降水工作应持续到基础施工完成;

⑦雨季施工时基坑槽应分段开挖,挖好一段浇筑一段垫层;

⑧弃土应及时运出,在基坑槽边缘上侧临时堆土、材料或移动施工机械时,应与基坑上边缘保持1m以上的距离,以保证坑壁或边坡的稳定;

⑨基坑挖完后,应组织有业主、设计、勘察、监理四方参与的基坑验槽,并报质监站验证。符合要求方可进入下一道工序。

4.3土壁支护

主要是撑、挡、拉、锚、固等手段

支挡结构设计除进行强度计算外,一般还要进行整体稳定、抗倾覆、抗滑移和位移验算。

略……

4.4施工排水和降水

施工排水和降水可分为明排水法和人工降低地下水位法两种

4.4.1明排水法:采用截、疏、抽的方法。

截:设置截水沟,截住水流;

疏:疏通、排干积水;

抽:在坑底设置集水井,沿坑底四周挖排水沟,使水流入集水井,然后用抽水机抽走。

4.4.2人工降低地下水位:

⑴原理:是在基坑开挖前,先在基坑周围埋设一定数量的滤水管(井),利用抽水设备抽水,使地下水位降落到坑底以下,使基坑土壤始终保持干燥状态,直至基础工程施工结束。降水施工前,应考虑降水影响范围内的已有建(构)筑物可能产生的附加沉降、位移,防止发生开裂、倾斜和倒塌,或引起地面塌陷,必要时应事先采取有效的保护措施。

⑵井点降水的作用——p33页图1-29

1)防止地下水涌入坑内(图a);

2)防止边坡由于地下水的渗流而引起的塌方(图b);

3)使坑底的土层消除了地下水位差引起的压力,因此防止了坑底的管涌(图c);

4)降水后,使板桩减少了横向荷载(图d);

5)消除了地下水的渗流,也就防止了流砂现象(图e);

6)降低地下水位后,还能使土壤固结,增加地基土的承载能力。

人工降低地下水位的方法:有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点及深井泵井点等。

①轻型井点设备:见教材p35页图1-33

②轻型井点平面布置:p36页图1-34

●当基坑槽宽度小于6m、降水深度不超过5m时,可采用单排井点;

●当基坑槽宽度大于6m、降水深度超过5m时,可采用双排井点;

●当基坑面积较大时,则应采用环型井点。

③轻型井点高程布置:

井点管埋置深度(1-39)

h1——井点管埋设面至坑底面的距离(m);

△h——降低后地下水位至基坑中心底面的距离,一般为0.5~1m;

i——水力坡度,环型井点为1/10,单排井点为1/4;

l——井点管至基坑中心的水平距离(m)。

如h值小于降水深度6m时,可用一级井点;当一级井点达不到降水深度要求时,可采取二级井点。

④轻型井点的计算:

轻型井点降水方案的设计内容主要是确定井点的数量、间距、井点设备的选择等。

介绍一下教材p38页图1-36水井的分类

计算,略……

●喷射井点适用于降水深度较大(10m以上);

●电渗井点适用于淤泥排水;

●管井井点:沿基坑每隔20~50m设置一个管井,每个管井用一台离心泵(地面)或潜水泵(井内)抽水,使用深井泵时降水深度可大于15m。简单、经济,推荐使用

轻型井点、喷射井点、电渗井点的施工已陆续为专业施工队伍来承担,管井井点的施工则仍由土建单位应用较多。

井点降水引起地面沉陷的防治见教材p42页。

4.4.3流砂的防治

1.3.3.1流砂现象及其危害

⑴流砂现象:粒径很小、无塑性的土壤在动力水压推动下失去稳定,随地下水一起涌入坑内的现象称为流砂现象。

⑵危害:土完全失去承载力,流砂边挖边冒,土方开挖无法达到设计深度,极易引起土体塌方,严重者附近建筑物下沉、倾斜,甚至倒塌,拖延工期、增加费用。

⑶产生流砂的原因

流砂现象经常发生在细砂、粉砂、亚砂土中,但是否发生流砂现象,则取决于地下水及其产生的动水压力的大小。动水压力gd为:

