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地基与基础工程

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地基与基础工程

地基是指建筑物荷载作用下基底下方产生的应力不可忽略的那部分基层。而基础是指将建筑物荷载传递给地基的下部结构。地基有天然地基和人工地基两种形式,当天然地基的沉降不能满足地基的变形允许值时就需要对地基进行处理。当对地基进行人工处理之后还不能满足要求时就需要考虑相对埋深较大,需借助特殊的施工手段的基础形式。

(一)地基处理

当建筑物或构筑物的天然地基不能满足其承载能力、失稳和沉降要求时,须采用适当的地基处理,使其达到建筑物或构筑物对地基强度的要求。地基处理的方法常见的

有:

1.换填法

换填法就是先将基础底面以下一定范围内的软弱士层挖去,然后回填强度较高、压缩性较低、无侵蚀性的材料,如碎石等,再分层夯实,作为地基的持力层。换填法适用于淤泥、淤泥质上、湿陷性黄土、塑填土、杂填上地基及暗沟、暗塘的浅层处理。提高基础的承载力,同时通过垫层的应力扩散作用减少垫层下天然土层所承受的压力。

2.重锤夯实法

重锤夯实法是指利用起重机械将重锤提升至一定高度,自由下落,重复夯打击实地基。经过夯打后形成一层比较密实的硬壳层,从而提高地基强度。处理各种粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填上和分层填土地基。一般加固土层必须高出地下水位0.8m以上。如果夯实影响范围內有软上存在,或夯打对邻近建筑物有影响时不宜采用此法

3.强夯法

强夯法是利用起重设备将重80-400kN的夯锤吊起,从6~30m的高处自由落下,对土体进行强力夯实的地基处理方法。强夯法属高能量夯击,即是用巨大的冲击能,使土中岀现冲击波和很大的应力,迫使土体颗粒重新排列,排出孔隙中的气和水,从而提高地基强度,降低其压缩性,改善砂性土抵抗振动液化的能力。强夯法适用于碎石、砂土、低饱和度粉土和粘性土、湿陷性黄士及杂填上和素填士等地基的深层加固。地基经强夯法加固后,承载能力可以提高2~5倍;压缩性可以降低200%~1000%;其影响深度在l0m以上,国外加固影响深度已达40m,强夯法是一种效果好、速度快、节省材料、施工简便的地基加固方法。其缺点是施工噪音和振动很大,离建筑物小于1Om时,应挖防震沟,沟深要超过建筑物基础深。强夯法的主要设备是夯锤、起重设备、脱钩装置等。夯锤在一般条件下取为100-250kN,夯锤底面宜采用圆形。锤底静压力值可取25~40KDa,锤的表面积大小取决于表面土质,对于砂土一般为2~4m2,粘性土为3~4m2,淤泥质土为4~6m2。夯锤中宜对称设置若干个与顶面上下贯通的排气孔,以减少夯击时的空气阻力,孔径可取为200~300mm。起重设备一般采用带有自动脱钩装置的履带自行式起重机或其他专门设备,起重能力应大于1.5倍锤重,并需要设置安全装置,防止夯击落锤时机架倾覆。采用强夯法进行施工时,应掌握强夯法的主要技术参数:单击夯击能、夯击遍数加固范围、夯点布置、两次夯击的时间间隔等。施工前,应在施工现场代表性的场地上选取一个或几个试验区,进行试夯或试验性施工,以取得合适的参数。在夯击前应先查明场地施工范围内的地下构筑物和各种地下管道的位置及标高等。并采取必要的措施,以免因强夯施工而造成损坏。

夯击时必须按照试验确定的技术参数进行,以各个夯实点的夯实数为施工控制依据。夯击时应保持夯锤的平稳,夯位准确,如错位或坑底倾斜过大,宜用砂士将坑填平,才能进行下一遍夯击。每夯击一遍完成后,应测量场地的平均下沉量,然后用砂土将夯坑填平,方可进行下一遍夯击;最后一遍的场地平均夯沉量应符合设计要求。施工时应测量场地在夯击前、后的场地高程,以确定其实际夯击量。

4.振冲法

振冲法是指用振动和冲水加固地基土体的方法称为振冲法。振冲法分为振冲挤密法和振冲置换法两种。用于振密松散砂地基时称为“振冲挤密”,用于在粘性土中制造以碎石、卵石或砾砂等材料组成的一群桩体,从而构成符合地基,这种方法称为“振冲置换法”。

