土石方工程与桩基础工程.docx

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土石方工程与桩基础工程

第一讲  土石方工程与桩基础工程

【内容提要】

本讲的主要内容包括：

土方工程的准备与辅助工作，机械化施工，爆破工程，预制桩、灌注桩施工，地基加固处理技术。

【重点、难点】

预制桩、灌注桩施工，地基加固处理技术。

【内容讲解】

土石方工程包括土（或石）的挖掘、运输和填筑等过程，以及排水、降低地下水和支护结构等施工。

在建筑工程中，最常见的土石方工程有：

场地平整、基坑（槽）开挖、地坪填土、路基填筑及基坑回填土等。

一、土石方工程的准备与辅助工作

土石方工程的准备与辅助工作，除通常所说的“三通一平”（路通、水通、电通、场地平整）外，还包括降水与施工支护结构等，是保证土石方工程顺利进行的重要条件。

（一）土方边坡与支护结构

开挖基坑时，当挖深不大，且敞露时间不长时，可直立壁开挖。

当挖深超过一定限度则需放坡开挖，边坡坡度（高：

宽）可做成直线形、折线形或踏步形，取决于土质种类、开挖方法、挖土深度、施工工期、地下水水位、地面超载大小等，有参考数据供施工时采用。

式中—坡度系数，

施工中除了正确确定边坡，还需进行护坡，以防边坡发生滑动，特别要注意及时排除雨水、地面水，防止坡顶集中堆荷及振动，必要时采用钢丝网细石混凝土（或砂浆）护坡面层等措施。

当挖土深度较大，放坡不经济或周围附近有设施（建筑物、地下管线、道路等）不允许放坡时，如要保持直立土壁的稳定，则需增设基坑的围护结构，起挡土、挡水作用，并保护周围环境，减少对相邻设施的不利影响。

根据工程特点、基坑周边环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工作业设备和施工季节等条件，基坑支护可选用排桩、地下连续墙、水泥土墙、逆作拱墙、土钉墙原状土放坡或上述型式的组合。

支护结构选型适用条件见表5-1-1

在地下水位高的地区开挖较深的基坑，如无能挡水的支护结构，多数要降水。

对软土地区的深基坑，即便设有挡水的支护结构，基坑外的地下水不会流入基坑，但为了便于机械挖土，亦多需在挖土前进行坑内降水，同时降水后能提高被动土压力，有利于支护结构的稳定和减少变形。

其中，井点降水是使用较多的地下水控制方法：

在基坑开挖前，预先在基坑四周埋设一定数量下部带滤管的井点管，在基坑开挖前和开挖过程中，利用真空设备不断抽取地下水，使地下水位降至坑底以下，不使地下水在基坑开挖过程中流入坑内。

井点降水一般有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点和深井井点等，根据土的渗透系数、降水深度、设备条件及经济比较等因素确定。

