桥涵基础工程施工.ppt

桥涵基础工程施工,高职高专道路桥梁工程技术专业“十二五”规划教材,主 编：徐 俊 主 审：陈延方,情境三 人工地基工程施工,1. 了解人工地基分类。 2. 掌握垫层的作用、设计方法、施工要点。 3. 掌握排水固结法原理、构造、施工工艺。 4. 掌握强夯法加固机理、设计参数、施工步骤。 5. 掌握挤密法加固原理、构造、施工方法。 6. 掌握深层搅拌法加固原理、设计要点、施工方法。,单元二 复合地基处理,一、 挤密法与振冲法 （一） 挤密法 挤密法又称为挤密桩法，是指在软弱土层中以沉管、冲击的方式成孔，将土侧向挤密，然后向孔中填入碎石、砂、灰土、石灰或炉渣等填料，再加以振实成桩并且进一步挤密桩间土的方法。挤密法施工形成的桩称为挤密桩。挤密桩按其填入材料不同分别称为挤密砂桩、挤密土桩和挤密灰土桩等。,单元二 复合地基处理,1. 挤密法的加固机理与适用范围 挤密法加固机理是：一方面成孔施工过程中挤密桩间土，土的密实度增加，另一方面桩体与桩间土形成复合地基，地基强度提高。 对于砂土地基，当采用振动法下沉桩管和一次拔管成桩时，由于桩管下沉对周围砂土产生很大的横向挤压力，桩管将地基中同体积的砂挤向周围的砂层，使其孔隙比减小，密度增大，这就是挤密作用。有效挤密范围可达34倍桩直径；当采用振动法下沉桩管和逐步拔出桩管成桩时，下沉桩管时对周围砂层产生挤密作用，拔起桩管时对周围砂层产生振密作用，有效振密范围可达6倍桩直径左右。,单元二 复合地基处理,振密作用比挤密作用更显著。对于软弱黏性土地基，由于桩体本身具有较大的强度和变形模量，桩的断面也较大，桩体置换同体积的软弱黏性土，与土组成复合地基，共同承担上部荷载。 挤密砂桩常用来加固松砂易液化的地基以及结构疏松的杂填土地基。挤密土桩及灰土桩常用来加固湿陷性黄土地基，处理深度一般为515 m，是我国黄土地区地基处理的主要方法之一。 2. 挤密桩的构造与布置 桩孔直径一般为3080 cm，桩孔宜按梅花形布置，必要时也可按正方形布置，桩间距一般为35倍桩径。如软弱土层不很厚，挤密桩一般穿透软土层；如软弱土层很厚，挤密桩长度可按桩底承载力和沉降量的要求，根据地基的稳定性和变形验算确定。,单元二 复合地基处理,3. 挤密法施工要点 挤密法施工包括成孔挤密和桩孔回填夯实两个步骤。 （1） 成孔挤密 常用成孔方法有沉管法成孔、冲击法成孔。 沉管法成孔是指使用振动机或锤击打桩机，将带有特制桩靴的钢制桩管（图3.2.1所示）打入土层中设计深度形成桩孔，成孔深度一般为78 m。 冲击法成孔是指使用冲击机，将锤头提升到一定高度后自由落下，反复冲击使土层冲孔，成孔深度可达20 m以上。,单元二 复合地基处理,（2） 桩孔回填夯实（或振实） 采用沉管法成孔时，桩管沉入设计深度后，往桩管中灌入填料（砂、碎石或土），边分层灌入填料夯实（或振实），边将桩管向上拔起（桩靴留在孔底），直至桩孔灌满填料。 采用冲击法成孔后，往孔中分层灌入填料，分层夯实，直至桩孔灌满填料。,图3.2.1 钢制桩管构造示意图,图3.2.2 振冲器构造示意图,单元二 复合地基处理,（二） 振冲法 振冲法是利用一个振冲器（图3.2.2所示），借助于高压水流边振边冲，使地基变密；或在黏性土地基中成孔，在孔中填入碎石制成一根根的桩体，桩体和原来的土构成比原来抗剪强度高和压缩性小的复合地基。 1. 振冲法的加固机理与适用范围 振冲法按加固机理和效果的不同，分为振冲置换法和振冲密实法两类。