2地基处理及基础工程

2地基处理与基础工程学习重点：掌握地基的加固处理方法、适用范围、施工要点和质量检查；掌握浅基础施工要点；掌握钢筋混凝土预制桩和混凝土灌注桩施工及质量检验标准，对泥浆护壁成孔灌注桩施工过程及方法。 2.1地基处理及加固本章内容2.2浅埋式钢筋混凝土基础施工2.3桩基础工程 2.1地基处理及加固地基处理方法的选用原则：应做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量、因地制宜、就地取材、保护环境、节约资源。选定了地基处理方案后，地基加固处理应尽量提早进行，地基加固后强度的提高往往需要有一定时间，随着时间的延长，强度会继续增长。施工时应调整施工速度，确保地基的稳定和安全。还要在施工过程中加强管理，以防止由于管理不善而导致未能取得预期的处理效果。 又称换土垫层法垫层材料卵石、碎石、砾石、粗砂、中砂素土灰土：灰土比2:8或3:7工业废料：粉煤灰，矿渣垫层厚度一般：0.5~3m适用范围适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土及暗沟、暗塘等浅层处理。2.1.1换土地基 换土垫层作用（1）提高地基的承载力（2）减少地基沉降量（3）加速软弱土层的排水固结（4）防止冻胀和消除膨胀土地基的胀缩作用软土垫层 砂垫层的设计(1)砂垫层的厚度 (2)砂垫层的宽度b′—垫层底面宽度，m。注意：垫层顶面宽度宜超出基础底面每边不小于300mm，或从垫层底面两侧向上按开挖基坑的要求放坡。(3)砂垫层的施工碾压法振动法夯实法分层铺筑分层压实 又称动力固结法强夯机械作用机理大吨位的起重机，把很重的锤（一般为10~40t）从高处自由下落（落距为6~40m）给地基以冲击力和振动巨大的夯击能和冲击波，压缩的微气泡，沉降；土体局部产生液化后，结构破坏，加速孔隙水压力消散；粘性土具有的触变性，使降低了的强度得到恢复和增强。2.1.2强夯地基 设计要求H——需要加固土层的深度，m；——系数，与地基土性质有关，一般为0.50~0.70；m——锤重，t；h——锤的落距，m注意：强夯法加固地基所取得的效果还与几个施工参数有关，如夯击距离、击数、遍数、间歇时间等。 强夯施工工序：平整场地→标出首遍夯点→起重机就位，夯锤对准夯点→测量夯前锤顶高程→起吊夯锤至预定高度，释放夯锤→按设计夯击次数及控制标准完成第一遍夯击→用推土机填平夯坑→重复以上步骤，完成全部夯击遍数，最后用低能量满夯，将地表层松土夯实。 有砂井排水塑料排水带预压系统排水系统加载预压真空预压淤泥淤泥质土冲填土等饱和粘性土适用范围2.1.3预压法 预压法施工照片 砂井设计砂井的长度砂井的直径d=20~30cm砂井的间距（8~10）d“细且密”的原则施工工序：用一条聚乙烯网袋，长为H+2m，扎紧下口，装入少量砂土，放入套管，至设计深度。将网袋上口固定在装砂漏斗上，通过振动装砂入袋，装满砂袋后，从漏斗上卸下，拧紧套管上盖，把压缩空气送进套管，提升套管至地面，一个袋装砂井即完成。通常在地面上应留50~100cm长的砂袋。 预压荷载大小和堆载速率的控制（1）地面沉降速率在排水砂垫层上设地基垂直沉降观测点，要求堆载中心点地表日沉降量不超过10mm。（2）边桩水平位移在离预压土体四周边缘约1m处打一排边桩，长1.5~2.0m，打入地层内1m，要求边桩日水平位移不超过5~10mm。