井点管为直径38～51mm、长5～7m的钢管。

滤管直径常与井点管直径相同，长度为1.0～.7m，管壁上钻有直径12～19mm、呈星棋状排列的滤孔，外面包以两层孔径不同的生丝布或塑料布滤网。

降水井宜在基坑外缘采用封闭式布置，井间距应大于15倍井管直径，在地下水补给方向应适当加密；当基坑面积较大、开挖较深时，也可在基坑内设置降水井。

其深度应根据设计降水深度、含水层的埋藏分布和降水井的出水能力确定，设计降水深度在基坑范围内不宜小于基坑底面以下0.5m。

井点降水的涌水量按水井理论计算。

根据地下水有无压力，水井分为无压井和承压井。

水井底部到达不透水层时称完整井，否则称为非完整井。

所以水井共分四种，即无压完整井、无压非完整井、承压完整井和承压非完整井。

各种井的涌水量计算公式不同，如：

无压完整井的当基坑远离边界时，其基坑涌水量计算公式为：

二、机械化施工

推土机操纵灵活、运转方便、所需工作面较小，多用于场地清理和平整、开挖深度不大的基坑、填平沟坑，以及配合铲运机工作。

推运距离宜在100m以内，以运距50m左右经济效果最好。

铲运机可综合完成挖土、运土、卸土和平土的全部土方施工工序，分自行式铲运机和拖式铲运机两种，目前多为油压操纵。

常用于大面积的场地平整、填筑堤坝和路基、在开阔地带开挖长度大的大型基坑。

适用运距为600～1500m，当运距为200～350m时效率最高。

单斗挖土机目前多为液压传动，分为正铲、反铲和抓铲等，其行走装置有履带和轮胎式等。

   正铲挖土机适合开挖停机面以上的土方，需汽车配合运土。

反铲挖土机用以挖掘停机面以下的土方，主要用于开挖基坑、沟槽等，亦需汽车配合运土。

抓铲挖土机宜用于开挖沟槽、基坑和装卸粒状材料，于水下亦可抓土。

机械选择主要取决于施工对象特点、地下水位高低和土壤含水量。

（一）当地形起伏不大，坡度在以内，挖填平整土方的面积较大，土的含水量适当，平均运距短（一般在1km以内）时，采用铲运机较为合适。

如果土质坚硬或冬季冻土层厚度超过10～15cm时，必须由其他机械辅助翻松再铲运。

当一般土的含水量大于25％，或坚硬的粘土含水量超过30％时，铲运机要陷车，必须使水疏干后再施工。

（二）地形起伏较大的丘陵地带，一般挖土高度在3m以上，运输距离超过1km，工程量较大且又集中时，一般可采用下述三种方式进行挖土和运土。

1）正铲挖土机配合自卸汽车进行施工，并在弃土区配备推土机平整土堆。

2）用推土机将土推入漏斗，并用自卸汽车在漏斗下承土并运走。

3）用推土机预先把土推成一堆，用装载机把土装到汽车上运走，效率也很高。

（三）开挖基坑时根据下述原则选择机械

1．土的含水量较小，可结合运距长短、挖掘深浅，分别采用推土机、铲运机或正铲挖土机配合自卸汽车进行施工。

当基坑深度在1～2m，基坑不太长时可采用推土机；深度在2m以内的线状基坑，宜由铲运机开挖；当基坑较大，工程量集中时，可用正铲挖土机挖土。

2．如地下水位较高、又没有采用降水措施，或土质松软，可能造成正铲挖土机陷车时，则采用反铲、拉铲或抓铲挖土机配合自卸汽车较为合适，挖掘深度见有关机械的性能表。

3．移挖作填以及基坑和管沟的回填，运距在60～100m以内时可用推土机。

上述各种机械的使用范围都是相对的，选用机械时应根据具体情况考虑。

如果有多种机械可供选择时，应当进行技术经济比较，选择效率高、费用低的机械进行施工。

当挖土机挖出的土方需用运土车辆运走时，挖土机的生产率不仅取决于本身的技术性能，而且还决定于所选的运输工具是否与之协调。

由技术性能，可按下式算出挖土机的生产率P：

三、爆破工程

开挖岩石多用爆破方法。

此外，开挖冻土、清除障碍物和拆除旧有的建筑物和构筑物以及近年来在拆除支护结构的混凝土结构支撑方面亦多用爆破。

爆破是利用炸药爆炸时产生的极高的压力和大量的热来破坏周围介质。

