2022年电大高层建筑施工期末复习考试参考资料必备参考答案.doc

高层建筑施工辅导材料：第一章 深基坑施工【内容提要和学习指导】1.1.       基坑排水、降水方法在土方开挖过程中，当开挖底面标高低于地下水位的基坑(或沟槽)时，由于土的含水层被切断，地下水会不断渗入坑内。地下水的存在，非但土方开挖困难，费工费时，边坡易于塌方，而且会导致地基被水浸泡，扰动地基土，造成工程竣工后建筑物的不均匀沉降，使建筑物开裂或破坏。因此，基坑槽开挖施工中，应根据工程地质和地下水文情况，采取有效地降低地下水位措施，使基坑开挖和施工达到无水状态，以保证工程质量和工程的顺利进行。基坑、沟槽开挖时降低地下水位的方法很多，一般有设各种排水沟排水和用各种井点系统降低地下水位两类方法，其中以设明(暗)沟、集水井排水为施工中应用最为广泛、简单、经济的方法，各种井点主要应用于大面积深基坑降水。1.1.1.集水坑排水法一、排水方法集水坑排水的特点是设置集水坑和排水沟，根据工程的不同特点具体有以下几种方法：1明沟与集水井排水 2分层明沟排水 3深层明沟排水。4暗沟排水5利用工程设施排水二、排水机具的选用 基坑排水广泛采用动力水泵，一般有机动、电动、真空及虹吸泵等。选用水泵类型时，一般取水泵的排水量为基坑涌水量的1.52倍。当基坑涌水量Q<20m3h，可用隔膜式泵或潜水电泵；当Q在20-60m3h，可用隔膜式或离心式水泵，或潜水电泵；当Q>60 m3h，多用离心式水泵。隔膜式水泵排水量小，但可排除泥浆水，选择时应按水泵的技术性能选用。当基坑涌水量很小，亦可采用人力提水桶、手摇泵或水龙车等将水排出。1.1.2.       井点降水法在地下水位以下的含水丰富的土层中开挖大面积基坑时，采用一般的明沟排水方法，常会遇到大量地下涌水，难以排干；当遇粉、细砂层时，还会出现严重的翻浆、冒泥、流砂现象，不仅使基坑无法挖深，而且还会造成大量水土流失，使边坡失稳或附近地面出现塌陷，严重时还会影响邻近建筑物的安全。当遇有此种情况出现，一般应采用人工降低地下水位的方法施工。人工降低地下水位，常用的为各种井点排水方法，它是在基坑开挖前，沿开挖基坑的四周、或一侧、二侧埋设一定数量深于坑底的井点滤水管或管井，以总管连接或直接与抽水设备连接从中抽水，使地下水位降落到基坑底0.51.0m以下，以便在无水干燥的条件下开挖土方和进行基础施工，不但可避免大量涌水、冒泥、翻浆，而且在粉细砂、粉土地层中开挖基坑时，采用井点法降低地下水位，可防止流砂现象的发生；同时由于土中水分排除后，动水压力减小或消除，大大提高了边坡的稳定性，边坡可放陡，可减少土方开挖量；此外由于渗流向下，动水压力加强重力，增加土颗粒间的压力使坑底土层更为密实，改善了土的性质；而且，井点降水可大大改善施工操作条件，提高工效加快工程进度。但井点降水设备一次性投资较高，运转费用较大，施工中应合理地布置和适当地安排工期，以减少作业时间，降低排水费用。井点降水方法的种类有：单层轻型井点、多层轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点、深井井点、无砂混凝土管井点以及小沉井井点等。可根据土的种类，透水层位置，厚度，土层的渗透系数，水的补给源，井点布置形式，要求降水深度，邻近建筑、管线情况，工程特点，场地及设备条件以及施工技术水平等情况，作出技术经济和节能比较后确定，选用一种或两种，或井点与明排综合使用。表1为各种井点适用的土层渗透系数和降水深度情况。可供选用参考。 