(1)振冲挤密加固砂层的原理:

一方面是靠振冲器的强力振动使饱和砂层发生液化,砂颗粒重新排列,孔隙减少;另一方面靠振冲器的水平振动力,在加料回填情况下通过填料使砂层挤压加密。振冲挤密法适用于松散砂土地基的挤密加固。

(2)振冲置换法加固原理

利用振冲器在高压水流作用下边振边冲,在软弱粘性土地基中成孔,再在孔内分批填入碎石、砾砂、粗砂等坚硬材料攴撑一根根桩体,如碎石桩。这些桩体在软土中由于土体约束力作用,可保证其稳定,并和原来的粘性土构成复合地基。

(3)施工工艺

振冲法施工时的主要机具有振冲器、起重机械、水泵及供水管道、加料设备和控制设备等。施工前应先在现场进行振冲试验,以确定其施工参数,如振冲孔间距,达到土体密实时的密实电流值、成孔速度、留振时间、填料量等。振冲挤密或振冲制桩的施工过程包括:定位,成孔,清孔和振密等。成孔:振冲器用履带式起重机或卷扬机悬吊,对准桩位,打开下喷水口,启动振冲器。水压一般保持300~800kPa,水量可采用200~400L/min。此时,振冲器在其自身重力及振动喷水作用下,以1~2m/min的速度慢慢沉入土中,每沉入0.5~1.Om,宜留振5~10s进行扩孔,待孔内泥浆溢出时再继续贯入,清孔:当下沉达到设计深度时,振冲器应在孔底适量停留并减少射水压力。振密:振冲填料时,宜保持小水量补给。采用边振边填,应对称均匀;如将振冲器提出孔内再加填料时,向孔内倒入的填料以0.5~1.0m为宜,将振冲器下降到填料中进行振密,待密实电流达到规定的数值后,将振动器提出孔口再次填料。如此自上而下反复进行加固直到孔口,在距地面1.0m左右深度的桩身,加填碎石或釆取其他措施,以保证桩顶密实度。

(二)基础工程

浅基础按受力状态不同分为刚性基础和柔性基础两类。

刚性基础是用混凝土、毛石混凝土、毛石、条石、砖等材料建成,宽高比应满足刚性角的要求。柔性基础是用钢筋混凝土建成,在基础底部配置受力钢筋,基础的宽度可不受宽高比的限制。

1.浅基础施工

(1)毛石基础

是用不规则石块和砂浆砌筑而成。石块宽和高为200~300mm,长为300~400mm较合适。灰缝厚度20~30mm。

a)刚性基础

b)柔性基础

图2-3基础

图2-3基础

石块采用座浆法砌筑,砂浆饱满,错缝砌筑。留槎宜留斜槎,高度不超过1.2m。墙面每0.7m2应设置一块丁石,同匹石块的水平间距不大于2.0m。

(2)料石基础

指经过加工的石料(细料石、粗料石和毛料石),一般料石宽度和厚度不小于200mm,长度不宜大于厚度的4倍。料石砌体应上下错缝搭砌,第一匹采用座浆丁砌。上部可采用两顺一丁或同匹内丁顺组砌。

(3)砖基础施工

砖基础是由垫层、大放脚和基础墙组成。一般用于土质较好,地下水位在基础底面以下的地基上大放脚分为等高式和间隔式。砂浆应饱满,水平灰缝的砂浆饱满度不得低于80%

(4)混凝土及毛石混凝土基础施工

一般用于3层以上的房屋,当地下水较高时尤其合适。在浇注基础混凝土时,为节约水泥,可加入不超过基础体积25%的毛石,形成毛石混凝土基础

(5)钢筋混凝土基础施工

钢筋混凝土基础适用于地基较软弱,上部结构荷载较大,需要较大底面尺寸的情况。常采用条形基础。受力筋一般为φ8~φ16,分部筋为φ6。

(6)垫层施工

为了使基础与地基有较好的接触面,把基础承受的荷载比较均匀地传给地基,常在基础底部设置垫层。常用的垫层材料有:灰土、碎砖(碎石、卵石)合土、砂或砂石以及低强度等级的混凝土。