爆破施工费用低、速度快，但有一定的危险性，需谨慎地作好防护工作。

爆破施工包括打孔、装药、填塞、引爆和清理。

打孔多用风镐，药孔布置由设计定。

药量由计算确定。

要使炸药发生爆炸，必须用起爆炸药引爆。

起爆方法有：

火花起爆法、电池起爆法和导爆（传爆线）法。

前两种方法用雷管引爆炸药，后一种是用雷管引爆导爆索：

由导爆索直接引爆炸药。

拆除爆破又名“控制爆破”，是通过一定的技术措施，严格控制爆炸能量和爆破规模，使爆破的声响、振动、破坏区域以及破碎物的散坍范围，控制在规定限度内的一种爆破技术。

它在城市和工厂的发展过程中，对已有房屋或构筑物的磬建、拆除提供了安全有效的方法。

拆除爆破需考虑的因素很多，包括爆破体的集合形状和材质，使用的炸药、药量、炮眼布置及装药方式，覆盖物和防护措施及周围环境等。

其中炸药及装药量是最主要的因素。

拆除爆破所用的炸药，要求爆速小但威力大；药卷的临界直径小（小于临界直径时，炸药就不能传爆）以便使用微量炸药。

装药量的计算根据炸药的性能来确定。

一般拆除爆破采取“多钻眼，少装药”的办法。

四、预制桩、灌注桩施工

按桩的施工方法，桩分为预制桩和灌注桩两类

（一）预制打人桩施工

预制桩常用的有混凝土方桩、预应力混凝土管桩和钢管桩。

打入法是最常用的沉桩方法。

1．打桩设备

打桩设备主要是桩锤和桩架。

桩棰有落锤、蒸汽锤、柴油锤和液压锤。

目前应用最多的是柴油锤。

柴油锤是利用燃油爆炸推动活塞往复运动而锤击打桩，活塞重量从几百公斤到数吨。

用锤击沉桩，为防止桩受冲击应力过大而损坏，宜用重锤轻击。

如用轻锤重打，锤击功大部分被桩身吸收，桩不易打入，且桩头易打碎。

锤重与桩重应有一定的比值，或控制锤击应力，以防把桩打坏。

桩架是支持桩身和桩棰，在沉桩过程中引导桩的方向，并使桩锤能沿着要求的方向冲击的打桩设备。

常用桩架有多能桩架和履带式桩架，多用后者。

履带式桩架以履带式起重机为底盘，增设了立柱和斜撑用以打桩。

2．打桩

打桩前应做好下列准备工作：

清除妨碍施工的地上和地下的障碍物；平整施工场地；定位放线。

柱基轴线的定位点应设置在不受打桩影响的地点，打桩地区附近需设置不少于2个的水准点。

在施工过程中可据此检查桩位的偏差以及桩的入土深度。

打桩时应注意下列一些问题：

（1）打桩顺序

打桩顺序应根据地形、土质和桩布置的密度决定。

由于桩对土体产生挤压，打桩时先打人的桩常被后打入的桩推挤而发生水平位移，尤其是在满堂打桩时，这种现象尤为突出。

因此在桩的中心距小于4倍桩的直径时，应拟定合理的打桩顺序。

当逐排打设时，打桩的推进方向应逐排改变，以免土朝一个方向挤压，导致土壤挤压不均匀。

并且对一排桩而言，必要时可采用间隔跳打的方式进行。

大面积打桩时，可从中间先打，逐渐向四周推进（，若从四周向中间打设，则中间部分土壤受到挤压，使桩难以打入。

分段打设，可以减少对桩的挤动，在大面积打桩时较为适宜。

（2）打桩方法

在桩架就位后即可吊桩，垂直对准桩位中心，缓缓放下插入土中，位置要准确。

在桩顶扣好桩帽或桩箍，使桩稳定后，即可除去吊钩，起锤轻压并轻击数锤，随即观察桩身与桩帽、桩棰等是否在同一轴线，接着可正常施打。

在沉桩过程中，要经常注意桩身有无位移和倾斜现象，如发现问题，应及早纠正。

为了防止击碎桩顶，除用桩帽外，如桩顶不平，还需用麻袋或厚纸垫平，落锤高度不宜大于1m。

如用送桩法将桩顶打入土中时，桩与送桩的纵轴线应尽量在同一直线上。

拔出送桩后，桩孔应及时回填。

沉桩到接近设计要求时，即需进行观察，看是否满足贯入度或沉桩标高的要求。

如达到设计要求，即作好沉桩记录，并将桩架移至新桩位施工。

（3）打桩的质量控制

打桩的质量视打入后的偏差是否在允许范围之内，最后贯入度与沉桩标高是否满足设计要求以及桩顶、桩身是否打坏而定。