表1各种井点的适用范围项次井点类别土层渗透系数（m/d）降低水位深度（m）1单层轻型井点0.5503-62多层轻型井点0.5506-123喷射井点0.128204电渗井点<0.1根据选用的井点确定5管井井点20-200356探井井点5-25>15注：无砂混凝土管井点、小沉井井点适用于土层渗透系数10-250md，降水深度5-10m。1.2.       边坡稳定开挖基坑时，如条件允许可放坡开挖，与用支护结构支挡后垂直开挖比较，在许多情况下放坡开挖比较经济。放坡开挖要正确确定土方边坡，对深度5m以内的基坑，土方边坡的数值可从有关规范和文献上查出，对深基坑的土方边坡，有时则需通过边坡稳定验算来确定，否则处理不当就会产生事故。我国在深基坑边坡开挖方面发生过一些滑坡事故，有的虽然未滑坡，但产生了过大的变形，影响施工正常进行。对于有支护结构的深基坑，在进行整体稳定验算时，亦要用到边坡稳定验算的知识。从理论上说，研究土体边坡稳定有两类方法，一是利用弹性、塑性或弹塑性理论确定土体的应力状态，二是假定土体沿着一定的滑动面滑动而进行极限平衡分析。第一类方法对于边界条件比较复杂的土坡较难以得出精确解，国内外许多人在这方面进行不少研究工作，也取得一些进展，近年来还可采用有限单元法，根据比较符合实际情况的弹塑性应力应变关系，分析土坡的变形和稳定，一般称为极限分析法。第二类方法是根据土体沿着假想滑动面上的极限平衡条件进行分析，一般称为极限平衡法。在极限平衡法中，条分法由于能适应复杂的几何形状、各种土质和孔隙水压力，因而成为最常用的方法。条分法有十几种，其不同之处在于使问题静定化所用的假设不同，以及求安全系数方程所用的方法不同。1.3.基坑土方开挖 高层建筑基坑工程的土方开挖，在设法解决了地下水和边坡稳定问题之后，还要解决土方如何开挖的问题，即选用什么方法、什么机械、如何组织施工等一系列问题。 在基坑土方开挖之前，要进行详细的施工准备工作，在开挖施工过程中要考虑开挖方法和人工开挖和机械开挖的配合问题，开挖后还要考虑对一些特殊地基的地基处理问题。 1.3.1.施工准备工作基坑开挖的施工准备工作一般包括以下几方面内容：1查勘现场，摸清工程实地情况。2按设计或施工要求标高整平场地。3做好防洪排洪工作。4设置测量控制网。5设置就绪基坑施工用的临时设施。 1.3.2.       机械和人工开挖在开挖施工过程中人工开挖和机械开挖的配合问题一般要遵循以下几条原则和方法：1对大型基坑土方，宜用机械开挖，基坑深在5m内，宜用反铲挖土机在停机面一次开挖，深5m以上宜分层开挖或开沟道用正铲挖土机下入基坑分层开挖，或设置钢栈桥，下层土方用抓斗挖土机在栈桥上开挖，基境内配以小型推土机堆集土。对面积很大、很深的设备基础基坑或高层建筑地下室深基坑，可采用多层同时开挖方法，土方用翻斗汽车运出。2为防止超挖和保持边坡坡度正确，机械开挖至按近设计坑底标高或边坡边界，应预留8050cm厚土层，用人工开挖和修坡。3人工挖土，一般采取分层分段均衡往下开挖，较深的坑(槽)，每挖1m左右应检查边线和边坡，随时纠正偏差。4对有工艺要求，深入基岩面以下的基坑，应用边线控制爆破方法松爆后再挖，但应控制不得震坏基岩面及边坡。5如开挖的基坑(槽)深于邻近建筑基础时，开挖应保持一定的距离和坡度，以免在施工时影响邻近建筑基础的稳定。如不能满足要求，应采取在坡脚设挡墙或支撑进行加固处理。6挖土时注意检查基坑底是否有古墓，洞穴，暗沟或裂隙、断层(对岩石地基)存在，如发现迹象，应及时汇报，并进行探查处理。7弃土应及时运出，如需要临时堆土，或留作回填土，堆土坡角至坑边距离应按挖坑深度，边坡坡度和土的类别确定，干燥密实土不小于3m，松软土不小于5m。