（3）地基土孔隙水压力在地基中不同深度处理设孔隙水压力计，要求孔隙水压力不超过预压荷载所产生应力的50%~60%。 挤密法：在软弱或松散地基中先打入桩管成孔，然后在桩管中填粗砂、砾石等坚实土料振冲法：应用松砂加水振动后变密的原理，通过振冲器成孔，然后填入砂或石、石灰、灰土等材料，再予以捣实形成桩与周围挤密后的松砂所组成的复合地基，来承受建筑物的荷重2.1.4挤密法及振冲法 挤密法 振冲法 化学浆液（1）水泥浆液：用高标号的硅酸盐水泥和速凝剂组成的浆液；（2）硅酸钠（水玻璃）为主的浆液：常用水玻璃和氯化钙溶液；（3）丙烯酸氨为主的浆液；（4）纸浆为主的浆液：如重铬酸盐木质素浆液其加固效果尚可，但有毒性，易污染地下水。化学灌浆2.1.5化学加固法 高压喷射注浆法适用于：淤泥、淤泥质土、一般粘性土、粉土、黄土、砂土、碎石土钻机钻至设计深度，用高压脉冲泵向四周土体喷射化学浆液，使浆液和周围土体搅拌混合，经凝结固化形成固结体。 深层搅拌法适用于：淤泥、淤泥质土、粉土、黄土、素填土、粘性土、无流动地下水的饱和松散砂土 地基局部处理：指在浅基础开挖基槽(坑)的施工中或验槽(坑)时，发现基槽(坑)范围内有洞穴、软弱土层或岩基、墙基等局部异常地基的处理。处理的方法和原则：将局部软弱层或硬物尽可能挖除，回填与天然土压缩性相近的材料，分层夯实；处理后的地基应保证建筑物各部位沉降量趋于一致，以减少地基的不均匀下沉。2.1.6地基局部处理 （1）软松土坑(填土、墓穴、淤泥)的处理①将坑中的软松土、虚土全部挖除，使坑底及四周均见天然土，然后用与坑边天然土层相近的材料分层夯实回填至坑底标高处。②常用回填材料有砂、砂砾石、天然土、3∶7或2∶8的灰土。采用天然土分层夯实回填时，每层厚度200mm，如图1.36(a)所示。③软松土坑范围较大，超过地槽的宽度时，应将该范围内的基槽适当加宽，挖至天然层，将部分基础加深，做成1∶2踏步与两端相接，如图1.36(c)所示。 ④对于范围和深度较大的软土坑，由于回填材料与天然地基密实度相差较大，会造成基础不均匀下沉，所以还要考虑加强上部结构的强度，以抵抗地基不均匀沉降而引起的内力。在防潮层下设钢筋混凝土或钢筋砖圈梁(图1.37) （2）砖井或土井的处理当井在基槽范围内时，应将井的井圈拆至地槽下1m以上，井内用中砂、砂卵石材料分层夯填处理，在拆除范围内用2∶8或3∶7灰土分层回填夯实至槽底(图1.38)。（3）局部范围内(硬物)的处理当桩基或部分基槽下有基岩、旧墙基、老灰土、压实路面等硬土或坚硬物时，首先在地坑、地槽范围内尽可能地挖除，以免基础局部落在硬物上造成不均匀沉降使上部建筑物开裂。硬土、硬物挖除后，若深度小于1.5m时，可用砂、砂卵石或灰土回填；若长度大于5m时，则将槽底做1∶2踏步灰土垫层与两端紧密连接，然后做落深基础。 2.2浅埋式基础施工2.2.0刚性基础刚性基础 (1)砖基础砖基础具有一定的抗压强度，但抗拉和抗剪强度较低，砖基础所用材料的最低强度等级按《砌体结构设计规范》规定，不得低于规范的要求。砖基础具有取材容易、价格便宜、施工简单等特点，因此应用广泛。砖基底面以下一般做10cm垫层，其剖面通常做成台阶式，俗称大放脚，常用形式有“二一间隔收”和“两皮一收”如图： 砖基础砌筑工艺标准（601-1996） (2)毛石基础毛石是指未经加工凿平的石材，毛石基础应选用未经风化的硬质岩石砌筑而成。毛石和砂浆的强度等级应符合规范的要求。毛石基础剖面形状有阶梯形和梯形。