式中,——水力坡度();

()——水位差;

l——地下水渗流长度;

——水的重度。

一般当gd≥γ(土的浮重)时,就会形成流砂现象。

⑷防治流砂的方法

●枯水期施工——工期不紧、丰水位和枯水位相差较大时可考虑

●打板桩——常用施工方法

●水中挖土——江中、湖中施工常用

●人工降低地下水位——常用施工方法,如井点降水

●地下连续墙法——造价稍高

●抛大石块、抢速度施工——已发生流砂时的抢险施工方法

5土方工程的机械化施工

5.1主要挖土机械的性能

5.1.1推土机:推土机操纵灵活、运转方便、所需工作面小、行驶速度快,能爬300左右的坡,适用于场地平整、开挖深度1.5m左右的基坑、移挖作填、填筑堤坝、回填基坑和基槽土方、为铲运机助铲、为挖掘机清理集中余土和创造工作面,修路开道、牵引其它无动力土方施工机械,大马力推土机还可犁松坚岩。推土机以切土和推运土方为主,推土经济运距在100m以内,效率最高的经济运距为40~60m。

提高推土机生产效率的方法:

●下坡推土:顺地面坡势沿下坡方向推土,可增大铲刀切土深度和运土数量,提高推土机能力和缩短推土时间,提高生产率约30~40%。

●并列推土:大面积的施工区,可采用2~3台推土机并列推土,两铲刀相距15~30cm,可减少土的散失量而增大推土量,提高生产率约15~30%。

●分批集中、一次推送:当运距较远又土质较坚硬时,宜采用多次铲土,一次推送。

●槽型推土:当土层较厚时,可利用前次推土的槽形推土,可减少土的散失,增大推土量。

5.1.2铲运机:铲运机操纵简单、运转方便、行驶速度快、生产效率高,能独立完成铲土、运土、卸土、填筑、压实等全部土方施工工序的施工机械。适用于坡度为200以内的大面积场地平整、大型基坑开挖、填筑路基堤坝。

铲运机的斗容量为2~8m3,自行式铲运机的经济运距为800~1500m,拖式铲运机的经济运距为600m,效率最高的经济运距为200~350m。如采用双联铲运或挂大斗铲运时,其经济运距可增加至1000m。运距愈长、生产效率愈低,超过经济运距时应考虑汽车运输。

铲运机的运行路线:

●环形路线:在地形起伏不大、施工地段较短、填方不高(<1.5m)的路堤宜采用环形路线。采用环形路线时,应每隔一定时间变换铲运机行驶方向,以免机械单侧磨损。

●“8”字形路线:在地形起伏较大、施工地段狭长的情况下,宜采用“8”字形路线。这种运行路线的一个循环完成两次铲土和卸土,减少了转弯次数和空驶距离,铲运机在上下坡时是斜向行驶,坡度平缓,可缩短行驶时间,提高生产率。同时一个循环中两次转弯方向不同,铲运机机械磨损均匀。

提高铲运机生产效率的方法:

●下坡铲土:利用机械重力的水平分力来加大切土深度并缩短铲时间。

●挖近填远、挖远填近:挖土先从距离填土区最近一端开始,由近而远,填土则从距挖土区最远一端开始,由远而近,既可使铲运机始终在合理的经济运距内工作,又可创造下坡铲土的条件。

●推土机助铲:在较坚硬的土层中用推土机助铲,可加大铲刀切削力、切土深度和铲土速度。助铲间隙可兼作松土、平整工作。

●双联铲运法:拖式铲运机的动力有富余时,可在拖拉机后串连两个铲斗进行双联铲运。对坚硬土层,可先铲满一个斗,再铲另一个斗,即双联单铲;对松软土层,可两个斗同时铲土,即双联双铲。

