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第一章基坑工程 一 基坑分类基坑 底面积在27平方米以内 不是20 且底长边小于三倍短边的为基坑 深基坑 开挖深度超过5米 含5米 或地下室三层以上 含三层 或深度虽未超过5米 但地质条件和周围环境及地下管线特别复杂的工程 二 基坑工程的开挖有支护开挖 放坡开挖 有支护开挖 1 三 基坑工程的内容基坑工程勘察基坑支护结构的设计和施工控制基坑地下水位基坑土方工程的开挖和运输基坑土方开挖过程中的过程监测基坑周围的环境保护 2 四 基坑支护结构的设计原则和方法 设计原则 安全可靠经济合理便利施工设计方法承载力极限状态 强度要求 正常使用极限状态 变形要求 基坑支护的安全等级 P6 3 支护结构计算和验算1 按承载能力极限状态的设计要求 2 按正常使用极限状态的设计要求3 当场地周围有地表水汇流 排泄或地下水管渗漏时 进行下列地下水的控制和计算 A 根据基坑支护形式及其受力特点进行土体稳定性计算 B 基坑支护结构的受压 受弯 受剪承载力计算 C 当有锚杆或支撑时 应对其进行承载力和稳定性验算 安全等级为一级 对基坑变形有限定的二级建筑基坑侧壁 还应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算 A 抗渗稳定性验算 B 基坑底突涌稳定性验算 C 根据基坑支护结构设计要求进行地下水位控制计算 4 建筑地基基础工程施工质量验收规范 规定 基坑侧壁安全等级的划分标准一级基坑 1 重要工程或支护结构作为主体的一部分 2 开挖深度大于10m 3 与临近建筑物 重要设施的距离在开挖深度以内的基坑 4 基坑范围内有历史文化 近代优秀建筑 重要管线等需严加保护的基坑三级基坑 开挖深度小于7m 且周围环境无特别要求的基坑 二级基坑 除一级和三级基坑工程以外的 均属二级基坑 5 第二节基坑工程勘察 岩土勘察水文地质勘察基坑周边环境勘察 6 第三节 支护结构设计 一 支护结构选型 支护结构 水泥土墙式排桩与板墙式边坡稳定式逆作拱墙式 深层搅拌水泥土桩墙高压旋喷桩墙 板桩式排桩式板墙式组合式 土钉墙喷锚支护 7 二 支护结构的构成 围护墙支撑体系 或土锚 防水帷幕 排桩与板墙式 围护墙 防水帷幕 局部支撑 一般不设 水泥土墙式 土钉群被加固的原位土体喷射的混凝土 土钉墙 8 三 常用的几种支护结构特点及适用条件 围护墙选型1 水泥土墙式 水泥掺入比12 14 1 深层搅拌水泥土挡墙2 旋喷桩帷幕墙利用钻杆从基坑深处逐渐上升 旋转喷射化学浆液 我国目前常用的是水泥 在土中形成的帷幕墙挡土 优点 同时挡土 防渗 经济 坑内无支撑 施工快缺点 支护不深 位移大 墙体厚适用于6m以下基坑 基坑侧壁安全等级二 三级者 地基承载力不宜大于150kPa 9 2 钢板桩1 槽钢钢板桩槽钢长6 8m 用于基坑开挖深度3 4米的场合2 热轧锁口钢板桩锁口钢板桩配合钢支撑 可用于开挖深度5 8m的基坑 U型一字型 10 3 H型钢支柱 或钢筋混凝土支柱 木挡板支护墙 1 木挡板 2一H型钢 3 钢筋混凝土柱 用于土层较好 地下水位较低的情况 11 4 钻孔灌注桩间隔排列 间隙不小于100mm需另作防水帷幕 1 2m水泥土墙 内支撑 或拉锚 直径d600 