一、基坑工程概述
基坑工程概念及现状
基坑工程是为保护基坑施工、地下结构的安全和周边环境不受损害而采取的支护、基坑土体加固、地下水控制、开挖等工程的总称,包括勘察、设计、施工、监测、试验等。
上海“莲花河畔景苑”在建楼房整体倒塌
6月27日6时左右,上海闵行区“莲花河畔小区”一栋在建13层住宅楼整体倒塌。这是建国以来建筑业最令人恐怖的倒楼事件。
骇人听闻的上海倒楼事件令土木人蒙羞,开发商、承包商、监理工程师和负有监管职责的政府官员将被钉在土木建设史的耻辱柱上!
导致基坑工程事故的主要原因如下:
(1) 设计理论不完善。许多计算方法尚处于半经验阶段,理论计算结果尚不能很好反映工程实际情况。
(2)设计者概念不清、方案不当、计算漏项或错误。
(3) 设计、施工人员经验不足。实践表明,工程经验在决定基坑支护设计方案和确保施工安全中起着举足轻重的作用。
基坑工程特点:
1. 综合性强
2. 临时性和风险性大
3. 地区性
4. 环境条件要求严格
一、基坑工程的内容
基坑土方开挖的施工工艺一般有两种:放坡开挖(无支护开挖)和在支护体系保护下外挖(有支护开挖)。前有既简单又经济,但需具备放坡开挖的条件,即基坑不太深而且基坑平面之外有足够的空间供放坡之用。因此,在空旷地区或周围环境允许放坡而又能保证边坡稳定条件下应优先选用。
在城市中心建筑物稠密地区,往往不具备基坑放坡开挖的条件,此时就只能采用在支护结构保护下垂直或基本垂直进行开挖。
在有支护开挖的情况下,基坑工程一般包括下述内容:
(1)基坑工程勘察;
(2)基坑支护结构的设计和施工;
(3)控制基坑地下水位;
(4)基坑土方工程的开挖和运输;
(5)基坑土方开挖过程中的工程监测;
(6)基坑周围的环境保护。
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。对软土土坡和极易风化的软质岩石边坡,开挖后应对坡脚、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。
二、 基坑支护结构的设计原则与方法
基坑支护结构设计的原则为:
(1)安全可靠:
(2)经济合理:
(3)便利施工:
根据现行国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》,基坑支护结构应采用分项系数表示的极限状态设计方法进行设计。
基坑支护结构的极限状态,分为以下两类:
1.承载能力极限状态
2.正常使用极限状态
三、基坑支护结构的安全等级
根据《建筑基坑支护技术规程》,基坑侧壁的安全等级分为三级(表l—1),设计时不同等级采用相对应的重要性系数γ0。
二、基坑工程勘察
一、岩土勘察
在建筑地基详细勘察阶段,宜同时对基坑工程需要的内容进行勘察。
勘察范围取决于开挖深度及场地的岩土工程条件,宜在开挖边界外开挖深度1~2倍范围内布置勘探点,对于软土勘察范围尚宜扩大。
勘探点的间距可为15~30m,地层变化较大时,应增加勘探点查明分布规律。
基坑周边勘探点的深度不宜小于1倍开挖深度,软土地区应穿越软土层。
岩土勘察一般应提供下述资料:
(1)场地土层的类型、特点、土层性质;
(2)基坑及围护墙边界附近,场地填土、暗浜、古河道及地下障碍物等不良地质现象的分布范围与深度,表明其对基坑工程的影响;
(3)场地浅层潜水和坑底深部承压水的埋藏情况,土层渗流特性及产生流砂、管涌的可能性;
(4)支护结构设计和施工所需土、水指标;
二、水文地质勘察