●挂大斗铲运:在土质松软地区,可改挂大型土斗,以充分利用拖拉机的牵引力提高工效。

●跨铲法:即预留土硬、间隔铲土。

5.1.3挖掘机:挖掘机按行走方式分为履带式和轮胎式,按工作装置分有正铲、反铲、抓铲、拉铲,斗容量0.1~2.5m3,主要用于挖掘基坑、沟槽、清理和平整场地,更换工作装置后还可进行装卸、起重、打桩等其它作业,能一机多用,工效高、经济效果好,是工程建设中的常用机械。常用的挖掘机是正铲和反铲挖掘机。

⑴正铲挖掘机:正铲适用于开挖含水量较小的一类土和经爆破的岩石及冻土。主要用于开挖停机面以上的土方,且需与汽车配合完成土方的挖运工作。采用正铲开挖大型基坑,应考虑工作面的大小、形状和开行通道的设置。

正铲的开挖方式

正向开挖、侧向装土:即挖土机向前进方向挖土,汽车停在侧面装土。此法因挖土机卸土时回转角小、运输方便、生产效率高而应用较广。

正向开挖、后方装土:挖土机向前进方向挖土,汽车停在后面装土。此法挖土工作面较大,但挖土机卸土时回转角大、汽车需倒车开入,运输不方便。只适用于基坑宽度较小、深度较大的情况。

⑵反铲挖掘机:反铲适用于开挖一至三类的砂土或粘土。主要用于开挖停机面以下的土方,一般反铲的最大挖土深度为4~6m,经济合理的挖土深度为3~5m。反铲也需要配备运土汽车进行运输。反铲的外型如图1-46所示。

反铲的开挖方式可以采用沟端开挖法,即反铲停于沟端,后退挖土,向沟一侧弃土或装汽车运走(1-47a),也可采用沟侧开挖法,即反铲停于沟侧,沿沟边开挖,它可将土弃于距沟较远的地方,如装车则回转角度较小,但边坡不易控制(图1-47b)。

5.2土方机械的选择

按工程量大小、土质条件、工期要求、运距及场地来合理配备施工机械,实现机械化施工。如运距800~1500米的大型土石方以铲运机为主;大型基坑整体开挖以正铲为主;小型基坑及管沟开挖以反铲为主;土方运距在1500米以上时以汽车运输为主;土质坚硬时,要配备大马力推土机或松土机;汽车运输要考虑装载机装土等。

6土方的填筑与压实

6.1填土的要求

6.1.1土料要求:填方土料应符合设计要求,设计无规定时应符合以下规定:碎石类土、砂土和爆破石渣(粒径不大于每层铺土厚度的2/3),可用于表层以下的填料;含水量符合压实要求的粘性土,可用作各层填料;含有大量有机物的土壤、石膏或水溶性硫酸盐含量大于2%的土壤、冻结或液化状态的土壤不能作填土之用。

6.1.2最佳含水量:回填土含水量过大过小都难以夯压密实,当土壤在最佳含水量的条件下压实时,能获得最大的密实度。

土壤的最佳含水量在专业的施工手册上能查找到

土壤过湿时,可先晒干或掺入干土;

土壤过干时,则应洒水湿润以求取得较佳的含水量。

6.1.3分层厚度:填方工程应分层铺土压实。分层厚度根据压实机具而定:

压实机具

每层铺土厚度(mm)

每层压实遍数

平碾

200~300

6~8

羊足碾

200~350

8~15

振动压实机

200~350

3~4

柴油打夯机

200~250

3~4

人工打夯

<200

3~4

④注意事项:

斜坡上的土方回填应将斜坡改成阶梯形,以防填方滑动;

填方区如有积水、杂物和软弱土层等,必须进行换土回填,换土回填亦分层进行;

回填基坑和管沟时,应从四周或两侧分层、均匀、对称进行,以防基础和管道在土压力下产生偏移和变形。

6.2填土的压实方法

碾压法:适用于大面积的场地平整和路基、堤坝工程,铺土厚度应均匀一致、碾压遍数一样,碾轮重量先轻后重,碾压方向应从两边逐渐压向中央,每次碾压应有15~20cm的重叠。压路机碾压应“薄填、慢驶、多次”。

