第2章基础处理工程XXXX36

48第二章基础处理工程水工建筑物的基础有两类：岩基和软基，其中软基包括土基与砂砾石地基。由于受地质构造变化及水文地质的影响，天然地基往往存在不同形式与程度的缺陷，需要经过人工处理，才能作为水工建筑物的可靠地基。基础的质量是拦河大坝等水工建筑物安全可靠的根本保障，根据统计，历史上由于地基原因而引起大坝失事的比例近40％，影响工程正常发挥效益的则为数更多。基础处理工程在水利水电工程建设中占有重要地位，是施工的重要环节。水工建筑物的基础处理，就是根据建筑物对地基的要求，采用特定的技术手段来减少或消除地基的某些天然缺陷，改善和提高地基的物理力学性能，使地基具有足够的强度、整体性、抗渗性及稳定性，以保证工程的安全可靠和正常运行。随着水利水电建设事业的发展．对基础处理的方法与技术提出了越来越高的要求。同时，地基处理属隐蔽工程，要根据水工建筑物对地基的要求，分析水文、地质条件，进行技术经济比较，选择技术可行、效果可靠、工期较短、经济合理的施工方案。由于天然地基的性状复杂多样，不同类型水工建筑物对地基的要求也各不相同，在实际施工中，就必然有各种不同的基础处理方案与技术措施。采用爆破或机械挖掘等手段，将不符合要求的地层挖除以形成设计要求的建基面，是最通用可靠的基础处理方法。但是，天然地基的缺陷分布范围一般大而深，并且均一性差，采用开挖的方法，既难彻底清除，又不一定经济。为了取得符合设计要求的基础，往往必须对建基面下更大范围的地层采用各种技术措施进行处理。由于基础处理在地层中进行，其施工过程及处理的实际效果无法直观掌握，故具有地下隐蔽工程的特点。本章主要介绍水利水电工程施工中常用的几种基础处理技术，包括岩石基础灌浆、砂砾石地层灌浆、防渗墙施工、高压喷射灌浆技术等。第一节土基处理地基按地层的性质分为两大类，一类是岩基，一类是软基(包括土基和砂砾石地基)。由于建筑物对地基的要求不同，处理地基的目的和方法也不同。开挖是地基处理中最常见的方法，但受工期、费用、开挖条件和机械设备性能等客观条件的限制，地基处理还需根据工程对地基处理的要求，采用更有效的方法。一、土基处理的基本方法49土基是建筑工程中最常见的地基之一，土基处理通常是为了达到两个目的，或者是提高地基的承载能力，或者是改善地基的防渗性能。提高地基承受能力的方法称为土基加固，常见的处理方法有：预压、打桩、置换等；改善地基防渗性能的方法称为截渗处理，常见的处理方法有：防渗墙、帷幕灌浆、垂直铺塑、深层搅拌桩等。二、土基加固桩基础简称桩基，是提高土基承载能力最有效的方法之一。桩基是由若干个沉入土中的单桩组成的一种深基础，是由基桩和连接于基桩桩顶得承台共同组成，承台和承台之间再用承台梁相互连接。若承台下只用一根桩（通常为大直径桩）来承受和传递上部结构（通常为桩）的荷载，这样的桩基础称为单桩基础；承台下有2根或2根以上基桩组成的桩基础为群桩基础。桩基础的作用是将上部结构的荷载，通过上部较软弱地质传递到深部较坚硬、压缩性较小的土层或岩层。按桩的传力方式不同，将桩基分为端承桩和摩擦桩，如图8-1所示。端承载就是穿过软土层并将建筑物的荷载直接传递给坚硬土层的桩。摩擦桩是将桩沉至软弱土层一定深度，用以挤密软弱土层，提高土层的密实度和承载能力，上部结构的荷载主要有桩身侧面与土之间的摩擦力承受，桩间阻力也承受少量的荷载。按桩的施工方法，有预制桩和灌注桩两类。预制桩是在工厂或施工现场用不同的建筑材料制成的各种形态的桩，然后用打桩设备将预制好的桩沉入地基土中。沉桩的方法有锤击沉桩、静力压装、振动沉桩等。灌注桩按成孔的方法不同，分为泥浆护壁成孔灌注桩、干作业成孔灌注桩，套管成孔灌注桩、爆扩成孔灌注桩等。1.混凝土及钢筋混凝土灌注桩施工混凝土及钢筋混凝土灌注桩（简称灌注桩），是直接在桩为上成孔，然后利用混凝土或沙石等材料就地灌注而成。与预制桩相比，其优点是施工方便，节约材料，成本低；缺点是操作要求高，稍有疏忽，容易发生缩颈、断桩现象，技术间隔时间较长，不能立即承受荷载等。