1000mm 桩长15 20m 多用于基坑侧壁安全等级为一 二 三级 基坑深度7 15米基坑工程 12 5 挖孔桩人工成孔大直径桩宜用于土质较好地区6 地下连续墙挖掘土体后浇筑混凝土建造的具有较高强度的钢筋混凝土挡墙 用于深基坑支护或施工条件较困难的情况 壁板式 厚度600 800 1000mm多用于 12m以下的深基坑 13 7 加筋水泥土墙 SMW工法 水泥掺入比20 即在水泥搅拌桩内插入H型钢具有受力和抗渗两种功能多用于8 10m基坑8 土钉墙边坡稳定式支护二 三级的非软土场地基坑深度不宜大于12m 14 9 逆做拱墙圆形闭合拱墙 椭圆形闭合拱墙和组合拱墙截面宜为Z字型 2 5m适用于三级基坑 淤泥和淤泥质土场地不宜应用 拱墙的轴线矢跨比不宜小于1 8 基坑深度不宜大于12m 地下水位高于基坑底面时 应采取降水措施 15 支撑 拉锚 的选型 钢结构支撑钢筋混凝土支撑优点 受力合理 安全可靠 易于控制变形缺点 施工不便 需换撑 钢管支撑型钢支撑 1 内支撑 2 拉锚优点 施工方便缺点 软土地区变形难控制 16 常用支撑体系的布置形式 17 一 水平荷载和抗力计算水平荷载 主动土压力 静水压力地面附加荷载产生的水平荷载 地面堆载 车辆 临近建筑物自重和施工机械 依据 建筑基坑支护技术规程 四 支护结构的围护墙计算 朗金土压力理论 18 19 20 21 2 水平抗力标准值 22 第四节支护结构施工 地下连续墙施工 一 地下连续墙概述地下连续墙施工工艺 土方开挖前挖槽机械泥浆护壁开挖一个单元槽段清除底部泥渣安放钢筋笼 槽内充满泥浆 导管浇筑混凝土 混凝土由沟槽底部开始逐渐向上浇筑 并将泥浆置换出来 待混凝土浇至设计标高后 一个单元槽段即施工完毕 各个单元槽段之间由特制的接头连接 形成连续的地下钢筋混凝土墙 23 壁板式地下连续墙施工示意图 24 地下连续墙作用 挡土 防水 封闭状 作为外墙承重结构地下连续墙常与 逆筑法 技术共同使用 25 26 27 28 29 30 2 接头设计 接头类型 施工接头 结构接头 接头管接头 接头箱接头 隔板式接头 接头管接头 接头箱接头 接头管接头 预埋螺纹套管接头 预埋件接头 31 1 接头管 亦称锁口管 接头 32 33 2 接头箱接头接头箱接头的施工顺序 a 插入接头箱 b 吊放钢筋笼 c 浇筑混凝土 d 吊出接头管 e 吊放后一槽段的钢筋笼 f 浇筑后一槽段的混凝土 形成整体接头1 接头箱 2 焊在钢筋笼上的钢板 34 U形接头管与滑板式接头箱 35 图3 54U形接头管与滑板式接头的施工顺序 a 单元槽段成槽 b 吊放U形接头管 c 吊放接头钢板和接头箱 d 吊放钢筋笼 e 浇筑混凝土 f 拔出接头箱 g 拔出U形接头管1 U形接头管 2 接头箱 3 接头钢板 4 封头钢板 5 钢筋笼 36 3 隔板式接头 37 地下连续墙1950年首次应用于意大利米兰的工程 在近50年来得到了迅速发展 现在常用于地铁 高层建筑 桥梁 重型厂房 大型地下设施 例如 有的新建或扩建地下工程由于四周邻街或与现有建筑物紧相连接 有的工程由于地基比较松软 打桩会影响邻近建筑物的安全和产生噪声 还有的工程由于受环境条件的限制或由于水文地质和工程地质的复杂性 很难设置井点降水等 这些场合 采用地下连续墙支护具有明显的优越性 38 二 地下连续墙的特点 一 