2.桩基础加工

桩基础是用承台或梁将沉入土中的桩联系起来,以承受上部结构的一种常用的基础形式,当天然地基土质不良,不能满足建筑物对地基变形和强度方面的要求时,常常采用桩基础将上部建筑物的荷载传递到深处承载力较大的土(岩)层上,以保证建筑物的稳定和减少其沉降量。按桩身材料分为木桩、混凝上桩、钢筋混凝上桩、预应力钢筋混凝土桩和钢桩等。按桩的截面形状可分为实心桩和空腹桩。按桩的施工方式,可分为预制桩和灌注桩两大类。按桩的传力和作用性质,桩可分为端承桩和摩擦桩两种。端承桩是穿过上部软弱土

层而达于下部持力层(岩石、砾石层、砂层或坚硬土层)上的桩,上部结构荷载主要是由桩四周土中及桩尖阻力来平衡。摩擦桩是把建筑物的荷载传布在桩四周土中及桩尖下土中的桩,其大部分荷载靠桩四周表面与土的摩擦力来支承。

(1)筋混凝土预制桩

钢筋混凝土预制桩是在工厂或施工现场制成的各种材料和形式的桩,然后用沉桩设备将桩沉入(打、压、振)土中

①混凝士预制桩的制作、起吊、运输和堆放

混凝土预制桩能承受较大的荷载、坚固耐久、施工速度快,是我国广泛应用的桩型之一,但其施工对周围环境影响较大。常用的为混凝土实心方桩和预应力混凝士空心管桩。混凝士方桩的截面边长多为250~550mm,单根桩或多节桩的单节长度,应根据桩架高度、制作场地、运输和装卸能力而定。多节桩如用电焊或法兰接桩时,节点的竖向位置尚应避开土层中的硬夹层。如在工厂制作,长度不宜超过12m;如在现场预制,长度不宜超过30m。桩的接头不宜超过两个。混凝土强度等级不宜低于C30(静压法沉桩时不宜低于C20)。桩身配筋与沉桩方法有关。锤击沉桩的纵向钢筋配筋率不宜小于0.8%,压入桩不宜小于0.4%,桩的纵向钢筋直径不宜小于14mm,桩身宽度或直径大于或等于350mm时,纵向钢筋不应少于8根。桩顶一定范围内的箍筋应加密,并设置钢筋网片。混凝土预制方桩多数是在打桩现场或附近就地预制,一般釆用叠层法制作,叠浇层数不宜超过4层,上层桩应在下层桩混凝土强度达到设计强度等级的30%后方可进行。较短的桩亦可在预制厂生产,预应力管桩则均在工厂生产预制桩的混凝土浇筑,应由桩顶向桩尖连续进行,严禁中断钢筋骨架及桩身尺寸偏差如超出规范允许的偏差,桩容易被打坏。如横截面边长±5mm,桩尖对中心线的偏差为10mm,桩身弯曲矢高不大于0.1%桩长,且不大于20mm。当桩的混凝土强度达到设计强度70%方可起吊;达到100%方可运输和打桩。如提前起吊,必须采取措施并经验算合格方可进行。桩在起吊和搬运时,必须平稳,并且不得损坏。吊点应符合设计要求,一般吊点的设置在3个以内按正、负弯矩相等的原则计算确定,吊点多于3个时,按反力相等的原则计算确定。打桩前,桩从制作处运到现场前以备打桩,并应根据打桩顺序随打随运以避免二次搬运。桩的运输方式,在运距不天时,可用起重机吊运;当运距较大时,可采用轻便轨道小平台车运输。

堆放桩的地面必须平整、坚实,垫木间距应与吊点位置相同,各层垫木应位于同一垂直线上,堆放层数不宜超过4层。不同规格的桩,应分别堆放

②锤击沉桩法

锤击沉桩法也称打桩法,是利用桩锤下落到桩顶产生的冲击能使桩沉入土中。在沉桩施工前,必须做好地基勘测与环境调查工作、编制预制桩沉桩的施工组织设计、消除施工现场障碍物、施工现场的场地平整及施工现场的定位放线等准备工作。

由于打桩对土体的挤密作用,先打的桩因受水平推挤而造成偏移和变位,或被垂直挤拔造成浮桩;而后打入的桩因土体紧密,难以达到设计标高或入土深度,或造成土体隆起和挤压。截桩过大。因此,在进行群桩打入施工时,为了保证打桩工程质量,防止周围建筑物受土体挤压的影响,打桩前应根据桩的密集程度、桩的规格、长短和桩架的移动方便等因素来正确选择打桩顺序。当桩较密集时,应由中间向两侧对称施打或由中间向四周施打,这样打桩时土体中间向两侧或四周均匀挤压,易于保证施工质量,当桩数较多时,也可采用分区段施打;当桩较稀疏时,可采用上述两种打桩顺序,也可采用由一侧向另一侧单一方向施打的方式,或由两侧同时向中间施打。在采用逐排施打时,桩架单方向移动,打桩效率高。但打桩前进方向一侧不宜有防侧移、防振动的建筑物、构筑物、地下管线等,以防止受土体挤压而破坏。