8基坑挖好后，应对坑底进行抄平，修整。如挖坑时有小部分超挖，可用素土、灰土或砾石回填夯实至与地基土基本相同的密实度。9为防止坑底扰动，基坑挖好后应尽量减少暴露时间，及时进行下一道工序的施工，如不能立即进行下一工序时，应预留1530cm厚覆盖土层，待基础施工时再挖去。1.3.3.地基局部处理 对于基坑开挖过程中或开挖后遇到特殊地基问题要进行地基局部处理，以下介绍了几种特殊地基的局部处理方法。一、坑(填土，淤泥，墓穴)的处理1 若松土坑在基槽中，且较小时， 将坑中软弱虚土挖除，使坑底见天然土为止，然后采用与坑底的天然土压塑性相近的土抖回填，当天然土为砂土时，用砂或级配砂回填，天然土为较密实的粘性土，则用3:7灰土分层夯实回填，天然土为中密可塑的粘性土或新近沉积粘性土，可用1:9或2:8灰土分层夯实回填。2 若松土境较大且超过基槽边沿时，因各种条件限制，坑(槽)壁挖不到天然土层时，可将该范围内的基槽适当加宽，用砂土或砂石回填时，基槽每边均应按l1:h1=1:1坡度放宽，用l:9或2:8灰土回填时，基槽每边均应按l1:h1=0.5:1坡度放宽，用3:7灰土回填时，如坑的长度2m，基槽可不放宽，但灰土与槽壁接触处应夯实。3 若松土坑较大且长度超过5m时，将坑中软弱土挖去，如坑底土质与一般槽底土质相同，可将基础落深，做1:2踏步与两端相接，每步不高于50cm，长度不小子100cm，如深度较大，用灰土分层回填夯实至坑(槽)底一平。4 若松土坑较深，且大于槽宽或1.5m时，槽底处理完后，还应适当考虑是否需要加强上部结构的强度，常用的加强办法是；在灰土基础上l2皮砖处（或混凝土基础内）、防潮层下12皮砖处及首层顶板处各配置34根812钢筋，跨过该松土坑两端各1m。5 对地下水位较高的松土坑，将坑(槽)中软弱的松土挖去后，再用砂土或混凝土回填二、井或土井的处理1水井，在基础附近将水位降低到可能限度，用中，粗砂及块石，卵石或碎砖等夯填到地下水位以上50cm如有砖砌井圈时，应将砖井圈拆除至坑（槽）底以下1m或更多些， 然后用素土或灰土分层夯实回填至基底(或地坪底)。2 桔井在距基础边沿5m以内，先用素土分层夯实，回填到地坪下1.5m处，将井壁四周砖圈拆除或松软部分挖去，然后用素土或灰土分层夯实回填。3 枯井在基础下，条形基础3B或柱基2B范围内先用素土分层夯实，回填到基础底下2m处，将井壁四周较软部分挖去，有砖井圈时，将砖按规定拆除，热后用素土或灰土分层夯实回4 井在房屋转角处，但基础压在井上部分不多时 除按以上办法回填处理外，还应对基础加强处理，如在上部设钢筋混凝土板跨越。当影响不大时，可采用从基础中挑梁的办法。5 井在房屋转角处，且基础压在井上部分较多用挑梁的办法较困难或不经济时，则可将基础沿墙长方向向外延长出去，使延长部分落在天然土上，并使落在天然土上的基础总面积，不小于井圈范围内原有基础的面积，同时在墙内适当配筋或用钢筋混凝土梁加。6 井巳淤填，但不密实可用大块石将下面软土挤紧，再用上述办法回填处理，若井内不能夯填密实时，则可在井砖圈上加钢筋混凝土盖封口，上部再回填处。三、局部软硬(高差)地基的处理1若基础下局部遇基岩、旧墙基、老灰土、大块石或构筑物 尽可能挖除，以防建筑物由于局部落于较硬物上造成不均匀沉降而建筑物开裂，或将坚硬物凿去3050cm深，再回填土砂混合物夯实。2若基础部分落于基岩或硬土层上，部分落于软弱土层上。 采取在软土层上作混凝土或砌块石支承墙(或支墩)，或现场灌注桩直至基岩。