地下连续墙的优点1 减少工程施工对环境的影响 施工时振动少 噪音低 能够紧邻相邻的建筑物及地下管线施工 对沉降及变位较易控制 2 地下连续墙的墙体刚度大 整体性好 结构变形小 既可用于超深围护结构 也可用于主体结构 3 地下连续墙为整体连续结构 加上现浇墙壁厚度一般 60cm 钢筋保护层较大 耐久性好 抗渗性能也较好 4 可实行逆筑法施工 有利于施工安全 加快施工速度 降低造价 5 适用于多种地基条件 地下连续墙对地基的适用范围很广 从软弱的冲积地层到中硬的地层 密实的砂砾层等地基都可以建造地下连续墙 6 占地少 可以充分利用建筑红线以内有限的地面和空间 39 二 地下连续墙的缺点1 弃土及废泥浆的处理 除增加工程费用外 若处理不当 会造成新的环境污染 2 地质条件和施工的适应性 地下连续墙最适应的地层为软塑 可塑的粘性土层 当地层条件复杂时 还会增加施工难度和影响工程造价 3 地下连续墙只是用作基坑支护结构 则造价较高 不够经济 4 需进一步研究提高地下连续墙墙身接缝处抗渗 抗漏能力 提高施工精度和墙身垂直度的方法和措施 40 三 地下连续墙的适用条件地下连续墙是一种比钻孔灌筑桩和深层搅拌桩造价昂贵的结构形式 其在基础工程中的适用条件有 1 基坑深度 10m 2 软土地基或砂土地基 3 在密集的建筑群中施工基坑 对周围地面沉降 建筑物的沉降要求须严格限制时 宜用地下连续墙 4 围护结构与主体结构相结合 用作主体结构的一部分 对抗渗有较严格要求时 宜用地下连续墙 5 采用逆筑法施工 地下室外墙的内衬与地下钢筋混凝土连续墙护壁形成复合结构的工程 41 四 地下连续墙的分类按填筑材料分 土质墙 混凝土墙 钢筋混凝土墙 现浇和预制 和组合墙 预制钢筋混凝土墙板和现浇混凝土的组合 或预制钢筋混凝土墙板和自凝水泥膨润土泥浆的组合 按用途分 临时挡土墙 防渗墙 用作主体结构兼作临时挡土墙的地下连续墙 按成墙方式分 桩排式 壁板式 桩壁组合式 1 桩排式地下连续墙 实际就是钻孔灌注桩并排连接所形成的地下连续墙 其设计与施工可归类于钻孔灌注桩 2 壁板式地下连续墙 采用专用设备 利用泥浆护壁在地下开挖深槽 水下浇筑混凝土 形成地下连续墙 3 桩壁组合式地下连续墙 即将上述桩排式和壁板式地下连续墙组合起来使用的地下连续墙 42 三 地下连续墙的施工 一 施工前的准备工作1 施工现场情况调查在地下连续墙的设计施工之前 首先需要认真调查施工现场的环境情况及水文地质条件 其次制定详细可行的施工方案 以确保施工的顺利进行 1 有关机械进场条件调查 2 有关给排水 供电条件的调查 3 有关现有建 构 筑物的调查 4 地下障碍物对地下连续墙施工影响的调查 5 噪音 振动与环境污染的调查 43 2 水文 地质情况调查通过地质勘察确定深槽的开挖方法 决定单元槽段长度 估计挖土效率 考虑护壁泥浆的配合比和循环工艺等 槽壁的稳定性也取决于土层的物理力学性质 地下水位高低 泥浆质量和单元槽段的长度 在制订施工方案时 为了验算槽壁的稳定性 就需要了解各土层土的重力密度 内摩擦角 内聚力c等物理力学指标 基坑坑底的土体稳定亦和坑底以下土的物理力学指标密切有关 在验算坑底隆起和管涌时 需要土的重力密度 土的单轴抗压强度qu 内摩擦角 内聚力 地下水重力密度和地下水位高度等数据 这些都要求在进行地质勘探时提供 