振冲置换法是在地基土中借振冲器成孔，往桩孔中填入碎石（或砂砾）并振密，制成一根根以碎石、砂砾等散粒材料组成的桩体，桩体与原地基土一起构成复合地基，,单元二 复合地基处理,使其排水性能得到很大改善，有利加速土层固结，使承载力提高，沉降量减小，故又称振冲碎石桩法。振冲密实法主要是利用振动和压力水使砂层液化，砂颗粒相互挤密，重新排列，孔隙减少，从而提高砂层的承载力和抗液化能力，故又称振冲挤密砂桩法，这种桩根据砂土的不同，又有加填料和不加填料两种。 振冲置换法适用于：处理不排水且抗剪强度不小于20 kPa的黏性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基，如果桩周围土的强度过低，则难以形成桩体。,单元二 复合地基处理,振冲密实法适用于：处理松散砂土和粉土等地基，不加填料的振冲密实法仅适用于处理黏粒含量小于10的粗砂、中砂地基。振冲法不适用于在地下水位较高、土质松散易塌方和含有大块石头等障碍物的土层中使用。 国内应用振冲法加固地基的深度一般为14 m，最大达18 m，置换率一般在1030，每米桩的填料量为0.30.7 m3，直径为0.71.2 m。,单元二 复合地基处理,2. 振冲法的设计要求 （1） 桩位布置 对大面积处理，宜采用梅花形布置；对独立或条形基础，宜采用正方形、矩形或等腰三角形布置。 （2） 桩的间距 振冲置换法桩距可用1.52.5 m，荷载大或原土强度低时，宜取较小的间距；反之，宜取较振冲置换法大的间距。对桩端未达相对硬层的短桩，宜取小间距。振冲密实法振冲点间距与土的颗粒组成、要求达到的密实程度、地下水位、振冲器功率、水量等有关，应通过现场试验确定，可取1.82.5 m。,（3） 桩长、桩径确定 振冲置换法桩长：当相对硬层的埋藏深度不大时，应按相对硬层埋藏深度确定；否则，应按建筑物地基的变形允许值确定，但桩长不宜小于4 m。在可液化的地基中，桩长应按要求的抗震处理深度确定。桩径常为0.81.2 m。振冲密实法的振冲深度：当可液化土层不厚时，应穿过可液化土层；否则，按要求的抗震处理深度确定。 （4） 填料 振冲置换法可用含泥量不大的碎石、卵石、角砾、圆砾等硬质材料。常用碎石的粒径为2050 mm，材料的最大粒径不宜大于80 mm。,单元二 复合地基处理,振冲密实法宜用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂等硬质材料。 3. 振冲法的施工机械与施工步骤 振冲法主要的施工机具是振冲器、吊机和水泵。振冲器是一个类似插入式混凝土振捣器的机具，其外壳直径为0.20.45 m，长25 m，重约2050 kN，筒内主要由一组偏心块、潜水电机和水管三部分组成，如图3.2.2所示。振冲器有两个功能，一是产生水平向振动力(4090 kN)作用于周围土体；二是从端部和侧部进行射水和补给水。振动力是加固地基的主要因素，射水起协助振动力在土中使振冲器钻进成孔，并在成孔后清孔及实现护壁作用。,振冲法的施工示意图如图3.2.3所示，振冲法具体施工步骤如下：,图3.2.3 振冲施工过程 (a)定位、启动；(b)成孔、清孔；(c)开始填料、振冲；(d)成桩,单元二 复合地基处理,（1） 振冲器由吊车或卷扬机就位，打开下喷水口，启动振冲器； （2） 在振动力和水冲作用下，在土层中形成孔洞； （3） 到达设计标高后清孔（用循环水带出孔中稠泥浆），向桩孔逐段添加填料(粗砂、砾砂、碎石、卵石等)，填料粒径不宜大于80 mm，碎石粒径常用2050 mm，每段填料均在振冲器振动作用下振挤密实，达到要求密实度后就可以上提，重复上述操作直至地面，从而在地基中形成一根具有相当直径的密实桩体，同时孔周围一定范围的土也被挤密。