基础底板配适当钢筋，或将基础以下基岩凿去3050cm深，填以中、粗砂或土砂混合物作垫层，使能调整岩土交界部位地基的相对变形，避免应力集中出现裂缝，或采取加强基础和上部结构的刚度、来克服地基的不均匀变形。3若基础落于高差较大的倾斜岩层上，部分基础落于基岩上，部分基础悬空。 则应在较低部分基岩上作混凝土或砌块石支承墙(墩)，中间用素土分层夯实回填，或将较高部分岩层凿去、使基础底板落在同一标高上，或在较低部分基岩上用低标号混凝土或毛石混凝土填充。四、橡皮土，古河、古湖泊的处理1橡皮土处理：地基局部含水量很大趋近于饱和，夯拍后使地基土变成有颤动感觉的“橡皮土”。地基处理方法避免直接夯拍，可采用晾槽或掺石灰粉的办法降低土的含水量。如已出现橡皮土，可铺填一层碎砖或碎石将土挤紧，或将颤动部分的土挖除，填以砂土或级配砂石夯实。2天然古河、古湖泊处理 根据其成因，有年代久远经过长期大气降水及自然沉实，土质较为均匀、密实，含水量20%左右，含杂质较少的古河、古湖泊。有年代近的土质结构较松散，含水量较大的、含较事碎块，有有机物的古河、古湖泊对年代久远的古何，古湖泊，土的承载力不低于相接天然土的，可不处理对年代近的古河、古湖泊则应将松散含水量大的土挖除，视情况用素土或灰土分层夯实，或采用加固地基的措施。3人工古河，古湖泊处理分老填土和薪填土，老填土为长期生括填积而成，内含有砖瓦碎块，草木灰等杂物，土质较均匀、密实，稳定。新填土形成时间短，沉降未稳定，土中含有较多的砖瓦碎块、草木灰，炉渣譬，结构松散不均匀，含水量一般大于20%。老填土如承量力不低于同一地区天然土，可不予处理。新填土要将填土挖除，用素土或灰土分层夯实回填，或采用加固地基的措施。五、流砂的处理 流砂现象，形成原因及处理方法基坑开挖深于地下水位0.5m以下时，在坑内抽水，有时坑底的土会成流动状态，随地下水涌起，边挖边冒，无法挖深的现象称为流沙，当坑外水位高于坑内抽水后的水位，坑外水压向境内移动的动水压力大于土颗粒的浸水浮重时，使土粒悬浮失去稳定，随水冲入坑内，从坑底涌起或两侧涌入，变成流动状态。如施工时强挖，抽水愈探，动水压力就愈大，流砂就愈严重。产生流砂的条件是，水力坡度愈大或砂土空隙度愈大，愈易形成流砂，砂土的渗透系数愈小，排水性能愈差时，愈易形成流砂，砂土中含有较多的片状矿物，如云母、绿泥石等，易形成流砂。采取措施的方法是“减小或平衡动水力”，使坑底土颗粒稳定，不受水压干扰。常用处理方糖有，a安排在枯水期施工，使最高的地下水位不高于坑底0.5m；b. 采取水中挖土，即不抽水或少抽水，使基坑内水压与坑外水压基本平衡，缩小水头差距；c. 对于较重要或流砂严重的工程，可采用井点人工降低地下水位方法，将基坑和附近的地下水位降低至坑底以下，使坑底土面保持无水状态；d. 沿基坑周围打板桩，使深入到不透水层，以阻挡坑外水向坑内压入，减小坑内动水压力涌上。1.4.       基坑支护体系的选型作为保证基坑开挖稳定的支护体系包括挡墙和支撑两部分，其中挡墙的主要作用是挡土，而支撑的作用是保证结构体系的稳定，若挡墙结构足够强，能够满足开挖施工稳定的要求，该支护体系中可以不设支撑构件，否则应当增加支撑构件（或结构）。对于支护体系组成中任何一部分的选型不当或产生破坏，都会导致整个支护体系的失败。因此，对挡墙和支撑都应给予足够的重视。1.4.1.       挡墙的选型工程中常用的挡墙结构有下列一些型式：1 钢板桩2 钢筋棍凝土板桩3 钻孔灌注桩挡墙4 H型钢支柱(或钢筋混凝土桩支柱)、木挡板支护墙5 地下连续墙6 深层搅拌水泥土桩挡墙7 旋喷桩帷幕墙除上述者外，还有用人工挖孔桩(我国南方地区应用不少)、预制打入钢筋混凝土桩等作为支护结构挡墙的。