应提供下列情况和数据:
(1)地下各含水层的视见水位和静止水位;
(2)地下各含水层中水的补给情况和动态变化情况,与附近水体的连通情况;
(3)基坑底以下承压水的水头高度和含水层的界面;
(4)分析施工过程中水位变化对支护结构和基坑周边环境的影响,提出应采取的措施。
三、基坑周边环境勘察
应包括以下内容:
(1)查明影响范围内建(构)筑物类型、层数、基础类型和埋深、基础荷载大小及上部结构现状;
(2)查明基坑周边各类地下设施,包括给水、排水、电缆、煤气、污水、雨水、热力等管线的分布与性状;
(3)查明基坑四周道路的距离及车辆载重情况;
(4)查明场地四周和邻近地区地表水汇流和排泻情况,地下水管渗漏情况及对基坑开挖的影响。
此外,在进行支护结构设计之前,尚应对下述地下结构设计资料进行收集和了解:
(1)主体工程地下室的平面布置以及与建筑红线的相对位置,这对选择支护结构型式及支撑布置等有关;
(2)主体工程基础的桩位布置图,这与支撑体系中的立柱布置有关,应尽量利用工程桩作为立柱桩以降低造价;
(3)主体结构地下室层数、各层楼板和底板的布置与标高以及地面标高,这与确定开挖深度,选择围护墙与支撑型式和布置以及换撑等有关。
三、支护体系方案选择
(1)钢板桩
钢板桩常用的有简易的槽钢钢板桩和热轧锁口钢板桩。
①槽钢钢板桩
②热轧锁口钢板桩
其形式有U型、z型、一字型、H型和组合型。我国一般常用者为U型,即互相咬接形成板桩墙,只有在基坑深度很大时才用组合型。
(2)钢筋混凝土板桩
这是一种传统的支护结构,截面带企口有一定挡水作用,顶部设圈梁,用后不再拔除,永久保留在地基土中,过去多用于钢板桩难以拔除的地段。
(3)钻孔灌注桩排桩挡墙
常用者为∮600~1000mm,做成排桩挡墙,顶部浇筑钢筋混凝土圈梁,设内支撑体系。我国各地都有应用,是支护结构中应用较多的一种。
灌注桩挡墙的刚度较大,抗弯能力强,变形相对较小,在土质较好的地区已有7—8m悬臂者,在软土地区坑深不超过14m皆可用之,经济效益较好。但其永久保留在地基土中,可能为日后的地下工程施工造成障碍。由于目前施工时它难以做到相切,桩之间留有100~150mm的间隙,挡水效果差,有时将它与深层搅拌水泥土桩挡墙组合应用,前者抗弯,后者做成防水帷幕起挡水作用
(4)地下连续墙
地下连续墙已成为深基坑的主要支护结构挡墙之一,国内大城市深基坑工程利用此支护结构为多,常用厚度为600~800mm,少量也可施工厚1000mm者、,上海至今已完成一百多万平方米地下连续墙。尤其是地下水位高的软土地区,当基坑深度大且邻近的建(构)筑物、道路和地下管线相距甚近时,它往往是首先考虑的支护方案。上海地铁的多个车站施工中都采用地下连续墙。
(5)深层搅拌水泥土桩挡墙
深层搅拌水泥土桩挡墙在软土地区近年来应用较多,尤以上海应用最多,过去多用于地基加固工程。它是用特制进入土深层的深层搅拌机将喷出的水泥浆固化剂与地基上进行原位强制拌合而制成水泥土桩,相互搭接,硬化后即形成具有一定强度的壁状挡墙(有各种形式,计算确定),既可挡土又可形成隔水帷幕。对于平面呈任何形状、开挖深度不很深的基坑(一般认为不超过6m),皆可用作文护结构,比较经济;水泥土的物理力学性质,取决于水泥掺入比,多用12%左右。目前在上海地区广为应用,收到较好的效果,它特别适应于软土地区。
深层搅拌水泥土桩挡墙,属重力式挡墙,深度大时可在水泥土中插入加筋杆件,形成加筋水泥土挡墙,必要时还可辅以内支撑等。
(6)旋喷桩挡墙