③静力压桩

静力压桩是利用静力压力将预制桩压入士中的一种沉桩工艺。静力压桩机工作原理是在预制桩的压入过程中,以桩机重力作为作用力,克服压桩过程中桩身周围的摩擦力和桩尖阻力,将桩压入土中。施工中虽然仍然存在挤土效应,但没有振动和噪音,适用于软弱土层和邻近有怕振动的建(构)筑物的情况。静力压桩机有机械式和液压式之分,目前使用的多为液压式静力压桩机,压力可达5000kN。

静力压桩法与锤击沉桩法相比,具有以下特点用锤击沉桩法要求预制桩的混凝土强度等级不应低于C30。静力压桩法免去锤击应力,只需要满足吊桩弯矩、压桩和使用期间的受力要求,因此,其截面尺寸、混凝土强度等级及配筋量都可以减少,可节省钢材、混凝土量和降低施工成本。

静力压桩法无噪音、无振动,对周围环境的千扰和影响较小,特别适用于对噪音振动有特殊要求的区域施工。

④射水冲沉法

射水沉桩方法往往与锤击(或振动)法同时使用,具体选择应视士质情况:在砂夹卵石层或坚硬土层中,一般以射水为主,以锤击或振动为辅;在粉质粘土或粘土中,为避免降低承载力,一般以锤击或振动为主,以射水为辅,并应适当控制射水时间和水量射水沉桩的设备包括:水泵、水源、输水管路和射水管。射水沉桩的施工要点是:吊插桩时要注意及时引送输水胶管,防止拉断与脱落;桩插正立稳后,压上桩帽桩锤,开始用较小水压,使桩靠自重下沉。初期控制桩身下沉不应过快,以免阻塞射水管嘴,并注意随时控制和校正桩的垂直度。下沉渐趋缓慢时,可开锤轻击。沉至一定深度(8~10m)已能保持桩身稳定度后,可逐步加大水压和锤的冲击动能。沉桩至距设计标高一定距离(1~1.5m)停止射水,拔出射水管,进行锤击或振动,使桩下沉至设计要求标高。

(2)钢筋混凝土灌注桩

钢筋混凝土灌注桩是直接在桩位上成孔,然后在孔内安放钢筋笼,浇注混凝土而成的。钢筋混凝土灌注桩适用于持力层起伏较大及对噪音、振动和挤土影响有限制的地区。灌注桩与预制桩相比,直径和桩长可按设计要求制作,桩端能可靠地进入持力层或嵌入岩层,单桩承载力大、含钢量低等优点,但是也有施工速度较慢、成桩质量与施工好坏密切相关等缺点灌注桩按成孔方式可分为:钻孔灌注桩、沉管灌注桩、爆扩灌注桩、人工挖孔灌注桩等。本书主要介绍钻孔灌注桩和人工挖孔灌注桩。

①锆孔灌注桩

钻孔灌注桩是利用钻孔机械钻出钻孔,吊放钢筋笼,然后浇注混凝土而成的桩。钻孔灌注桩的优点是无振动、低噪音、无挤土影响,能用于各种土层,对周围建筑物影响小等。但是它的单桩承载力较低,且沉降量较大。钻孔灌注桩的施工工艺根据钻孔机械的钻头是否在含水层中分为干作业成孔和湿作业成孔两种施工方法。

千作业成孔灌注桩是在地下水位较低,成孔深度内无地下水的土质中常用的一种施工方法,无须护壁直接钻孔取土成孔的。这种方法成孔直径一般为300~500m,最大可达800m,钻孔深度8~12m,适用于地下水位以上的一般粘土、砂土及人工填土地基,不宜用于有地下水的土层和淤泥质士。干作业成孔灌注桩的施工工艺为:测量放线确定桩位→桩机就位调整垂直度→钻土成孔、孔口旁土方清运→检查校正桩位及钻孔垂直度→桩机成孔达到设计标高→清除孔底松土沉渣→成孔质量检查与验收→吊放钢筋笼→吊挂串筒→浇注混凝土湿作业成孔灌注桩是利用泥浆保护孔壁、防止塌孔、排出土渣而成孔的。这种方法主要适用于地下水位较低的土层,如淤泥质土、粘性土及砂土等。钻孔深度可达50m,直径为0.60~1.50m。湿作业成孔灌注桩的施工工艺为:测量定位→埋设导钻护筒→桩机就位→钻孔→清孔→安放钢筋笼→(水下)浇注混凝土