,单元二 复合地基处理,孔内填料的密实度可以从振动所耗的电量来反映，通过观察电流变化来控制。 振冲法的显著优点是用一个较轻便的机具，将强大的水平向振动(有的振冲器也附有垂直向的振动)直接递送到深度达20 m左右的软弱地基内，施工设备较简单，操作方便，施工速度快，造价较低。缺点是加固地基时要排出大量的泥浆，环境污染比较严重。,单元二 复合地基处理,二、 化学加固法 化学加固法是指在软土地基中掺入水泥、石灰等，通过搅拌、喷射方式使其与土颗粒混合固化，或把一些能固化的化学浆液(水泥浆、水玻璃、氯化钙溶液等)注入地基土孔隙，以改善土的物理力学性质的地基加固方法。 按加固材料的状态分为粉体类(水泥、石灰粉末)和浆液类(水泥浆及其他化学浆液)。按施工工艺分为深层搅拌法(低压搅拌法)、高压喷射注浆法和灌浆法三类，下面分别予以介绍。,单元二 复合地基处理,（一） 深层搅拌法 深层搅拌法是利用水泥、石灰（浆液或粉体）等材料作固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制拌和，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和较高强度的水泥或石灰加固体，与天然地基形成复合地基。 深层搅拌法又可分为水泥浆搅拌法和粉体喷射搅拌法，所形成的桩称为水泥搅拌桩和粉喷桩。 深层搅拌法采用水泥或石灰作为固化剂时，各自的加固原理、设计方法、施工技术均不相同。下面以水泥深层搅拌法为例介绍。,单元二 复合地基处理,1. 深层搅拌法加固原理及使用范围 水泥深层搅拌法加固的基本原理如下： (1)水泥的水化反应 普通硅酸盐水泥主要由硅酸三钙(3CaOSiO2)、硅酸二钙(2CaOSiO2)、铝酸三钙(3CaOAl2O3)、铁铝酸四钙(4CaOAl2O3Fe2O3)等几种矿物组成，这些矿物与土中水发生水化反应，生成氢氧?疲跜a(OH)2、水化硅酸钙(CaO2SiO23H2O)、水化铝酸钙(CaOAl2O36H2O)、水化铁酸钙(CaOFe2O36H2O)等化合物，从而降低土中含水量。这些水化物初始呈液态，随着时间的增长逐渐结硬。,单元二 复合地基处理,单元二 复合地基处理,（2） 土颗粒与水泥水化物的作用 软土中的矿物质（如SiO2、Al2O3）与水泥水化物中的Ca(OH)2进行化学反应，生成不溶于水的结晶化合物。这些新形成的化合物在水中和空气中逐渐硬化，增大了水泥土的强度。 SiO2+Ca(OH)2+nH2OCaOSiO2(n+1)H2O Al2O3+Ca(OH)2+nH2OCaOAl2O3(n+1)H2O 此外，软土中含有游离的钠离子Na+和钾离子K+，它们能和水泥水化生成的钙离子Ca+进行当量吸附交换，并使较小的土颗粒形成较大的粒团，使土体强度提高。,单元二 复合地基处理,（3） 碳酸化作用 水泥水化物中的Ca(OH)2与空气中的CO2反应生成不溶于水的碳酸钙CaCO2，也能提高软土的强度，并与周围土体形成复合地基。 深层搅拌法适用于：加固较深较厚的淤泥、淤泥质土、粉土和含水量较高、且地基承载力特征值不大于120 kPa的黏性土地基。对超软土效果更为显著。如图3.2.4所示为用于软基处理的粉喷桩。,单元二 复合地基处理,图3.2.4 粉喷桩,单元二 复合地基处理,2. 