每阶高度一般为300～400mm，块石应竖砌、错缝，缝内砂浆应饱满，如图： (3)三合土基础三合土基础是由石灰、砂和骨料(碎石、碎砖或矿渣等)按体积比1:2:4～1:3:6配成，加人适量水拌和均匀后铺人槽内，每层虚铺约220mm，夯至150mm，分层夯实而成。三合土基础在我国南方地区常用，一般用于地下水位较低的四层及四层以下民用建筑。其厚度不小于300mm，宽度不小于700mm，如图： (4)灰土基础灰土是用石灰和土料配制而成。石灰和土料的体积比一般为3：7或2：8，加适量水拌匀，然后铺人基槽内分层夯实，方法与三合土基本相同。 (5)混凝土和毛石混凝土基础混凝土基础的抗压强度、耐久性、抗冻性都较好，当荷载较大或位于地下水位以下时，常采用混凝土基础，混凝土强度等级一般为CI5。为了节约水泥用量，降低造价，可在混凝土内渗入25％～30％的毛石，做成毛石混凝土基础。渗入的毛石尺寸不应大于300mm，且应冲洗干净。如下图：毛石 2.2.1条式基础条式基础墙下钢筋混凝土条形基础，墙下钢筋混凝土条形基础一般做成无肋式，若地基土质不均匀也可做成有肋式。柱下钢筋混凝土独立基础，现浇可做成阶梯形或锥形，预制一般做成杯形。独立基础条形基础适用于“宽基浅埋”的情况 ①锥形基础边缘高度≥200mm，阶梯形基础每阶高度=300～500mm；②垫层厚度≥70mm，混凝土强度等级C10，两端各宽出基础边缘50mm；③基础底板受力钢筋直径≥10mm，100mm≤间距≤200mm，基础纵向分布钢筋直径≥8mm，间距≤300mm，每延米分布钢筋面积应≥受力钢筋面积1/10。有垫层时钢筋保护层厚度≥40mm，无垫层时≥70mm；④混凝土强度等级不应低于C20；⑤当基础宽度≥2.5m时，底板受力钢筋长度取宽度的0.9倍，并宜交错布置；⑥基础底板在T形及十字形交接处，底板横向受力筋仅沿一个主要受力方向通长布置，另一方向的横向受力钢筋可布置到主要受力方向底板宽度的1/4处，在拐角处底板横向受力钢筋应沿两个方向布置；⑦基础内其插筋的数量、直径以及钢筋种类应与柱内纵向受力钢筋相同。插筋的锚固长度应符合现行《钢筋混凝土结构设计规范》要求。⑧在墙下条形基础相交处，不应重复计入基础面积。（1）构造要求： ①验槽并铺设垫层；②垫层达到一定强度后，在其上弹线、支模。铺钢筋网片时底部用与混凝土保护层厚度相同的水泥砂浆垫塞，以确保位置正确；③浇筑混凝土前，模板清污并浇水湿润；④混凝土分层连续浇筑完成。阶梯型每台阶高度内应分层浇捣，浇筑完一个台阶后停0.5~1.0h，待初步沉实后再浇筑上层；⑤锥形斜面部分模板应随混凝土浇捣分段支设并顶压紧密，边角处注意捣实，严禁斜面不支模，用铁锹拍实；⑥插筋应固定，防止浇捣混凝土时发生位移，浇筑完毕后，外露部分覆盖并浇水养护。（2）施工要点： 2.2.2杯形基础杯形基础：常作为钢筋混凝土预制柱基础，基础中预留凹槽（杯口），拼装施工时，插入预制柱，临时固定，在四周孔隙中灌细石混凝土。杯口形式：一般杯口、双杯口、高杯口等。 筏形基础可分为平板式和梁板式两类。底面积更大，能满足较软弱地基的承载力要求，不均匀沉降也因而减少。平板式梁板式梁板式2.2.3筏形基础 2.2.3箱形基础箱形基础是由钢筋混凝土底板、顶板、外墙、梁和内隔墙组成的箱子。箱子内部空间可以作为地下室使用。特点：整体性好、刚度大，调整不均匀沉降能力及抗震能力强，可消除因地基变形导致的建筑裂缝，减小基底土自重应力，降低总沉降量。 2.3桩基础工程桩基础是一种历史悠久的基础形式。