地质勘探中应注意收集有关地下水的资料 如地下水位及水位变化情况 地下水流动速度 承压水层的分布与压力大小 必要时还需对地下水的水质进行水质分析 另外 在研究地下连续墙施工用泥浆向地层渗透是否会污染邻近的水井等水源时 亦需利用土的渗透系数等指标参数 根据上述分析可以清楚地看出 全面而正确地掌握施工地区的水文 地质情况 对地下连续墙施工是十分重要的 44 二 制定地下连续墙的施工方案地下连续墙的施工组织设计应包含以下内容 1 工程规模和特点 工程地质 水文地质和周围环境以及其它与施工有关条件的说明 2 挖掘机械等施工设备的选择 3 导墙设计 4 单元槽段划分及其施工顺序 5 地下连续墙预埋件和地下连续墙与内部结构连接的设计和施工详图 6 护壁泥浆的配合比 泥浆循环管路布置 泥浆处理和管理 7 废泥浆和土渣的处理 8 钢筋笼加工详图 钢筋笼加工 运输和吊放所用设备和方法 9 混凝土配合比设计 混凝土供应和浇筑的方法 10 施工平面图布置 11 工程施工进度计划 材料及劳动力等的供应计划 12 安全措施 质量管理措施和技术组织措施等 13 必要的施工监测主要工序 修筑导墙 泥浆的制备和处理 钢筋笼的制作和吊装 水下混凝土浇灌 45 三 地下连续墙施工现浇钢筋混凝土壁板式地下连续墙 46 47 1 修筑导墙 1 导墙的作用导墙作为地下连续墙施工中必不可少的临时结构 对挖槽起了很重要的作用 作为挡土墙 作为测量的基准 作为重物的支承 存储泥浆 此外 导墙还可防止泥浆漏失 防止雨水等地面水流入槽内 地下连续墙距离现有建筑物很近时 施工时还起一定的补强作用 在路面下施工时 可起到支承横撑的水平导梁的作用 48 2 导墙的形式现浇的钢制的或预制的 可多次重复使用 在确定导墙形式时 应考虑下列因素 表层土的特性 表层土体是密实的还是松散的 是否回填土 土体的物理力学性能如何 有无地下埋设物等 荷载情况 挖槽机的重量与组装方法 钢筋笼的重量 挖槽与浇筑混凝土时附近存在的静载与动载情况 地下连续墙施工时对邻近建 构 筑物可能产生的影响 地下水的状况 地下水位的高低及其水位变化情况 当施工作业面在地面以下时 如在路面以下施工 对先施工的临时支护结构的影响 49 50 导墙厚度150 200mm 深度1 0 2 0m 配筋 12 200导墙要高出地面100mm 3 导墙施工现浇钢筋混凝土导墙的施工顺序为 平整场地 测量定位 挖槽及处理弃土 绑扎钢筋 支模板 浇筑混凝土 拆模并设置横撑 导墙外侧回填土 如无外侧模板 可不进行此项工作 当地表土较好 以土壁代替模板 如地表土开挖后外侧土壁不能垂直自立 则外侧亦需设立模板 用粘土回填密实 防止地面水从导墙背后渗入槽内 引起槽段坍方 51 2 泥浆护壁 1 泥浆的作用 护壁作用 泥浆具有一定的相对密度 如槽内泥浆液面高出地下水位一定高度 泥浆在槽内就对槽壁产生一定的静水压力 可抵抗作用在槽壁上的侧向土压力和水压力 可以防止槽壁倒坍和剥落 并防止地下水渗入 携碴作用 泥浆具有一定的粘度 它能将钻头式挖槽机挖下来的土碴悬浮起来 既便于土碴随同泥浆一同排出槽外 又可避免土碴沉积在工作面上影响挖槽机的挖槽效率 冷却和滑润作用 52 2 泥浆的成分护壁泥浆 膨润土泥浆 的制备 制备泥浆 挖槽前利用专用设备事先制备好泥浆 挖槽时输入沟槽 自成泥浆 用钻头式挖槽机挖槽时 向沟槽内输入清水 