桩的垂直偏差应控制在1％之内，平面位置的偏差，除上面盖有基础梁的桩和桩数为1～2根或单排桩基中的桩外，一般为1/2～1个桩的直径或边长。

摩擦桩的入土深度控制，以标高为主，而以贯入度作参考；端承桩的入土深度控制，以贯入度为主，而以标高作参考。

贯入度指最后贯入度，即最后10击桩的平均人土深度。

（二）灌注桩施工

由于具有施工时无振动、无挤土、噪音小、宜于在城市建筑物密集地区使用等优点，灌注桩在施工中得到较为广泛的使用。

根据成孔工艺的不同，灌注桩可以分为干作业成孔的灌注桩、泥浆护壁成孔的灌注桩、套管成孔的灌注桩等。

1．干作业成孔灌注桩

干作业成孔灌注桩适用于地下水位较低，无需护壁即可直接取土成孔的土质，可采用螺旋钻机成孔、洛阳铲挖机和人工挖孔等成孔方式。

螺旋钻机成孔灌注桩是利用动力旋转钻杆，使钻头的螺旋叶片旋转削土，土块沿螺旋叶片上升排出孔外。

施工时，要根据实际情况，确定相应的钻进转速及钻压：

在软塑土层，含水量大时，可用疏纹叶片钻杆，以便较快地钻进；在可塑或硬塑粘土中，或含水量较小的砂土中应用密纹叶片钻杆，缓慢地均匀地钻进。

佥叶片螺旋钻机成孔直径一般为300～600mm，钻孔深度8～12m。

钢筋笼应一次绑扎完成，放入孔内之后再次测量孔内虚土厚度。

混凝土应随浇随振，每次浇筑高度不得大于1.5m。

如成孔时发生塌孔，宜钻至塌孔处以下1～2m时，用低强度等级的混凝土填至塌孔以上lm左右，待混凝土初凝后再继续下钻，钻至设计深度，也可用3：

7的灰土夯实代替填筑混凝土。

2．泥浆护壁成孔灌注桩

泥浆护壁成孔是用泥浆保护孔壁，防止孔壁坍塌。

通常在孔内注入高塑性粘土或膨润土和水拌合的泥浆，或者利用钻削下来的粘性土与水混合形成泥浆保护孔壁。

对不论地下水位高或低的土层皆适用，多用于含水量高的软土地区。

成孔机械有回转钻机、潜水钻机、冲击钻等，其中以回转钻机最多。

回转钻机是由动力装置带动钻机回转装置转动，从而带动有钻头的钻杆转动，由钻头切削土壤。

根据泥浆循环方式不同，分为正循环回转钻机和反循环回转钻机。

正循环回转钻机成孔是由空心钻杆内部通人泥浆或高压水，从钻杆底部喷出，携带钻下的土碴沿孔壁向上流动，由孔口将土碴带出流入泥浆池。

反循环回转钻机成孔是泥浆或清水由钻杆与孔壁间的环状间隙流入钻孔，然后由吸泥泵等在钻杆内形成真空，使之携带钻下的土碴由钻杆内腔返回地面而流向泥浆池。

反循环工艺的泥浆上流的速度较高，能携带较大的土碴。

钻进过程中，如发现排出的泥浆中不断出现气泡，或泥浆突然漏失，表示有孔壁坍陷迹象。

其主要原因是土质松散，泥浆护壁不好，护筒周围未用粘土紧密填封以及护简内水位不高。

钻进中如出现缩颈、孔壁坍陷时，首先应保持孔内水位并加大泥浆比重以稳孔护壁。

如孔壁坍陷严重，应立即回填粘土，待孔壁稳定后再钻。

钻杆不垂直、土层软硬不匀或碰到孤石时，都会引起钻孔偏斜。

钻孔偏斜时，可提起钻头，上下反复扫钻几次，以便削去硬土，如纠正无效，应于孔中局部回填粘土至偏孔处0.5m以上，重新钻进。

3．套管成孔灌注桩   

套管成孔灌注桩是利用锤击打桩法或振动打桩法，将带有钢筋混凝土桩靴（有称桩尖）或带有活瓣式桩靴的钢套管沉入土中，然后灌注混凝土并拔管而成。

通常分为锤击灌注桩和振动灌注桩。

前者多用于一般粘性土、淤泥质土、砂土和人工填土地基，后者除以上范围，还可用于稍密及中密的碎石土地基。

锤击灌注桩施工时，用桩架吊起钢套管，对准预先设在桩位处的预制钢筋混凝土桩靴。

套管与桩靴连接处要垫以麻、草绳，以防止地下水渗入管内。

然后缓缓放下套管，套入桩靴压进土中。

套管上端扣上桩帽，检查套管与桩棰是否在一垂直线上，套管偏斜≤0．5％时，即   套管成孔灌注桩可起锤沉套管。

先用低锤轻击，观察后如无偏移，才正施打，直至符合设计要求的贯入度或沉人标高，并查管内有无泥浆或水进入，即可灌注混凝土。

套管内混凝土应尽量灌满，然后均匀拔管。