深层搅拌桩的设计要点 （1） 固化剂和外掺剂 固化剂宜选用强度等级为32.5级以上的普通硅酸盐水泥。水泥掺量一般为12%20%。外掺剂可根据工程需要和土质条件选用早强、缓凝、减水以及节约水泥等作用的材料。 （2） 桩长和桩径 桩长应通过计算确定，一般水泥搅拌桩桩长可达30 m，桩体直径为6080 cm；粉喷桩桩长可达1030 m，桩体直径为50100 cm。,单元二 复合地基处理,（3） 布桩形式 深层搅拌桩可根据需要做成柱状、壁状和块状三种形式。柱状是每隔一定的距离打设一根搅拌桩，采用正方形、三角形等布置形式，适用于单独基础和条形、筏形基础下的地基加固；壁状是将相邻搅拌桩部分重叠搭接而成，适用于深基坑开挖时的软土边坡加固以及多层砌体结构房屋条形基础下的加固；块状是将多根搅拌桩纵横相互重叠搭接而成，适用于上部结构荷载大而对不均匀沉降控制严格的建筑物地基加固和防止深基坑隆起及封底时采用。,单元二 复合地基处理,3. 深层搅拌桩的施工方法 （1） 水泥浆搅拌法 水泥浆搅拌法是用回转的搅拌叶将压入软土内的水泥浆与周围软土强制拌和形成水泥加固体。搅拌机由电动机、中心管、输浆管、搅拌轴和搅拌头组成，并有灰浆搅拌机、灰浆泵等配套设备。水泥浆搅拌法施工过程如图3.2.5所示，其施工步骤如下：,单元二 复合地基处理,图3.2.5水泥浆搅拌法施工过程示意 (a) 搅拌机就位；(b） 预搅下沉；(c） 提升、喷浆、搅拌； (d) 重复搅拌下沉一次；(e） 重复搅拌提升一次；(f） 搅拌结束,单元二 复合地基处理, 搅拌机就位：用起重机悬吊深层搅拌机，将搅拌头定位对中。 预搅下沉：启动电机，搅拌轴带动搅拌头，边旋转搅松地基边下沉。 提升、喷浆、搅拌：当搅拌头沉到设计深度后，略为提升搅拌头，将制备好的水泥浆由灰浆泵通过中心管，压开球形阀，注入地基土中；边喷浆、边搅拌、边提升，使水泥浆和土体强制拌和，直至设计加固的顶面，停止喷浆。 重复搅拌下沉一次：使水泥浆与地基土充分搅拌均匀。 重复搅拌提升一次：使水泥浆与地基土充分搅拌均匀。 搅拌结束：清洗管道中残存水泥浆，移至新孔。,单元二 复合地基处理,（2） 粉体喷射搅拌法 粉体喷射搅拌法是指搅拌机钻头正转切土下沉到设计深度，然后反转提升钻头，同时用压缩空气输入水泥或石灰粉，边喷粉、边搅拌、边提升，直至钻头提出地面形成桩体。 粉体喷射搅拌法施工过程如图3.2.6所示，其施工步骤如下：,单元二 复合地基处理,图3.2.6粉体喷射搅拌法施工过程示意 （a） 搅拌机对准桩位；（b） 预搅下沉；（c） 钻进结束； （d） 提升、喷粉、搅拌；(e） 搅拌结束,单元二 复合地基处理, 搅拌机就位：移动钻机，对准桩孔，主轴垂直。 预搅下沉：启动电机，逐级加速，正转预搅下沉并在钻杆内连续输送压缩空气，以干燥通道。 钻进结束：搅拌头达到设计深度并在原位钻动12 min时，钻进结束。 提升、喷粉、搅拌：启动粉体发送器，将水泥粉呈雾状喷入地基，反转提升转头，边喷粉、边搅拌、边提升，直至到设计停灰标高后，慢速原地搅拌12 min。必要时再次将搅拌头下沉与提升一次，使粉体搅拌均匀。 搅拌结束：钻具提升到地面后，移位进行下一根桩的施工。,单元二 复合地基处理,（二） 高压喷射注浆法 高压喷射注浆法是利用钻机把带有特殊喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，用高压脉冲泵（工作压力在20 MPa以上），将水泥浆液通过钻杆下端的喷射装置，向四周以高速水平喷入土体，借助液体的冲击力切削土层，使喷流射程内土体遭受破坏，土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后形成加固体，从而使地基得到加固，如图3.2.7所示。