它是钻孔后将钻杆从地基土深处逐渐上提,同时利用插入钻杆端部的旋转喷嘴,将水泥浆固化剂喷入地基土中形成水泥土桩,桩体相连形成帷幕墙,可用作文护结构挡墙。在较狭窄地区亦可施工。它与深层搅拌水泥土桩一样,亦为重力式挡墙,只是形成水泥土桩的工艺不同而已。在施工旋喷桩时,要控制好上提速度、喷射压力和喷射量,否则质量难以保证。
(7)土钉(沙层锚杆)墙
土钉墙是一种利用土钉加固后的原位土体来维护基坑边坡土体稳定的支护方法。它由土钉、钢丝网喷射混凝土面板和加固后的原位土体三部分组成。该种支护结构简单、经济、施工方便,是一种较有前途的基坑边坡支护技术,适用于地下水位以上或经降水后的粘性土或密实性较好的砂土地层,基坑深度一般不大于15m。
支撑体系的选型
当基坑深度较大,悬臂的挡墙在强度和变形方面不能满足要求时,即需增设支撑系统。
支撑系统分两类:
基坑内支撑
基坑外拉锚。
1、内支撑
(1)钢结构支撑
钢结构支撑拼装和拆除方便、迅速,为工具式支撑,可多次重复使用,且可根据控制变形的需要施加预顶力,有一定的优点。
但与钢筋混凝土结构支撑相比,它的变形相对较大,且由于圆钢管和型钢的承载能力不如钢筋混凝土结构支撑的承裁能力大,因而支撑水平向的间距不能很大;相对来说对于机械挖土不太方便。
①钢管支撑
钢管支撑的形式,多为对撑或角撑如间距较大、长度较长,亦可增设腹杆形成桁架式支撑,对撑纵横钢管交叉处,可以上下叠交 ;亦可增设特制的十字接头,纵横钢管都与十字接头连接,使纵横钢管处于同一平面内。后者可使钢管支撑形成一平面框架,刚度大,受力性能好 。
内支撑的布置与型式
支撑体系在平面上的布置形式(如图),有角撑、对撑、桁架式、框架式、环形等。有时在同一基坑中混合使用,如角撑加对撑、环梁加边桁(框)架、环梁加角撑等。主要是因地制宜,根据基坑的平面形状和尺寸设置最适合的支撑。
②H型钢支撑
H型钢支撑用螺栓连接,为工具式钢支撑,现场组装方便,构件标准化,对不同的基坑能按照设计要求进行组合和连接,可重复使用,有推广价值。
H型钢常用者为焊接H型钢和轧制H型钢。
(2)钢筋混凝土支撑
钢筋混凝土支撑它刚度大,变形小,能有效地控制挡墙变形和周围地面的变形,宜用于较深基坑和周围环境要求较高的地区。
但成型和发挥作用时间长、属于一次性支撑结构、拆除困难。
四、基坑工程施工
1、水泥土墙施工
深层搅拌水泥土桩排挡墙,是采用水泥作为固化剂,利用特制的深层搅拌机械,在地基深处就地将软土和水泥强制搅拌形成水泥土,利用水泥和软土之间所产生的一系列物理-化学反应,使软土硬化成整体性的、并有一定强度的挡土、防渗墙。
优点:施工时振动和噪音小,工期较短,无支撑,它既可挡土亦可防水,而且造价低廉。普通的深层搅拌水泥土挡墙,通常用于不太深的基坑作支护,若采用加筋搅拌水泥土挡墙,则能承受较大的侧向压力,用于较深的基坑护壁。
(一)施工机具
(1)深层搅拌机
它是深层搅拌水泥土桩施工的主要机械。目前应用的有中心管喷浆方式和叶片喷浆方式两类。前者的输浆方式中的水泥浆是从两根搅拌轴之间的另一根管子输出,不影响搅拌均匀度,可适用于多种固化剂;后者是使水泥浆从叶片上若干个小孔喷出,使水泥浆与土体混合较均匀,适用于大直径叶片和连续搅拌,但因喷浆孔小易被堵塞,它只能使用纯水泥浆而不能采用其他固化剂。
(2)配套机械
主要包括灰浆搅拌机、机架、集料斗、灰浆泵。
(二)施工工艺
(三)水泥土的配合比
搅拌法施工要求水泥浆流动度大,水灰比一般采用0.45~0.50,但软土含水量高,对水泥土强度增长不利。为了减少用水量,又利于泵送,可选用木质素磺酸钙作减水剂,另掺入三乙醇铵以改善水泥土的凝固条件和提高水泥土的强度。