在我国古代，隋朝的郑州超化寺，五代的杭州湾大海堤以及南京的石头城和上海的龙华塔等，都成功地使用了桩基础。1981年1月美国考古学家在智利蒙特维尔德附近的森林里发现一间用木桩支撑的木屋，经认定其距今至少已有12000—14000年的历史，我国与1973年至1978年在浙江余姚河姆渡村发掘了新石器时代的文化遗址，出土了占地40000平方米的大量木结构遗址，其中木桩数百根，研究认为距今大约7000年。桩—将建筑物的荷载(竖向的和水平的)全部或部分传递为良好地基土或岩层的具有一定刚度和抗弯能力的传力杆件。 将荷载传递到下部好土层,承载力高软土层承台桩侧阻端阻 （1）按桩身材料分2.3.1桩的分类 （2）按施工方法分桩预制桩灌注桩爆扩灌注桩钻（冲）孔灌注桩挖孔灌注桩沉管灌注桩工程中应用最广泛的是钢筋混凝土预制桩。桩径选择上比较灵活，桩长不太受限。能防止颈缩与提高承载力，但造价较高。桩身质量容易得到保证，施工设备简单；无挤土作用，场区内各桩可同时施工。但施工中必须注意安全。扩大了桩的底面积，提高了桩的承载能力。 桩端承桩是桩顶荷载由桩端阻力承受的桩摩擦桩:摩擦桩是桩顶荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承受的桩纯摩擦桩:当软弱得土层很厚时，桩只需打入一定的深度，桩顶荷载主要由桩侧摩擦力承受端承桩摩擦桩（3）按传力方式分 2.3.2预制桩静力压桩施工钢筋混凝土预制桩：在预制构件厂或施工现场预制，用沉桩设备在设计位置上将其沉入土中。特点：坚固耐久，不受地下水或潮湿环境影响，能承受较大荷载，施工机械化程度高，进度快，能适应不同土层施工。钢筋混凝土预制桩是我国目前广泛采用的一种桩型。钢筋混凝土预制桩有方形实心断面桩和圆柱体空心断面桩。 （1）静力压桩特点及原理静力压桩：在软土地基上，利用静力压桩机或液压压桩机用无振动的静压力（自重及配重）将预制桩压入土中的一种沉桩工艺。特点：无噪音、无振动、节约材料、降低成本、提高施工质量、陈庄速度快。特别适用于扩建工程及市区桩基施工。工作原理：利用压桩架的自重和配重，通过卷扬机牵引，由钢丝绳、滑轮和压梁，将整个桩机的重力(800～1500kN)反压在桩顶上，以克服桩身下沉时与土的摩擦力，迫使预制桩下沉。 （2）压桩机械设备①机械静力压桩机 ②液压静力压桩机 （3）压桩工艺①施工程序为：测量定位→→压桩机就位→→吊桩、插桩→→桩身对中调直→→静压沉桩→→接桩→→再静压沉桩→→送桩→→终止压桩→→截桩。一般采取分节压入、逐段接长的施工方法 施工程序示意 ②接桩浆锚法：用硫磺水泥或环氧树脂配制的粘结剂，把上段桩的预留插筋粘结于下段桩的预留孔内。焊接法：在每段桩的端部预埋有角钢或钢板，施工时上下桩身相接触，用扁钢贴焊成整体。 现浇混凝土桩（灌注桩）：直接在桩位上用机械成孔或人工挖孔，在孔内安放钢筋、灌注混凝土而成型的桩。2.3.3现浇混凝土桩施工工艺灌注桩钻（冲）孔灌注桩挖孔灌注桩沉管灌注桩桩径选择上比较灵活，桩长不太受限。能防止颈缩与提高承载力，但造价较高。桩身质量容易得到保证，施工设备简单；无挤土作用，场区内各桩可同时施工。但施工中必须注意安全爆括灌注桩扩大了桩的底面积，提高了桩的承载能力。 1.钻（冲）孔灌注桩：利用钻孔机械钻出桩孔，在孔中浇筑混凝土（或先在孔中吊放钢筋笼）而成的桩。根据地质条件，按钻头是否在含水层中施工分为：干作业钻孔灌注桩、泥浆护壁成孔灌注桩两种。（1）泥浆护壁成孔灌注桩：是利用泥浆保护、稳定孔壁的机械钻孔方法。