桩锤冲击频率，视锤的类型而定。

桩的中心距在5倍桩管外径以内或小于2m时，均应跳打。

中间空出的桩须待邻桩混凝土达到设计强度的50％以后，方可施打。

为了提高桩的质量和承载能力，常采用复打扩大灌注桩。

套管灌注桩施工时常易发生断桩、缩颈、桩靴进水或进泥及吊脚桩等问题，施工中应加强检查并及时处理。

五、地基加固处理技术

天然地基的强度不足或土的压缩性较大，不能满足建筑物对地基的要求时，就需要针对不同的情况，对地基进行处理或加固。

地基处理的目的是：

改善软弱土的剪切性能，提高地基土的抗剪强度；降低软弱土的压缩性，减少基础的沉降和不均匀沉降；同时，还可以改善土的透水性，起防渗、截水的作用；改善土的动力特性，防止液化作用。

地基处理的技术主要有：

排水固结法，振密、挤密法，置换及拌入法，灌浆法，加筋法及冷热处理法等。

这些技术的作用机理，大致分为：

（1）土质改良；

（2）土的置换；（3）土的补强等三类。

土质改良是指用机械（力学）的、化学、电、热等手段增加地基土的密度，或使地基土固结，这一方法是尽可能的利用原有地基。

土的置换是将软土层换填为良质土如砂垫层等。

土的补强是采用薄膜、绳网、板桩等约束住地基土，或者在土中放入抗拉强度高的补强材料形成复合地基以加强和改善地基上的剪切特性。

【例题1】在土方工程中，对于大面积场地整平、开挖大型基坑、填筑堤坝和路基等，宜首先选择的土方机械为（  ）。

（A）挖土机   （B）推土机     （C）铲运机     （D）选用A与B

答案：

（C）

【例题2】当地下水位低于基底，在湿度正常的可塑粘土层中开挖基抗，若敞露时间不长，可作成直壁不加支撑的挖方深度不宜大于（ ）。

（A）1m     （B）1.25m     （C）1.5m     （D）2.0m

答案：

（C）

【例题3】在沟槽开挖时，对松散和湿度很高的土进行土壁支撑，可采用下列哪种（   ）？

（A）断续式水平挡土板支撑   （B）垂直挡土板式支撑

（C）连续式水平挡土板支撑   （D）断续或连续式水平挡土板支撑

答案：

（B）

解析：

松散和湿度很高的土的自稳能力差，应选择垂直挡土板式支撑。

【例题4】基坑支护结构按受力状态分类，深层水泥土搅拌桩围护结构属于（ ）。

（A）横撑式支撑       （B）板桩支护结构

（C）重力式围护结构   （D）非重力式围护结构

答案：

（C）

解析：

深层水泥土搅拌桩围护结构按受力状态分类为重力式围护结构。

【例题5】当采用不同类土进行土方填筑时，应该（ ）。

（A）将透水性较小的土层置于透水性较大的土层之下

（B）将透水性较小的土层置于透水性较大的土层之上、

（C）将不同类土混合均匀填筑

（D）只要分层填筑就可以

答案：

（B）

【例题6】影响填土压实的主要因素是（ ）。

（A）压实功         （B）土的含水量

（C）每层铺土厚度   （D）以上三者

答案：

（D）

【例题7】当钢筋混凝土预制桩运输和打桩时，桩的混凝土强度应达到设计强度的多少（   ）？

（A）50％   （B）70％   （C）90％   （D）100％  

答案：

（D）

【例题8】预制桩用锤击打人法施工时，在软土中不宜选择的桩锤是（  ）。

（A）落锤   （B）柴油锤   （C）蒸汽锤   （D）液压锤

答案：

（B）

【例题9】为了防止沉管灌注桩发生缩颈现象，可采用哪种方法施工?

（ ）

（A）跳打法   （B）分段打设

（C）复打法   （D）逐排打

答案：

（C）

【例题10】摩擦桩的入土深度控制，以标高为主，而以贯入度作参考，贯入度是指（  ）？

（A）标准贯入试验的击数   （B）桩入土深度为10cm的击数

（C）桩入土深度为30cm的击数   （D）桩最后10击的平均入土深度

答案：

（D）