夯实法:适用于小面积的回填土施工,可夯实较厚的土层(强夯)。

振动法:适用于非粘性土壤的振动夯实。采用的机械主要是振动压路机、平板振动器。

6.3填土压实的检验

填土压实后应达到一定的密实度及含水量要求。检验指标为压实系数(压实度)λc,即:ρ(洛)

ρd一般用“环刀法”或灌砂或灌水法测定;

ρmax一般用击实试验确定。轻便触探仪(建筑)、击实筒(公路)、核子密度仪(新型检验工具)。

课外作业:见教材p52页思考题1-1、1-5题,习题第1-1、第1-3题

2地基处理与桩基工程

【教材分析】教材缺地基处理、人工挖孔灌注桩及浅基础施工的相关内容。

【教学目标】通过对本章的学习,掌握地基加固的原理和方法、钢筋砼预制桩、砼灌注桩和人工挖孔桩的施工工艺、施工方法,了解桩基础施工中容易产生的质量问题的原因和预防处理措施。

【【时间安排】1次课、2课时。

2.1概述

对地基的要求——承载力(承载力、抗剪强度)大、变形(地基允许变形值)小、土壤工程性质稳定。

对基础的要求——形式简单、埋置深度浅,受力均匀变形小。

2.1.1天然浅地基——持力层埋置深度浅、土质坚实均匀,满足基础的承载力和变形要求。

刚性基础——用砖、石、混凝土、毛石混凝土、三合土等材料建造的基础。抗压性好,而抗拉、抗弯、抗剪性能和整体性较差,适用于地基坚实、均匀,上部荷载较小,六层以下的一般民用建和工业厂房。

扩展基础——钢筋砼柱下独立基础、墙下混凝土条型基础(抗弯性能好);

杯型基础——单杯口、双杯口、高杯口(适用于单层工业厂房)

筏板基础——略

箱型基础——略

2.1.2桩基础——见教材p55页介绍。

桩基础是一种常用的深基础形式,由桩和承台组成。见教材图2-1

⑴按受力情况分:

端承桩

摩擦桩

⑵按桩的施工方法分:

预制桩(木桩、钢筋砼方桩、预应力砼管桩、钢管桩、型钢桩)——工厂或施工现场制作。预制桩——打入式(桩锤)、压入式(依靠桩架的自重和压重)、振入式(激振器)

灌注桩——桩位上就地成孔。包括:

钻孔灌注桩——螺旋钻成孔、潜水钻成孔

挖孔灌注桩——人工成孔

冲孔灌注桩——冲击成孔

沉管灌注桩——锤击成孔、振动成孔

爆扩桩

深层搅拌水泥桩

灌注桩的优点:节省钢材、降低造价、容易控制桩长。其中钻孔灌注桩无噪音、无振动、不挤压土体,对邻近建筑物影响小;人工挖孔灌注桩单桩承载力大、受力性能好、质量可靠、沉降量小、施工工艺简单,无需大型机械设备、无振动和噪声,在重型结构和高层建筑深基础中广泛应用。

2.1.3地基处理——当建筑物的荷载较大,地基土质较松软,不能作为天然浅地基时,可采取各种人工加固处理的方法,以改善地基性质,提高承载力、增强稳定性,减少地基变形和基础埋置深度。

2.2预制钢筋混凝土打入桩施工

2.2.1钢筋砼预制桩的制作、起吊、运输和堆放

钢筋砼预制桩有实心桩和管桩两种:

实心桩一般为方形断面,常用尺寸为200×200mm至500×500mm,一般在施工现场预制,单根桩的最大长度,取决于打桩架的高度,目前一般在27m以内,如需打30m以上的桩,则需考虑接桩,即整体分段预制、打桩过程中逐段接长;

管桩一般为外径为400~500mm的空心园柱形截面,在工厂采用离心法制成,大多采用先张法预应力工艺。

⑴桩的预制:

①现场制作砼预制桩一般采用间隔重叠法生产,桩与桩间用塑料薄膜或隔离剂隔开,邻桩与上层桩的砼须待邻桩与下层桩的砼达到设计强度的30%以后进行;重叠层数不超过四层、层与层间之间涂刷隔离剂;

②桩中钢筋应位置准确、主筋连接采用对焊,接头位置应相互错开,桩顶桩尖一定范围内不要留接头;

③桩尖对准纵轴线、桩顶平面和接桩端面应平整;

④砼强度等级不低于c30,砼应机拌机捣、由桩顶向桩尖连续浇筑捣实,严禁中断,养护不少于7天。

⑵起吊、运输和堆放

①桩的砼强度达到设计强度等级的70%方可起吊,吊点应设在设计规定之处,设计无规定时,应查找《建筑施工手册》的图表数据或按吊桩弯距最小(一点起吊)、正负弯矩相等或接近(两点或多点起吊)的原则自行计算确定吊点位置;

注意:实心桩和空心桩的一点吊法、两点吊法、多点吊法的计算参数是不一致的。

②桩运输时的砼强度应达到设计强度的100%;打桩时桩宜随打随运,以避免二次搬运;

③桩的堆放场地地面必须平整坚实,垫木间距应与吊点位置相同,各层垫木应在同一垂直面上,层数不超过四层,不同规格的桩应分别堆放;

④运桩和堆放的桩尖方向应符合吊升的要求,以免临时再需将桩调头。

2.2.2打桩设备

①落锤——依靠落距(重力加速度)、速度慢、效率低、对桩损伤大;

②汽锤——利用蒸汽或压缩空气为动力进行锤击。在单动和双动之分,落距短、速度快、效率高、适宜打各类桩,尤其是双动汽锤可打斜桩、水下打桩和拔桩;

③柴油锤——目前使用较多,有筒式、活塞式和导杆式三种,由于噪音、振动和空气污染等公害,在城市施工日益受到限制,不适用硬土和软土中打桩;

④液压锤——无噪音、冲击频率高,是理想的冲击式打桩设备,但造价较高。

使用锤击法沉桩施工,选择桩锤是关键。首先应根据施工条件选择桩锤的类型,然后决定锤重,一般锤重大于桩重的1.5~2倍时效果较为理想(不适用小直径桩、短桩)。

施工中应“重锤轻击”(锤的重量大而落距小)这样桩极易打入土中,不会打坏桩头,也不会产生桩身回跃(回弹);桩锤过重时,则会出现“轻锤高击”,极易损坏桩头,桩也难以打入土中。

多功能桩架——见教材p58页、图2-2步履式属于此类

履带式桩架——见教材p58页、图2-3

2.2.3打桩施工

⑴打桩前的准备工作:清除地上或地下障碍物→平整场地→定位放线→通电、通水→安设打桩机;

注意:①桩基轴线的定位点应设置在不受打桩影响处;②每个桩位打一个小木桩;③打桩地区附近设置不少于2个水准点,供施工过程中检查桩位的偏差和桩的入土深度。

⑵打桩顺序:直接影响打桩速度和打桩质量,应综合桩距大小、桩机性能、工程特点和工期要求综合考虑

①由一侧向单一方向打(逐排打)——桩的就位和起吊均很方便,打桩效率高,但产生土壤向一个方向的挤压,桩距大于或等于4倍桩径时,土壤的挤压影响可以忽略不考虑,小于4倍桩径时可能产生桩身倾斜或浮桩,应考虑跳打或变换打桩顺序;

②自中间向两个方向打

③自中间向四周打——适宜大面积的桩群;

④分段打

注意:对基础不一的桩,应遵循“先深后浅”的原则;对不同规格的桩,应遵循“先大后小、先长后短”的原则。

⑶打桩方法:

①桩插入土中时的垂直度偏差不超过0.5%,固定桩锤和桩帽,使桩、桩帽、桩锤在同一垂线上,确保桩能垂直下沉;

②开始沉桩应起锤轻压并轻击数锤,观察桩身、桩架、桩锤等垂直一致,始可转入正常施打;