清水与钻削下来的泥土拌合 边挖槽边形成泥浆 泥浆的性能指标要符合规定的要求 半自成泥浆 当自成泥浆的某些性能指标不符合规定的要求时 在形成自成泥浆的过程中 加入一些需要的成分 泥浆的种类 膨润土泥浆聚合物泥浆CMC 即羧甲纤维素 泥浆盐水泥浆其主要成分和外加剂见表1 9 53 3 泥浆质量的控制指标在地下连续墙施工过程中 为检验泥浆的质量 使其具备物理和化学的稳定性 合适的流动性 良好的泥皮形成能力以及适当的相对密度 需对制备的泥浆和循环泥浆利用专用仪器进行质量控制 控制指标如下 相对密度 粘度 含砂量 失水量和泥皮厚度 pH值 稳定性 静切力 胶体率 在确定泥浆配合比时 要测定粘度 相对密度 含砂量 稳定性 胶体率 静切力 pH值 失水量和泥皮厚度 在检验粘土造浆性能时 要测定胶体率 相对密度 稳定性 粘度和含砂量 新生产的泥浆 回收重复利用的泥浆 浇筑混凝土前槽内的泥浆 主要测定粘度 相对密度和含砂量 54 4 泥浆的制备与处理此处着重介绍膨润土泥浆的制备与处理方法 制备泥浆前的准备工作土调查 包括土层的分布和土质的种类 包括标准贯入度N值 有无坍塌性较大的土层 有无裂缝 空洞 透水性大易于产生漏浆的土层 有无有机质土层等 地下水调查 要了解地下水位及其变化情况 能否保证泥浆液面高出地下水位lm以上 了解潜水层 承压水层分布和地下水流速 测定地下水中盐分和钙离子等有害离子的含量 了解有无化工厂的排水流入 测定地下水的pH值 施工条件调查 要了解槽深和槽宽 最大单元槽段长度和可能空置的时间 适合采用的挖槽机械和挖槽方法 泥浆循环方法 泥浆处理的可能性 能否在短时间内供应大量泥浆等 55 泥浆配合比首先确定膨润土的掺量 一般为6 9 和增粘剂CMC的掺量 一般为0 05 0 08 分散剂的掺量一般为0 0 5 在地下水丰富的砂砾层中挖槽 有时不用分散剂 我国最常用的分散剂是纯碱 为提高泥浆的相对密度 增大其维护槽壁稳定能力可掺加加重剂 至于防漏剂的掺量 不是一开始配制泥浆时就确定的 通常是根据挖槽过程中泥浆的漏失情况而逐渐掺加 常用的掺量为0 5 1 0 如遇漏失很大 掺量可能增大到5 或将不同的防漏剂混合使用 配制泥浆时 先根据初步确定的配合比进行试配 如试配制出的泥浆符合规定的要求 可投入使用 否则需修改初步确定的配合比 试配制出的泥浆要按泥浆控制指标的规定进行试验测定 56 泥浆制备 泥浆制备 泥浆搅拌泥浆贮存1 泥浆搅拌泥浆搅拌机 有高速回转式搅拌机喷射式搅拌机选用的原则是 能保证必要的泥浆性能 搅拌效率高 能在规定的时间内供应所需要的泥浆 使用方便 噪音小 装拆方便 制备膨润土泥浆一定要充分搅拌 如果膨润土溶胀不充分 会影响泥浆的失水量和粘度 投料顺序 一般为水 膨润土 CMC 分散剂 其他外加剂 57 58 59 2 泥浆贮存泥浆制备好后 最好在泥浆充分溶胀之后再使用 所以泥浆搅拌后宜贮存3h以上 60 泥浆处理土碴分离处理 物理再生处理 重力沉降处理 沉淀池机械处理 振动筛 旋流器污染泥浆化学处理 化学再生处理 浇筑混凝土置换出来的泥浆 因混入土碴并与混凝土接触而恶化 因为当膨润土泥浆中混入阳离子时 阳离子就吸附于膨润土颗粒的表面 土颗粒就易互相凝聚 增强泥浆的凝胶化倾向 如水泥浆中含有大量钙离子 浇筑混凝土时亦会使泥浆产生凝胶化 泥浆产生凝胶化后 