灌注桩的成桩技术日新月异，就其成桩过程中桩，土的相互影响特点可分为三大类型；非挤土灌注桩、部分挤土灌注桩、挤土灌注桩。每一类型又包含多种成桩工法，现粗略归纳如下。根据桩的直径的大小分为小桩（d≤250mm）、中等直径桩（250mm﹤d﹤800mm）和大直径桩（d≥800mm）。下面介绍钻孔灌注桩、挖孔灌注桩、打拔管灌注桩的施工工艺和施工方法。（1）钻孔灌注桩施工50钻孔灌注桩是先在桩为上用钻孔设备进行钻孔（用螺旋钻机、潜水电钻、冲孔机等冲钻而成，也可利用工具桩或将尖端封闭钢管打入土中，拔出成孔），然后灌注混凝土。钻孔灌注桩施工过程如图8-2所示。在有地下水、流沙、砂夹层及淤泥等土层中钻孔时，先在测定桩位上埋设护筒，护筒一般有3~5mm厚钢板做成，其直径比钻头直径大10~20cm，以便钻头提升操作等。护筒的作用有3个：①起导向作用，使钻头能沿着桩位的垂直方向工作；②提高孔内泥浆水头，防止塌孔；③保护孔口，防止孔口破坏。护筒定位应准确，埋置应牢固密实，防止护筒与孔壁间漏水。钻孔灌注桩应注意的质量问题有一下几点。1）泥浆护壁成孔时，发生斜孔、弯孔、缩孔和塌孔或沿套管周围冒浆以及地面沉陷等情况，应停止钻进。经采取措施后，方可继续施工。2）钻孔速度，应根据土层情况、孔径、孔深、供水或供浆量的大小、钻机负荷以及成孔质量等具体情况而定。3）水下混凝土面平均上升速度不应小于0.25m/h。浇筑前，导管中应设置球、塞等隔水；浇筑时，导管插入混凝土的深度不应小于1m。4）施工中应经常测定泥浆密度，并定期测定粘度、含砂率和胶体率。泥浆粘度为18~20s，含砂率不大于4%~8%。胶体率不小于90%。5）清孔过程中，必须及时补给足够的泥浆，并保持浆面稳定。6）钢筋笼变形：钢筋笼在堆放、运输、吊放、入孔等过程中，必须加强对操作工人的技术交底，严格执行加固的技术措施。7）混凝土浇到接近桩顶时，应随时测量顶部标高，以免过多截桩或补桩。施工常见问题及处理方法如下。8）护筒冒水。护筒外壁冒水，如不及时处理，严重时会造成护筒倾斜和位移，桩孔偏斜，甚至无法施工。冒水原因是在埋设护筒时周围填土不密实，或者由于起落钻头时碰动了护筒。处理方法是：若发现护筒刚开始冒水，可用粘土在护筒四周填实加密；如护筒严重下沉或位移，则应返工重埋。9）孔壁坍塌。在钻孔过程中，如发现在排出的泥浆中不断出气泡，或护筒内的水位突然下降，这都是塌孔的迹象。原因是土质松散，泥浆护壁不好、护筒内水位不够高等造成的。处理方法是：在钻孔过程中如出现塌孔、缩颈，应加大泥浆比重，并保持孔内水位，以维持孔壁稳定。缩颈、塌孔严重或泥浆突然漏失时，应立即回填粘土，待孔壁稳定后再进行钻孔。5110）钻孔偏斜。造成钻孔偏斜的主要原因是钻杆不垂直，钻头导向部分太短，导向性太差，土质软硬不一，或遇上孤石等。处理方法是：减慢钻速，提起钻头，上下往复扫钻几次，以便削去硬层，再正常钻进。如离孔口不深处遇孤石，可用炸药炸除。（2）挖孔灌注桩随着建筑工业的发展，小直径单桩和群桩基础在承受大荷载或满足沉降要求等方面已受到一定限制，大直径灌注桩已被许多国家广为采用其直径为1~3m，桩深为20~40m，最深可达60~80m。每根桩的承载力可达10000~40000kN。大直径桩可采用机械挖孔灌注和人工挖孔灌注，下面仅介绍人工挖孔灌注桩的施工要点。人工挖孔灌注桩是指在桩位上用人工挖直孔，每挖一段即施工一段支护结构，如此反复向下挖至设计深度，然后放下钢筋笼，浇筑混凝土而成桩。人工挖孔灌注桩设备简单，对施工现场原有建筑物影响小，挖孔时，可直接观察土层变化情况，清楚沉渣彻底，可同时开挖若干个桩孔，施工成本低等。人工挖孔灌注桩挖孔，由一人在孔内用镐、锹、土筐等挖土，在地面用电动葫芦或手动卷扬机、三角架提土，用潜水泵抽出空中积水。桩的直径除应满足设计承载力要求外，还应满足人在下面操作的要求，故桩径不得大于800mm，一般都在1200mm以上。人工挖土灌注桩施工，主要应解决孔壁坍塌、施工排水、流沙和管涌等问题。