(四)提高水泥土桩挡墙支护能力的措施
深层搅拌水泥土桩挡墙属重力式支护结构,主要由抗倾覆、抗滑移和抗剪强度控制截面和入土深度。目前这种支护的体积都较大,为此可采取下列措施,通过精心设计来提高其支护能力:
(1)卸荷
(2)加筋
(3)起拱
(4)挡墙变厚度
2、钢板桩施工
常用钢板桩的种类:
钢板桩是带锁口的热轧型钢,钢板桩靠锁口相互咬口连接,形成连续的钢板桩墙,用来挡土和挡水。钢板桩支护由于其施工速度快、可重复使用,因此在一定条件下使用会取得较好的效益。但钢板桩的刚度相对较小。
常用的截面形式为U形、Z形和直腹板式。国产的钢板桩只有鞍IV型和包IV型拉森式(U形)钢板桩,其他还有一些国产宽翼缘热轧槽钢可用于不太深的基坑作为支护应用。
(一)钢板桩打设前的准备工作
钢板桩的设置位置应便于基础施工,即在基础结构边缘之外并留有支、拆模板的余地。
特殊情况下如利用钢板桩作箱基底板或桩基承台的侧模,则必须衬以纤维板或油毛毡等隔离材料,以便钢板桩拔出。
钢板桩的平面布置,应尽量干直整齐,避免不规则的转角,以便充分利用标准钢板桩和便于设置支撑。
对于多层支撑的钢板桩,宜先开沟槽安设支撑并预加顶紧力(约为设计值的50%);再挖土,以减少钢板桩支护的变形。
对于钢板桩挡墙应在板桩接缝处设置可靠的防渗止水的构造,必要时可在沉桩后在坑外钢板桩锁口处注浆防渗。
1.钢板桩的检验与矫正
2.导架安装
3.沉桩机械的选择
(二)钢板桩的打设
(1)打设方法的选择
①单独打入法
②屏风式打入法
(2)钢板桩的打设
先用吊车将钢板桩吊至插桩点处进行插桩插桩时锁口要对准,每插入一块即套上桩帽轻轻加以锤击。
在打桩过程中,为保证钢板桩的垂高度,要用两台经纬仪从两个方向加以控制。
打桩时,开始打设的第一、二块钢板桩的打入位置和方向耍确保精度,它可以起样板导向作用,一般每打入1m应测量一次。
(三)钢板桩的拔除
在进行基坑回填土时,要拔除钢板桩,以便修整后重新使用。拔除钢板桩要研究拔除顺序、拔除时间以及桩孔处理方法。
对于封闭式钢板桩墙,拔桩的开始点宜离开角桩五根以上,必要时还可用跳拔的方法间隔拔除。拔桩的顺序一般与打设顺序相反。
拔除钢板桩宜用振动锤或振动锤与起重机共同拔除。后者适用于单用振动锤而拔不出的钢板桩,需在钢板桩上设吊架,起重机在振动锤振拔的同时向上引拔
3、地下连续墙施工
(一)、地下连续墙施工工艺原理
地下连续墙施工工艺,即在工程开挖土方之前,用特制的挖槽机械在泥浆护壁的情况下,每次开挖一定长度(一个单元槽段)的沟槽,待开挖至设计深度并清除沉淀下来的泥渣后,将在地面上加工好的钢筋骨架(一般称为钢筋笼)用起重机械吊入充满泥浆的沟槽内,然后通过导管向沟槽内浇筑混凝土,由于混凝土是由沟槽底部开始逐渐向上浇筑,所以随着混凝土的浇筑,泥浆也被置换出来,待混凝土浇至设计标高后,二个单元槽段即施工完毕。各个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。如呈封闭状,则工程开挖土方后,地下连续墙就既可挡土又可止水,便利了地下工程和深基坑的施工。若将用作支护挡墙的地下连续墙又作为建筑物地下室或地下构筑物的结构外墙,即所谓的“两墙合一”,则经济效益更加显著 。
(二)、构造处理
1.混凝土强度及保护层
现浇钢筋混凝土地下连续墙,其设计混凝土强度等级不得低于C30,考虑到在泥浆中浇筑,施工时要求提高到不得低于C35。