③打桩过程中,如遇桩身倾斜、桩位位移、贯入度剧变、桩顶或桩身破碎或严重裂缝等异常情况,应暂停打桩,研究处置后再行施工;

④采用送桩法将桩送入土中时,桩与送桩杆应在同一轴线上,拔出送桩杆后,桩孔应及时回填;

⑤多节桩的接桩(焊接、法兰或硫磺胶泥锚接)应严格按规范执行。

⑷打桩的质量控制:

①桩的垂直偏差应控制在1%以内,平面位置的偏差,单排桩不大于100mm,多排桩为1/2~1个桩的直径或边长;

②承受轴向荷载的磨擦桩的入土深度控制,以标高为主,贯入度为参考;

③端承桩的入土深度以最后贯入度控制为主,标高作为参考;

④如遇桩顶位移或上升涌起、桩身倾斜、桩头击碎严重、桩身断裂、沉桩达不到设计标高等严重情况时,应暂停施工,采取相应措施处理后方可继续施打。

⑸减少对周围影响的措施:

噪音振动地下管线——办法不多

★静力压桩、振动沉桩、射水沉桩

⑴静力压桩——利用无振动、无噪音的静压力将桩压入土中;

⑵振动沉桩——振动桩锤产生的振动力通过桩身使土体振动而沉入土中(适宜砂土);

⑶射水沉桩——利用高压水冲击桩尖附近土层,便于锤击,力冲水边打桩(适用于砂土和碎石土或特长的预制桩)。

2.3砼灌注桩施工

灌注桩直接在桩位上成孔,然后在孔内灌注砼而成.该工艺能适应地层的变化、无需接桩、施工时无振动、无挤压、噪音小,适用于建筑物密集区。施工后需要一定的养护期,不能立即承受荷载。

2.3.1钻孔灌注桩

⑴干作业成孔灌注桩——螺旋钻机成孔、洛阳铲成孔

适用于成孔深度8~12米、成孔直径300~600mm、成孔深度无地下水的一般粘性、砂土及人工填土,不宜用于地下水位以下的上述各类土及淤泥质土。

成孔原理

扩底桩——换装扩孔刀片;

孔底虚土厚度——磨擦力为主的桩不大于300mm,端承力为主的桩不大于100mm;

钢筋笼一次绑好,放入孔内,砼应分层连续浇筑,分层厚度不大于1.5m。

⑵泥浆护壁成孔灌注桩——回转钻机(直径大)、潜水钻机、冲击钻机成孔

泥浆护壁成孔是用泥浆保护孔壁、防止塌孔和排出土渣而成孔,不同土质和地下水位高低都适用。

使用最普遍的是回转钻机——正循环、反循环

①钢护筒——在杂填土或松软土层中钻孔时,应在桩位处埋设钢护筒,以起定位、保护孔口、维持水头等作用。其内径应比钻头大100mm,埋入土中不少于1m。

②泥浆——在粘土中钻进,可采用清水钻进、自造泥浆护壁;在砂土中钻进,则应注入制备泥浆钻进,注入泥浆密度控制在1:1左右,排出泥浆密度宜为1.2~1.4。钻进过程中,应保持护筒内泥浆水位高于地下水位。

③第一次清孔——钻孔达到设计标高后应进行清孔。以原土造浆的钻孔可用“射水法”,,即钻杆只转不进(空转),待泥浆密度降至1.1左右;注入制备泥浆的钻孔则应采用“换浆法”清孔,至换出的泥浆密度小于1.15时方为合格。

④吊放钢筋笼及导管

⑤第二次清孔——在钢筋笼和导管安放后、水下砼浇灌前进行,在导管顶部安放泵及皮笼,用泵将泥浆压入导管内,再从孔底沿着导管外置换沉渣。第二次清孔标准是:孔深达到设计要求,沉渣厚度在100mm以内。

⑥水下浇灌砼——在第三章中介绍

缺点——环境污染严重。

注意事项:

孔壁塌陷——(补液并加大泥浆比重,严重时提钻、回填粘土、稳定后再钻)钻进过程中如发现排出的泥浆中不断出现气泡或泥浆液面突然下降,这表示有孔壁坍陷迹象;预防及处理措施:护筒周围用粘土填封密实,钻进过程中及时添加新鲜泥浆,使其高于孔外水位,遇流砂、松散土层时适当加大泥浆密度,控制钻进速度和空转时间;孔壁坍陷时应保持孔内泥浆液位并加大泥浆比重以稳孔护壁,如孔坍陷严重,应提出钻具立即回填粘土,待孔壁稳定后再钻。

钻孔偏斜——(提钻后反复钻,不行回填粘土再重新钻进)钻进过程中钻杆不垂直、土层软硬不均或碰到孤石都会引起钻孔偏斜;预防措施是钻机安装时对导架进行水平和垂直校正,发现钻杆弯曲时应及时更换,遇软硬土层应低速钻进;出现钻杆偏斜时可提起钻头,上下反复扫钻几次,如纠正无效,应于孔中局部回填粘土至偏孔处0.5m以上,稳定后再重新钻进。

2.3.2沉管灌注桩

沉管灌注桩是利用锤击或振动将带有钢筋砼桩靴(活辨桩尖)的钢桩管沉入土中,然后浇灌砼并拔管而成。

⑴锤击沉管灌注桩

施工程序:立管→对准桩位套入桩靴、压入土中→检查→低锤轻击→检查有无偏移→正常施打至设计标高→第一次浇灌砼→边拔管、边锤击、边继续浇灌砼→安放钢筋笼、继续浇灌砼至桩顶设计标高

砼浇灌——第一次浇灌砼桩管内应尽量灌满,拔管过程中应向桩内继续浇灌砼,并注意使桩管内砼保持略高于地面。

拔管——在砼灌满桩管后,拔管即可进行。一边拔管、一边锤击,拔管的速度要均匀,一般土层以1m/min为宜,软弱土层以0.3~0.8m/min为宜。倒打拔管的速度,单动汽锤不得少于50次/min,自由落锤轻击不少于40次/min。在管底未拔至桩顶设计标高时,倒打和轻击不得中断。

跳打——桩的中心距小于4倍桩管外径或小于2米时,均应跳打。中间空出的桩,须待邻桩砼达到设计强度的50%后方可施打。

复打——为提高桩的质量和承载能力,可采用复打来扩大灌注桩的桩径。方法是:在第一次浇筑砼完毕、拔出桩管,消除管外壁上的污泥和桩孔周围地面的浮土,立即在原桩位再设预制桩靴,第二次复打沉入桩管,使未凝固的砼向四周挤压扩大桩径,然后再浇筑第二次砼。复打应在第一次浇筑砼初凝之前进行。

⑵振动沉管灌注桩——利用桩机强迫振动频率与土的自振频率相同时产生的共振而沉管。

沉管灌注桩的关键必须严格控制最后两个两分钟的贯入速度,其值按设计要求、或试桩数据和当地施工经验确定。

沉管灌注桩可采用单打法、反插法和复打法施工。见教材p83页。

注意事项:拔管时必须确认桩尖活辨确已张开;拔管时应确保桩管内砼高度至少保持2米或不低于地面。

⑶常见问题及处理方法

断桩——露出地面的桩体可用目测观察检测,桩体在地下2~3m范围内断裂,用手或脚轻摇会有浮振的感觉,深处的断桩可采用动测法检测;防止断桩的措施主要是控制桩的中心距大于3.5倍桩径,合理安排打桩施工顺序和桩架行走路线,采用跳打法和控制时间法使桩身砼终凝前避免振动和扰动,认真控制拔管速度;断桩一经发现,应将断桩拔去,清理桩孔及接桩面,略增大桩身截面积再重新浇筑桩身砼。