它通过循环泥浆将切削碎的泥石渣屑悬浮后排出孔外。适用于地下水位较高的地质条件。①成孔设备：潜水钻、冲击回转钻、冲抓锥 潜水钻机是一种旋转式钻孔机，其防水电机变速机构和钻头密封在一起，由桩架及钻杆定位后可潜入水、泥浆中钻孔。注入泥浆后通过正循环或反循环排渣法将孔内切削土粒、石渣排至孔外 冲击钻机通过机架、卷扬机把带刃的重钻头(冲击锤)提高到一定高度，靠自由下落的冲击力切削破碎岩层或冲击土层成孔 冲抓锥锥头上有一重铁块和活动抓片，通过机架和卷扬机将冲抓锥提升到一定高度，下落时松开卷筒刹车，抓片张开，锥头便自由下落冲入土中，然后开动卷扬机提升锥头，这时抓片闭合抓土。冲抓锥整体提升至地面上卸去土渣，依次循环成孔。 ②施工工艺流程：测定桩位埋设护筒桩机就位钻机成孔清孔安放钢筋骨架水下浇筑混凝土制备泥浆泥浆循环排渣 （2）干作业成孔灌注桩：成孔时无地下水或地下水很小。适用于北方地区和地下水位较低的土层。①成孔设备：螺旋钻机、钻孔扩机、洛阳铲（机动或人动）②施工工艺流程：测定桩位桩机就位钻机成孔清孔安放钢筋骨架浇筑混凝土 螺旋钻机干作业成孔灌注桩施工示意 2.沉管灌注桩：利用锤击打桩设备或振动沉桩设备，将带有钢筋混凝土的桩靴(或钢板靴)或带有活瓣式桩尖的钢管沉入土中(钢管直径应与桩的设计尺寸一致)，造成桩孔，然后放入钢筋骨架并浇筑混凝土，随之拔出套管，利用拔管时的振动将混凝土捣实，便形成所需要的灌注桩。利用锤击沉桩设备沉管、拔管成桩，称为锤击沉管灌注桩；利用振动器振动沉管、拔管成桩，称为振动沉管灌注桩。①成孔设备：锤击沉管灌注桩桩机、振动沉管灌注桩桩机 锤击沉管灌注桩振动沉管灌注桩 钢筋混凝土的桩靴带有活瓣式桩尖 ②施工工艺为了提高桩的质量和承载能力，沉管灌注桩常采用单打法、复打法、反插法等施工工艺。单打法(又称一次拔管法)：拔管时，每提升0.5～1.0m，振动5～10s，然后再拔管0.5～1.0m，这样反复进行，直至全部拔出。复打法：在同一桩孔内连续进行两次单打，或根据需要进行局部复打。施工时，应保证前后两次沉管轴线重合，并在混凝土初凝之前进行。反插法：钢管每提升0.5m，再下插0.3m，这样反复进行，直至拔出。测定桩位桩机就位沉管安放钢筋笼边拔管边浇混凝土 复打法示意沉管灌注桩施工示意 ③沉管灌注桩容易出现的质量问题及处理方法原因：桩距离太近，相邻桩施工时混凝土还未具备足够的强度，已形成的桩受挤压而断裂。处理方法：施工时，控制中心距离不小于4倍桩径；确定打桩顺序和行车路线，减少对新灌注混凝土桩的影响。采用跳打法或等已成型的桩混凝土达到60%设计强度后，再进行下根桩的施工。A、断桩：指桩身局部分离或断裂，更为严重的是一段桩没有混凝土。 原因：当在淤泥和软土层沉管时，由于受挤压的土壁产生空隙水压，拔管后便挤向新灌注的混凝土，桩局部范围受挤压形成颈缩。当拔管过快或混凝土量少，或混凝土拌和物和易性差时，周围淤泥质土趁机填充过来，也会形成颈缩。处理方法：拔管时应保持管内混凝土面高于地面，使之具有足够的扩散压力，混凝土坍落度应控制在50～70mm。拔管时应采用复打法，并严格控制拔管的速度B、颈缩：指桩身的局部直径小于设计要求的现象。 原因：当地下水压力大时，或预制桩尖被打坏，或桩靴活瓣缝隙大时，水及泥浆进入套筒钢管内，或由于桩尖活瓣受土压力，拔管至一定高度才张开，使得混凝土下落，造成桩脚不密实，形成松软层。处理方法：为防止活瓣不张开，开始拔管时，可采用密张慢拔的方法，对桩脚底部进行局部翻插几次，然后再正常拔管。