支护体系挡墙的选型，涉及技术因素和经济因素，要从满足施工要求、减少对周围的不利影响、施工方便、工期短、经济效益好等几方面，并经过技术经济比较后方可加以确定，而且支护结构挡墙选型要与支撑选型、地下水位降低、挖土方案等配套研究确定。1.4.2.       支撑结构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：基坑内支撑和基坑外拉锚。基坑外拉锚又分为顶部拉锚与土层锚杆拉锚，前者用于不太深的基坑，多为钢板桩，在基坑顶部将钢板桩挡墙用钢筋或钢丝绳等拉结锚固在一定距离之外的锚桩上。土层锚杆锚固多用于较深的基坑，具体详见“土层锚杆”一章。以下为常用的几种支撑形式：1 锚拉支撑2 斜柱支撑3 短桩横隔支撑4 钢结构支护5 地下连续墙支护6 地下连续墙锚杆支护7 挡土护坡桩支撑8 挡土护坡桩与锚杆结合支撑9板桩中央横顶支撑10 板桩中央斜顶支撑11 分层板桩支撑1.5.       挡土支护结构体系计算由于土体结构的复杂性及土参数的离散性或不确定性，使得挡土支护结构体系承受的荷载的分布规律比较复杂，因此要想达到跟上部结构相同的计算精度是比较困的，难甚至说是不可能的。近年来各国都有不同的计算方法和规范规定，但计算方法差异很大，用不同的计算方法，对挡土结构如桩长，弯距，拉杆荷载等计算，其结果相差可达50，因为挡土结构的计算，不但涉及到计算理论和计算方法，还涉及到土的性质，水位高低，挖土深度，地面荷载和邻近建筑物等诸多因素，设计计算是比较复杂的。在我国还没有设计计算规范，因此，一个比较安全、稳定、经济合理的挡土支护设计，必须要求设计人员研究各种客观条件，掌握一些经验资料和试验研究资料，综合运用计算理论和方法来进行设计，就能得到比较合理的结果。1.6.       钢板桩结构施工钢板桩作为建造水上、地下构筑物或基础，施工中的围护结构。由于它具有强度高，结合紧密、不漏水性好，施工简便，速度快，可减少基坑开挖土方量，对临时工程可以多次重复使用等特点，因而广泛用于地下深基础作防水、围堰，坑壁支撑。1.6.1.       钢板桩的型式及适用范围钢板桩基本上分为平板型和波浪型两类，每类又有多种。平板型板桩墙防水和承受轴向力的性能良好，易于打人土中，但侧向的抗弯强度较低，仅用于地基土质较好、基坑深度不大的工程上，深度较大的基坑应用防水和抗弯性能较好的波浪型或组合式截面的钢板桩。每块钢板桩的两侧边缘都作成相互连锁的型式，使相邻的桩与桩之间彼此紧密结合。锁口有互握式和握裹式两种，互握式锁口间隙较大，其转角可达24º，可构成曲线形的板桩墙，同时不透水性较好，握裹式锁口较紧密，转角只允许1015º。 钢板桩运到现场后，应进行检查、分类，编号。钢板桩锁口应以一块长约1.52.0m，而锁口合乎标准的同型板桩做通过检查，凡锁口不合，应进行修正合格后再用。 板桩根据有无锚碇结构，又分无锚板桩和有锚板桩两类。无锚板桩用于较浅基坑，依靠入土部分的土压力维持板桩的稳定，有锚板桩是在上部用外侧拉锚或内侧支撑加以固定的。1.6.2.       打桩机械设备选择打钢板桩所用机械的选择与其他桩施工相似。但以采用三支点导杆式履带打桩机较为理想，因它稳定性好，行走方便、导杆可作水平，垂直和前后调节，便于每块板桩随时校正。 桩锤应根据板桩打入阻力进行选择。由于板桩有端部阻力、侧面摩擦力和锁口阻力等，这些都会消耗一部分锤击能量，因此桩锤不宜选择过重，否则桩头部因过大锤击力而引起纵向弯曲，使板桩打入困难。