缩颈——在流塑状态的淤泥质打桩时,在拔管过程中要设置浮标观测每50~100cm高度内砼的灌入量,根据灌入量和桩径的换算作出桩形图,根据桩形图是否异常来监测缩颈现象的发生;预防措施是严格控制拔管速度在0.6~0.8m/min以内,桩管内尽量多装砼,使管内砼高于地面或地下水位1~1.5m以上。发现桩身出现缩颈现象及时采取复打法进行处理。

桩靴进水——桩管沉至设计标高后,用浮标可测得桩底是否进水或进泥;预防措施是桩尖活瓣间隙或预制桩头与桩管接触处要严密,对缝隙较大的桩尖或桩头应及时修理或更换;出现桩靴进水或进泥情况的处理方法是先在桩管内灌入0.5m高水泥砂浆,再灌入1m高砼然后打下。

吊脚桩——第一次拔管时,观测管内浮标可监测桩尖活瓣或预制桩头是否打开或脱开;预防吊脚桩的措施是采取“密振慢抽”方法,开始拔管50cm,将桩管反插几下,然后再正常拔管,同时保持砼有良好的和易性,防止卡管和堵管,严格控制预制桩尖的强度和规格,防止桩尖打碎或压入管内;发现吊脚桩应将桩管拔出后填砂重打。

2.3.3爆扩成孔灌注桩

略……

2.3.4深层搅拌桩略不讲

一种采用旋喷法或深层搅拌法加固地基的方法,多用于基坑开挖的支护结构。旋喷法是利用高压射流切削土壤,旋喷浆液,搅拌浆土,凝结成坚硬的柱体或土壁。

喷浆方式有旋喷、定喷和摆喷三种,分别可获得柱状、壁状和块状加固体,旋喷法可用于桩、地下连续墙、挡土墙、防渗墙、深基坑支护结构的施工和防管涌、流砂的技术措施。

旋喷的浆液不是水泥浆,而是水玻璃和氯化钙或水泥浆,则是化学加固中的硅化法和水泥硅化法。

★2.3.5人工挖孔灌注桩

单桩承载力大、受力性能好、质量可靠、沉降量小、无需大型机械设备,无振动无噪音、无环境污染。

人工挖孔灌注桩直径一般为800~2000mm,最大可达4米,深度一般在20米左右,最深可达40米。

人工挖孔桩按护壁砖护壁和砼护壁两种,施工方法是分段(每段1米左右)开挖,分段砌筑或浇筑护壁拱圈,直至设计标高。

为确保人工挖孔桩施工安全,要有预防孔壁坍塌和产生流砂、管涌的措施,要有可靠的排水、通风和照明设施。

人工挖孔桩预防孔壁坍塌的措施有采用现浇砼护圈、钢护圈和沉井三种。

★2.4地基加固处理

2.4.1地基加固的原理

原理:“将土质由松变实”、“将土的含水量由高变低”;

方法:机械碾压法、重锤夯实法、挤密桩法、化学加固法、预压固结法、深层搅拌法等;

综合治理措施:见教材p42页的七条综合治理措施

2.4.2地基加固的方法

⑴“挖”——挖除软土层(不厚时),利用坚硬的土层作天然地基;

⑵“填”——软土层厚且又需大面积进行加固处理时,可在软土层上直接回填一定厚度的好土,提高地基承载力、减小软土层的承压力;

⑶“换”——挖填结合。素土垫层、灰土垫层、砂和砂砾石垫层、碎石和矿渣垫层、碎砖三合土垫层、粉煤灰垫层;

⑷“夯”——重锤夯实法、强夯法;

⑸“压”——堆载预压法、砂井堆载预压法、袋装砂井堆载预压法、塑料排水板堆载预压法、真空预压法;

⑹“挤”——灰土桩、石灰桩、砂石桩、水泥粉煤灰碎石桩;

⑺“拌”——旋喷注浆法、喷粉桩、水泥注浆法、硅(硅酸钠、又名水玻璃)化加固法、碱液加固法;

⑻“加筋法”——土工织物(高分子化合物加工而成的无纺布、抗拉强度10~30kn/m)、加筋土(挡墙结构);

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