桩靴与套管接口处使用性能较好的垫衬材料，防止地下水及泥浆的渗入C、吊脚桩：是指桩底部混凝土隔空或松软，没有落实到孔底地基土层上的现象。 3.人工挖孔灌注桩：是采用人工挖掘方法成孔，放置钢筋笼，浇筑混凝土而成的桩基础，也称墩基础。优点：设备简单；无噪音、无振动、无污染；对周围原有建筑物影响小；施工速度快，必要时可多桩同时开工；桩身直径大，承载能力高；施工时可在孔内直接检查成孔质量，观察地质土质变化情况；桩孔深度由地基土层实际情况控制，桩底清孔除渣彻底、干净，易保证混凝土浇筑质量。缺点：人工耗量大，效率低，安全操作条件差。 ①成孔设备：A、电动葫芦或手动卷扬机，提土桶及三角支架——提土。B、潜水泵——抽水。C、鼓风机和数风管——送气。D、镐、锹、土框、风镐——挖土。E、照明灯、对讲机、电铃等。 ③现浇混凝土护壁人工挖孔桩的施工工艺：②护壁措施：现浇混凝土护壁、喷射混凝土护壁、混凝土沉井护壁、砖砌体护壁、刚套管护壁等。A、测定桩位、放线。B、开挖土方:分段开挖，段高取决于土壁的直立能力，一般0.5～1.0m，自上而下、先中间、后孔边。C、支撑护臂模板：模板高取决于开挖施工段的高度，一般为1.0m，由4～8块活动钢模板组成，支成有锥度的内模。D、放置操作平台：支撑护臂模板后，吊放用角钢和钢板制成的两个半圆形操作台，置于内模顶。E、浇筑护壁混凝土：护壁可防止塌陷及防水，所以浇筑时要捣实，一般不低于C15，根据渗水情况可以考虑用速凝剂。上下段护壁要错位搭接≥0.5m。F、拆除模板继续下段施工：当混凝土强度达到1MPa(常温下约24h)可拆除模板，进入下一施工段。如此循环，直至挖到设计要求的深度。G、排除孔底积水，浇筑桩身混凝土。 4.爆扩灌注桩（爆扩桩）：用钻孔或爆扩法成孔，孔底放入炸药，灌入适量的混凝土，然后引爆，使孔底形成扩大端头，放置钢筋笼，浇筑桩身混凝土而成的桩。④安全措施：安全帽、空口有人监护、护壁高出地面0.2m、内设应急软梯、空气流通等。 2.3.4桩基础的检测和验收（1）桩基检测（2）桩基验收静荷载试验法动力无损检测法验收时间验收资料允许偏差：桩顶标高至少要比设计标高高出0.5m（3）桩基础工程安全技术 表2.6灌注桩的平面位置和垂直度的允许偏差序号成孔方法桩径允许偏差(mm)垂直度允许偏差(%)桩位允许偏差(mm)1～3根、单排桩基垂直中心线方向和群桩基础的边桩条形桩基沿中心线方向和群桩基础的中间桩1泥浆护壁灌注桩D≤1000mm±50<1D/6，且不大于100D/4，且不大于150D>1000mm±50100+0.01H150+0.01H2套管成孔灌注桩D≤500mm-20<170150D>500mm1001503干作业成孔灌注桩-20<1701504人工挖孔桩混凝土护壁+50<0.550150钢套管护壁+50<1100200 本章小结(1)桩基础是一种常用的深基础形式，当天然地基上的浅基础沉降量过大或地基承载力不能满足设计要求时，宜采用桩基础。明确工程地质勘察是桩基础设计与施工的重要依据。(2)锤击沉桩施工速度快，机械化程度高，适用范围广，但噪音、振动和土体挤压都会对周围环境产生影响。施工中尽可能采用预防措施，减少噪音、振动公害。 (3)灌注桩施工中包括有成孔、钢筋笼制作安装、清孔和灌注混凝土等施工过程，成桩工艺较复杂，湿作业成孔时成桩速度慢，其成桩质量与施工好坏密切相关，成桩质量难以直观的进行检查。在灌注桩施工方案中要对质量事故认真分析，并采取相应的预防措施。