②挖孔灌注桩

挖孔灌注桩一般采用人工挖孔灌洼桩,也就是人工挖孔至设计深度后放置钢筋骨架,浇注混凝土后成桩。人工挖孔桩具有无振动、无噪音、施工时可按工期要求多根桩同时开挖;人工挖孔过程中可直接观察土层变化情况,便于清理桩孔和检查孔底及孔壁,可较清楚地确定持力层的承载力;施工质量可靠,承载力高等优点。人工挖孔桩的直径不宜小于800mm,一般最小桩径为1000mm,且桩底一般考虑做成扩大头。人工挖孔桩施工工艺过程为:测量放线、确定桩位→孔口挖土→构筑(钢筋)混凝土护壁→挖土(三、四步重复进行至设计深度)→孔底钎探(深度≥3倍孔底直径)→孔底扩大头→清底验收→吊放钢筋笼→浇注孔桩填心混凝土。在采用人工挖孔桩施工时,应做好排水及防止流沙现象的发生,同时做好井下通风、照明工作,并保证孔壁不坍塌。当地下水位较高、土层中夹有较厚的细砂层时,此

时因容易发生流沙现象,采用钢筋混凝土难以保证工程质量、工程进度和施工人员的人身安全,可采用钢套管护壁。

③套管成孔灌注桩

套管成孔灌注桩也称打拔管灌注桩,系釆用与桩的设计尺寸相适应的钢管,在端部套上桩尖后沉入土中之后,在套管內吊放钢筋骨架,然后边浇混凝土边振动或锤击拔管,利用拔管时的振动捣实混凝土而成。这种方法适用于在有地下水、流沙、淤泥等土质中。套管成孔灌注桩根据沉管方法和拔管时振动方式不同分为锤击沉管灌注桩和振动沉管灌注桩锤击沉管灌注桩是采用落锤、柴油锤或汽锤将钢柱管打入土中成孔。它的施工工艺为:安放桩靴→吊放桩管在桩靴上→校正垂直度→锤击桩管至设计的贯入度或标高→检查成孔质量→放置钢筋骨架→浇灌混凝土→边锤击边拔出桩管振动沉管灌注桩是利用振动打桩机的振动将桩沉入土中成孔。这种方法适用于稍密及中密的碎石土地基施工。振动沉管灌注桩的施工工艺为:桩机就位→振动沉管→检查成孔质量→浇灌混凝土→边拔管、边振动、边继续浇灌混凝土→插入短钢筋骨架成孔。

④爆扩灌注桩

爆扩灌注桩简称爆扩桩,是用机钻或爆破成孔,在孔底安放适量的炸药,利用爆炸能量将孔底形成扩大头,再放置钢筋骨架,最后浇注混凝土而成。这种成桩工艺不需要成桩机械,费用低,适用于地下水位以上的粘性土、黄土、碎石土以及风化层,在砂土及软土中不易成孔。爆扩桩桩身直径一般为200~300mm,用冲抓锥成孔或爆破成孔的桩柱直径为550~1200mm。爆扩桩的埋置深度一般为3~6m,最大可达10m,爆扩桩的最小间距:在硬塑和可塑状态粘土中,不小于1.5D(D为扩大头直径);在软塑性粘土或人工回填土中,不小于1.8D。当桩数很多而基础平面尺寸较小时,可将扩大头上下交错布置,相邻两桩的扩大头标高差不应小于1.5D。

爆扩桩的成孔方法有人工或机钻成孔和爆扩成孔两种,爆扩大头的施工工艺为:确定用药量→安放药包→灌注压爆混凝土→引爆→检查扩大头直径。扩大头引爆后,第次浇注的混凝土即落入空腔底部。此时检査扩大头的尺寸并将扩大头底部混凝土捣实,随即放置钢筋骨架,并分层浇灌,分层捣实桩身混凝土,混凝土应连续浇注完毕,不留施工缝,保证扩大头与桩身形成整体浇注的混凝土。

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