,单元二 复合地基处理,图3.2.7 高压喷射注浆系统示意图,单元二 复合地基处理,加固体的形状与注浆管的提升速度和喷射流方向有关。一般分为旋转喷射(简称旋喷)、定向喷射(简称定喷)和摆动喷射(简称摆喷)三种形式。旋喷时，喷嘴边喷射边旋转和提升，可形成圆柱状加固体（称为旋喷桩）。定喷时，喷射方向固定不变，喷嘴边喷射边提升，可形成墙板状加固体，通常用于托换工程。 高压喷射法的施工机具主要由钻机和高压发生设备两部分组成。高压发生设备包括高压泥浆泵、高压水泵、空气压缩机、水泥浆搅拌机等。 旋喷桩施工工艺如图3.2.8所示。,单元二 复合地基处理,图3.2.8旋喷桩施工工艺 (a) 开始钻进；(b) 钻进结束；(c) 高压旋喷开始；(d) 边旋转边喷射边提升；（e） 旋喷结束,单元二 复合地基处理,高压喷射注浆法的旋喷管分单管、二重管、三重管三种。单管法只喷射水泥浆，可形成直径为0.61.2 m的圆柱形加固体；二重管法则为同轴复合喷射高压水泥浆和压缩空气两种介质，可形成直径为0.81.6 m的桩体；三重管法则为同轴复合喷射高压水、压缩空气和水泥浆液三种介质，形成的桩径可达1.22.2 m。 高压喷射注浆法的特点是： （1） 能够比较均匀地加固透水性很小的细粒土，作为复合地基可提高其承载力，降低压缩性。 （2） 施工设备简单、灵活，能在室内或洞内净高很小的条件下对土层深部进行加固。,单元二 复合地基处理,（3） 能控制加固体形状，制成连续墙可防止渗透和流砂。 （4） 不污染环境，无公害。高压喷射注浆法加固后的地基承载力，一般可按复合地基或复合桩基考虑。由于加固后的桩柱直径上下不一致，且强度不均匀，若单纯按桩基考虑则不安全，条件许可情况下，尽可能做现场载荷试验来确定地基承载力。 高压喷射注浆法适用于：处理淤泥、淤泥质土、黏性土、粉土、砂土、湿陷性黄土、碎石土以及人工填土等地基的加固。但对含有较多大粒块石、坚硬黏性土、大量植物根茎或含过多有机质的土及地下水流过大、喷射浆液无法在注浆管周围凝聚的情况下，不宜采用。图3.2.9所示为用于基坑支护的旋喷桩。,单元二 复合地基处理,图3.2.9 用于基坑支护的旋喷桩,单元二 复合地基处理,（三） 灌浆法 灌浆法是利用压力或电化学原理通过注浆管将加固浆液注入地层中，经一定时间后，浆液将松散的土体或缝隙岩体胶结成整体，形成强度大、防水防渗性能好的人工地基。 灌浆法可分为压力灌浆和电动灌浆两类。压力灌浆是常用的方法，是在各种大小压力下使水泥浆液或化学浆液挤压充填土的孔隙或岩层缝隙。电动化学灌浆是在施工中以注浆管为阳极，滤水管为阴极，在直流电电渗作用下孔隙水由阳极流向阴极，在土中形成渗浆通道，化学浆液随之渗入孔隙而使土体结硬。,单元二 复合地基处理,灌浆法所用浆液材料有粒状浆液（纯水泥浆、水泥黏土浆和水泥砂浆等统称为水泥基浆液）和化学浆液（环氧树脂类、甲基丙烯酸酯类和聚氨酯等）两大类。 粒状浆液中常用的水泥浆液其水泥强度等级一般为325级以上的普通硅酸盐水泥，由于含有水泥颗粒，故对孔隙小的土层难于在压力下压进，只适用于粗砂、砾砂、大裂隙岩石等孔隙直径大于0.2 mm的地基加固。如采用超细水泥，则可适用于细砂等地基。