水泥用量不得少于370kg/m3,水灰比不大于0.6,坍落度宜为180.2l0mm。
混凝土保护层厚度,根据结构的重要性、骨料粒径、施工条件及工程和水文地质条件而定。
2.接头处理
(1)施工接头
常用的施工接头有以下几种形式:
1)接头管(亦称锁口管)接头这是目前地下连续墙施工中应用最多的一种。
2)接头箱接头施工办法与接头管相似,只是以接头箱代替了接头管。
U形接头管与滑板式接头箱施工的钢板接头。它是在两相邻单元槽段的交界处利用U形接头管放入开有方孔且焊有封头钢板的接头钢板,以增强接头的、整体性。
3)隔板式接头隔板的形状分为平隔板、榫形隔板和u形隔板。
(2)结构接头
地下连续墙与内部结构的楼板、柱、梁、底板等连接的结构接头,常用的有下列几种:
1)预埋连接钢筋法
2)预埋连接钢板法
3)预埋钢筋锥螺纹接头法
(三)、地下连续墙施工
1.施工前的准备工作
在进行地下连续墙设计和施工之前,必须认真调查现场情况和地质、水文等情况,以确保施工的顺利进行。
(1)施工现场情况调查
现场情况调查的目的是为了解决下述问题:施工机械进入现场和进行组装的可能性;挖槽时弃土的处理和外运;给排水和供电条件;地下障碍物和相邻建(构)筑物情况;噪声、振动与污染等公害引起的有关问题等。
(2)水文、地质情况调查
(3)制订地下连续墙的施工方案
2.施工工艺过程
现浇钢筋混凝土地下连续墙的施工工艺过程其中修筑导墙、泥浆制备与处理、挖深槽、钢筋笼的制作与吊放以及混凝土的浇筑是地下连续墙施工中的主要工序。
3.地下连续墙施工技术
(1)修筑导墙
导墙是地下连续墙挖槽之前修筑的临时结构,对挖槽起重要作用
1)导墙的作用
a.作挡土墙
b. 作为测量的基准。
c.作为重物的支承。
d.存蓄泥浆。
2)导墙的形式
导墙一般为现浇的钢筋混凝土结构,也有钢制的或预制钢筋混凝土装配式结构,它可重复使用。导墙必须有足够的强度、刚度和精度,必须满足挖槽机械的施工要求。
3)导墙施工
现浇钢筋混凝土导墙施工顺序: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(如无外侧模板不进行此项工作)。
(2)泥浆护壁
1)泥浆的作用
地下连续墙的深槽是在泥浆护壁下进行挖掘的,泥浆在成槽过程中有下列作用:
a.护壁作用
b.携渣作用
c.冷却和润滑作用
2)泥浆的成分
护壁泥浆通常使用的是制备泥浆、自成泥浆或半自成泥浆。
制备泥浆是在挖槽前利用专用设备事先制备好泥浆,挖槽时输入沟槽。
自成泥浆是用钻头式挖槽机挖槽时,向沟槽内输人清水、清水与钻削下来的泥土拌合,边挖槽边形成泥浆。自成泥浆的性能指标要符合规定的要求。
当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,就要再加入一些需要的成分,这样形成的泥浆称为半自成泥浆。
膨润土泥浆是制备泥浆中最常用的一种,它的主要成分是膨润土和水,另外,还要适当地加入外加剂。
a.膨润土膨润土是一种颗粒极细、遇水显著膨胀、粘性和可塑性都很大的特殊粘土,它是经加热、干燥和粉碎之后,用旋流分离器按其粉末粒径大小分级后出售的。
b.水水的PH值和其中的杂质,亦影响泥浆的性质。
c.外加剂为使泥浆的性能适合于地下连续墙挖槽施工的要求,需根据具体情况有选择地适当加入外加剂。
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。
4)泥浆的制备与处理
A.制备泥浆的准备工作