泥浆的泥皮形成性能减弱 槽壁稳定性较差 粘性增高 土碴分离困难 在泵和管道内的流动阻力增大 化学处理一般用分散剂 经化学处理后再进行土碴分离处理 61 泥浆运输车辆沉淀池 62 泥浆处理 63 3 挖深槽挖槽是地下连续墙施工中的关键工序 挖槽约占地下连续墙工期的一半 因此提高挖槽的效率是缩短工期的关键 同时 槽壁形状基本上决定了墙体外形 所以挖槽的精度又是保证地下连续墙质量的关键之一 地下连续墙挖槽的主要工作包括 单元槽段划分 挖槽机械的选择与正确使用 制订防止槽壁坍塌的措施与工程事故和特殊情况的处理等 64 1 单元槽段划分地下连续墙施工时 预先沿墙体长度方向把地下墙划分为许多某种长度的施工单元 这种施工单元称为 单元槽段 65 单元槽段长度的确定 最小长度不得小于一个挖掘段长度 长度越长越好 可以提高整体性 防水性和施工效率 减少接头 单元槽段的长度多取5 7m 但也有取10m甚至更长的情况影响因素 地质条件 地面荷载 起重机的起重能力 单位时间内混凝土的供应能力 泥浆池 罐 的容积 工地上具备的泥浆池 罐 的窖 应不小于每一单元槽段挖土量的2倍 接头位置 避开转角处及地下连续墙与内部结构的连接处 以保证地下连续墙有较好的整体性 接头形式 66 2 挖槽机械和槽段开挖 67 68 69 70 3 防止槽壁塌方的措施地下连续墙如发生塌方 不仅可能造成埋住挖槽机的危险 使工程拖延 同时可能引起地面沉陷而使挖槽机械倾覆 对邻近的建筑物和地下管线造成破坏 如在吊放钢筋笼之后 或在浇筑混凝土过程中产生塌方 塌方的土体会混入混凝土内 造成墙体缺陷 甚至会使墙体内外贯通 成为产生管涌的通道 因此 槽壁塌方是地下连续墙施工中极为严重的事故 与槽壁稳定有关的因素是多方面的 但可以归纳为泥浆 地质条件与施工三个方面 71 能够采取避免坍塌的危险的措施有 缩小单元槽段长度 改善泥浆质量 根据土质选择泥浆配合比 保证泥浆在安全液位以上 注意地下水位的变化 减少地面荷载 防止附近的车辆和机械对地层产生振动等 当挖槽出现坍塌迹象时 如泥浆大量漏失 液位明显下降 泥浆内有大量泡沫上冒或出现异常的扰动 导墙及附近地面出现沉降 排土量超过设计断面的土方量 多头钻或蚌式抓斗升降困难等 应首先及时地将挖槽机械提至地面 避免发生挖槽机械被坍方埋入地下的事故 然后迅速采取措施避免坍塌进一步扩大 以控制事态发展 常用的措施是迅速补浆以提高泥浆液面和回填粘性土 待所填的回填土稳定后再重新开挖 72 4 清底在挖槽结束后清除以沉碴为代表的槽底沉淀物的工作称为清底 悬浮在泥浆中的土颗粒将逐渐沉淀到槽底 在挖槽过程中未被排出而残留在槽内的土碴 一次清底 吊放钢筋笼时从槽壁上刮落的泥皮 二次清底 清底的方法 沉淀法 在土碴基本都沉淀到槽底之后再进行清底 置换法 在挖槽结束之后 对槽底进行认真清理 然后在土碴还没有再沉淀之前就用新泥浆把槽内的泥浆置换出来 使槽内泥浆的相对密度在1 15以下 我国多用置换法进行清底 73 清除沉碴的方法 常用的有 砂石吸力泵排泥法 压缩空气升液排泥法 带搅动翼的潜水泥浆泵排泥法 利用混凝土导管压浆排泥 74 5 吊放接头管 1 接头管 亦称锁口管 接头 75 76 77 2 接头箱接头接头箱接头的施工顺序 a 插入接头箱 b 吊放钢筋笼 c 浇筑混凝土 d 吊出接头管 e 吊放后一槽段的钢筋