水泥浆液有取材容易、价格便宜、操作方便、不污染环境等优点，是国内外常用的压力灌浆材料。,单元二 复合地基处理,化学浆液中常用的是以水玻璃(Na2OnSiO2)为主剂的浆液，由于它无毒、价廉，流动性好等优点，在化学浆液中应用最多，约占90%。其他还有以丙烯酰胺为主剂和以纸浆废液木质素为主剂的化学浆液，它们性能较好，黏滞度低，能注入细砂等土中。 但有的价格较高， 有的虽价廉源广， 但有含毒的缺点，用于加固地基受到一定限制。 目前灌浆法可用于桥梁桩基底部地基的加固补强、溶洞的填充、隧道开挖时的围岩加固、建筑物防渗堵漏等。,单元二 复合地基处理,三、 加筋法 加筋法是指在土体中加入土工织物、土工格栅（图3.2.10所示）、 土工网等土工合成材料， 给土体提供抗拉强度，使土体的整体性、强度、稳定性提高。其应用范围有：软基处理、斜坡地段路堤加固。 土工合成材料有较高的强度和韧性（抗拉性）等力学性能，且能紧贴于地基表面， 使其上部施加的荷载能均匀分布在地层中，当地基可能产生冲切破坏时， 铺设的土工合成材料将阻止破坏面的出现，从而提高地基承载力。 当受集中荷载作用时，在较大的荷载作用下，高模量的土工合成材料受力后将产生一垂直分力，抵消部分荷载。,单元二 复合地基处理,如将土工合成材料铺设在软土地基的表面，由于其承受拉力和土的摩擦作用而增大侧向限制，阻止侧向挤出，从而减小变形和增大地基的稳定性。 除用于加固地基外，加筋法还可用于斜坡地段路堤的加固。为防止路堤沿斜坡下滑，除沿斜坡挖台阶外，还可在路堤土中加入土工合成材料，如图3.2.11所示。由于土工合成材料的“包裹”作用阻止路堤变形，从而增强路堤土内部的强度以及路堤的稳定性。,图3.2.10土工格栅,图3.2.11 土工合成材料加筋 (a)水平地基; (b)倾斜地基,单元二 复合地基处理,四、 特殊土地基处理 特殊土地基是指膨胀土地基、湿陷性黄土地基、红黏土地基、多年冻土地基等。 1. 膨胀土地基 膨胀土地基是指由膨胀土组成的地基。膨胀土是指黏粒成分主要由亲水矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特征的黏性土。 膨胀土的黏粒成分较高，塑性指数Ip=2225 ，其天然含水量小于塑限，液性指数Ic0。在天然状态下，它的工程性质较好，强度较高，压缩性低，易被误认为是良好的地基。,单元二 复合地基处理,实际上，由于膨胀土裂隙发育，使得吸水能力强，遇水后软化，其体积变化可达原来的40%以上。在工程建设中，如不采取一定的工程措施，可使房屋产生开裂、倾斜，使道路路堑滑坡，涵洞、桥梁产生不均匀沉降，导致开裂。 膨胀土地基处理可采用换土垫层法、土性改良法和桩基础等。换土垫层法可采用非膨胀性的土或灰土换填，换填厚度可通过变形计算确定。土性改良可通过在膨胀土中掺入一定量的石灰来提高土的强度，也可以采用压力注浆的方法将石灰浆灌入膨胀土的裂隙中，起加固作用。当大气影响深度较深，膨胀土层较厚，选用地基加固法有困难时，可采用桩基础穿越。,单元二 复合地基处理,2. 湿陷性黄土地基 湿陷性黄土地基是指由湿陷性黄土组成的地基。湿陷性黄土是黄土的一种，颗粒组成以粉粒为主，粉土粒含量占土重的60%以上，含有大量的碳酸盐、硫酸盐、氯化物等可溶性盐类，一般具有肉眼可见的大孔隙，竖直节理发育，能保持直立的天然边坡。 湿陷性黄土受水浸湿后，在覆盖土层的自重应力和附加应力作用下，土的结构迅速破坏而发生显著的附加下沉，其强度也迅速降低。湿陷性黄土地基处理的目的在于破坏湿陷