制备泥浆前,需对地基土、地下水和施工条件等进行调查。
B.泥浆配合比
选择泥浆既要考虑护壁、携渣效果,又要考虑经济性,应因地制宜地选用。
C.泥浆制备
泥浆制备包括泥浆搅拌和泥浆贮存。
D. 泥浆处理
泥浆处理分土碴分离处理(物理再生处理)和污染泥浆化学处理(化学再生处理)两种。
(3)挖深槽
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和特殊情况的处理方法等。
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多个某种长度的施工单元,这种施工单元称为“单元槽段”。挖槽是按照一个个单元槽段进行挖掘的,在一个单元槽段内,挖掘机械可以挖一个或几个挖掘段。划分单元槽段就是将各种单元槽段的形状和长度标明在墙体平面图上,它是地下连续墙施工组织设计中的一个重要内容。
一般决定单元槽段长度的因素有:
a.设计构造要求。
b.地质水文条件。
c.地面荷载及相邻建筑物的影响。
d.现有起重机的起重能力和钢筋笼的吊放方法。
e.单位时间内混凝土的供应能力。
f.工地上具备的泥浆池容积。
2)挖槽机械选择
在地下连续墙施工中常用的挖槽机械,按其工作机理主要分为挖斗式、回转式和冲击式三大类。
a.挖斗式挖槽机挖斗式挖槽机是以其斗齿切削土体,切削下来的土体收容在斗体内,再从沟槽内提出地面开斗卸土,然后又返回沟槽内挖土,以如此重复的循环作业进行挖槽。
b.回转式挖槽机这类挖槽机是以回转的钻头切削土体进行挖掘,钻下的土碴随循环的泥浆排出地面。按照钻头数目,回转式挖槽机分为单头钻和多头钻,单头钻主要用来钻导孔,多头钻用来挖槽。
c.冲击式挖槽机目前,我国使用的主要是钻头冲击式挖槽机,它是通过各种形状钻头的上下运动,冲击破碎土层,借助泥浆循环把土碴携出槽外。它适用于老粘性土、硬土和夹有孤石等较为复杂的地层情况。
3)防止槽壁塌方的措施
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。
a.泥浆泥浆质量和泥浆液面的高低对槽壁稳定有很大影响。
b.地质条件 地基土的条件直接影响槽壁稳定。
c.施工方面地下连续墙施工时单元槽段的划分亦影响槽壁的稳定性。注意控制钻进进尺或钻机回转速度,及时吊放钢筋笼、浇灌混凝土,还要注意施工期间地面荷载不要过大 。
(4)清底
在挖槽结束后清除槽底沉淀物的工作称为清底。
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、潜水泥浆泵排泥法、抓斗直接排泥法。前三种应用尤多,清底后,槽内泥浆的相对密度应在1.15以下。
清底一般安排在插入钢筋笼之前进行,对于以泥浆反循环法进行挖槽的施工,可在挖槽后紧接着进行清底工作。
(5)钢筋笼加工与吊放
1)钢筋笼加工钢筋笼根据地下连续墙墙体配筋图和单元槽段的划分来制作。单元槽段的钢筋笼应装配成一个整体。必须分段时采用焊接或机械连接,接头位置宜选在受力较小处,并相互错开。
2)钢筋笼吊放钢筋笼的起吊、运输和吊放应制订周密的施工方案,主要解决好两个问题:一是在吊放过程中不能使钢筋笼产生不可恢复的永久变形;二是插入过程中不要造成槽壁坍塌。
(6)混凝土浇筑
混凝土配合比的设计除满足设计强度要求外,还应考虑到采用导管法在泥浆中浇筑混凝土的施工特点和对混凝土强度的影响。
地下连续墙的混凝土浇筑机具可选用履带式起重机、卸料翻斗、混凝土导管和贮料斗,并配备简易浇筑架,组成一套设备。