为此，事先应根据地质水文资料，拟定合理的衬圈护壁和施工排水、降水方案。常用护壁方案有：混凝土护圈、沉井护圈和钢套管护圈3种。如图8-3、图8-4、图8-5所示。1）混凝土护圈挖孔桩。混凝土护圈挖孔桩，亦称“倒挂金钟”施工方法，即分段开挖、分段浇筑护圈混凝土，直至设计高程后，再将桩的钢筋骨架放入护圈井筒内，然后浇筑井筒桩基混凝土。2）沉井护圈挖孔桩。沉井护圈挖孔桩，是先在桩位上制作钢筋混凝土井筒，然后在井筒内挖土，井筒靠自重或附加荷载来克服筒壁与土壤之间的摩擦力，使其下沉至设计标高，再在筒内浇筑桩基混凝土。3）钢套管护圈挖孔桩。钢套管护圈挖孔桩，是先在桩位处打入钢套管，直至设计标高，然后再将套管内的土挖出后浇筑桩基混凝土。待桩基混凝土浇筑完毕，随即将套管拔出移至另一桩位使用。钢套管由12~16mm厚的钢板焊接加工成型，其长度根据设计要求而定。当地质构造有流沙或承压含水层时，采用这种施工，可避免产生流沙和管涌现象，能确保施工安全。挖孔桩施工时应注意：挖孔时应注意井内排水，孔底施工人员必须戴安全帽，孔上必须52有人监督防护，护壁应高出地面200~300mm，以防杂物掉入孔内，孔周围应设置安全防护栏杆，孔内照明应用安全电压，潜水泵必须有防漏电装置，设置鼓风机，向孔内输送洁净空气，排除有害气体等。应注意的质量问题包括以下几个方面。1）锤子偏差过大：由于开挖过程未按要求每节核验垂直度，致使挖完以后垂直超偏。每挖完一节，必须根据桩孔口上的轴线吊直、修边、使孔壁圆弧保持上下垂直。2）孔壁坍塌：因桩位土质不好，或地下水渗出而使孔壁塌。开挖前应掌握现场土质情况，错开桩位开挖，缩短每阶高度，随时观察土质松动情况，必要时可在坍孔处用砌砖，钢板桩、木板桩封堵；操作进程要紧凑，不要间隔空隙，避免坍孔。3）孔底残留虚土太多：成孔、修边以后有较多虚土、碎砖，未认真清除。在放钢筋笼前后均认真检查孔底，清除虚土杂物。必要时用水泥砂浆或混凝土封底。4）孔底出现积水：当地下水渗出较快或有雨水流入，轴排水不及时，就会出现积水。开挖过程中孔底要挖出集水坑，及时下泵抽水。如有少量积水，浇筑混凝土时可在首盘采用半干硬的混凝土，有大量积水又一时排除困难的情况下，则应用导管水下浇筑混凝土的方法，确保施工质量。5）桩身混凝土质量差：有偏颈、空洞、夹土等现象。在浇筑混凝土前一定要做好操作技术交底，坚持分层浇筑、分层振捣、连续作业。必要时用铁管、竹竿、钢筋人工输助插捣，已补充机械捣的不足。6）钢筋笼扭曲变形：钢筋笼加工制作时点焊不牢，未采取支撑加强钢筋，运输、吊放时产生变形、扭曲。钢筋笼应在专用平台上加工，主筋已箍筋点焊牢固，支撑加固措施要可靠，吊运要垂直，使其平稳地放入桩孔中，保持骨架完好。（3）打拔管灌注桩打拔管灌注桩，利用与注桩的设计尺寸相适应的一根钢管，在端部套上预制的桩靴打入土中，然后将钢筋骨架放入钢管内，再浇筑混凝土，并随灌随将钢管拔出，利用拔管时的振动将混凝土捣实，其施工步骤如图8-6所示。此外，也常用振动灌注法。即钢管上端与振动沉注机刚性连接，下端装有活瓣的桩尖，并在钢管的上部开有加料口，利用振动力将钢管沉入土中。当沉到设计标高后，停止振动，用上料斗将混凝土灌入钢管内，然后再开动沉桩机、卷扬机拔出钢管，边振边拔，从而使桩的混凝土得到捣实（图2-7）。沉管时必须将桩尖活瓣合拢。如有水泥或泥浆进入管中，则应将管拔出，用砂回填桩孔53后，再重新填入土中，或在钢管中灌入一部分混泥土后再继续沉入。拔管速度，一般土层中为1.2~1.5m/min，在软弱土层中不得大于0.8~1.0m/min。在拔管过程中，每拔起0.5m左右，应停5~10s，但保持振动，如此反复进行直到将钢管拔离地面为止。拔管方法，根据承载力的要求不同，可分为采用单打法、复打法和翻插法。1）单打法，即一次拔管法。拔管时每提升0.5~1.0m，振动5~10s，再拔起0.5~1.0m，如此反复进行直到反复拔出为止。2）复打法。在同一桩孔内进行两次单打，或根