锤重一般约为钢板桩重量的两倍。桩锤常用的有落锤、蒸汽锤，柴油锤和振动锤等。振动锤是以振动体上下振动而使板桩沉入，贯人效果好，但振动会使钢板桩锁口的咬合和周围土体受到影响。桩锤选择还应考虑锤体外形尺寸，其宽度不大于组合打入块数的宽度之和。1.6.3.       打桩方式的选择打桩方式通常有表2所示几种。钢板桩打设方式选择 表21.6.4.       钢板桩的打设1打设前的准备工作 (1)钢板桩准备 (2)围檩支架安装 (3)转角桩的制作 2打桩流水段的划分 封闭式板桩施工，要解决的重要矛盾是不用异形桩而能实现封闭合拢。选择的流水段越长，则合拢点越少，其累积偏差也就越大，轴线位移相应也大，为了减少打入累积偏差和使轴线位移正确，应采用缩短流水线长度，增加合拢点，同时采取先边后角的打法，可保证端面相对距离，不影响墙内围檩支撑的安装精度，对于打桩累积偏差可在转角外作轴线修正。3钢板桩打设先用吊车将钢板桩吊至插桩点进行插桩，插桩时锁口对准，每插入一块即套上桩帽(图1-29)上端加硬木垫，轻轻锤击数下，为保证桩的垂直度，应用两台经纬仪加以控制。为防止锁口中心线平面位移，可在打桩行进方向的钢板桩锁口处设卡板，阻止板桩位移，同时在围檩上预先标出每块钢板桩的位置，以便随时检查纠正。打桩开始的一、二块钢板桩的打设位置和方向要确保精度，以起导向样板的作用，故每人土1m测量一次，打至预定深度后立即用钢筋或钢板与围檩支架临时电焊固定。钢板桩打人时如出现倾斜和锁口结合部有空隙，到最后封闭合拢时有偏差，一般用异形桩(上宽下窄或宽度大于或小于标准宽度的板桩)，当异形桩加工困难时，则用轴线修正法进行而不用异形桩。4钢板桩施工常遇问题的分析及处理。钢板桩施工中经常会遇到倾斜、扭转、共连和水平伸长等问题，对于这些问题的处理方法如下：（1）倾斜（板桩头部向桩行进方向倾斜），产生的主要原因是由于打桩行进方向板桩惯入阻力小。可采用用钢丝绳拉住桩身，边拉边打，逐步纠正的处理方法，同时在施工过程中要用仪器随时检查、控制和纠正。（2）扭转，该现象产生的主要原因是因为钢板桩之间的连接采用的是铰接锁口，防止这种现象的方法是)在打桩行进方向用卡板锁住板桩的前锁口，在钢板桩与围檩之间的两边空隙内，设一只定榫滑轮支架，制止板桩下沉中的转动，在两块板桩锁口扣搭处的两边，用垫铁和木榫填实。（3）共连（打板桩时和已打入的邻桩一起下沉），该现象产生的原因是钢板桩倾斜弯曲，使槽口阻力增加，处理措施是及时纠正发生板桩倾斜，把发生共连的桩和其它已打好的桩一块或数块用角铁电焊临时固定。（4）水平伸长(沿打桩行进方向长度增加)，该现象主要是由于钢板桩锁口扣搭处有1cm空隙，因此该现象属正常现象，但设计时要考虑水平伸长值，可在轴线修正时加以纠正。1.7.       支护结构的监测支护结构的设计，虽然根据地质勘探资料和使用要求进行了较详细的计算，但由于土层的复杂性和离散性，勘探提供的数据常难以代表土层的总体情况，土层取样时的扰动和试验误差亦会造成偏差；荷载和设计计算中的假定和简化会造成误差；挖土和支撑装拆等施工条件的改变，突发和偶然情况等随机因素等亦会造成误差。为此，支护结构设计计算的内力值与结构的实际工作状况往往难以准确的一致。所以，在基坑开挖与支护结构使用期间，对较重要的支护结构需要进行监测，通过对支护结构和周围环境的监测，能随时掌握土层和支护结构的变化情况，以及邻近建筑物、地下管线和道路的变形情况，将观测值与设计计算值对比和进行分析，随时采取必要的技术措施，以保证在不造成危害的条件下安全的进行施工。支护结构和周围环境的监测的重要性，正被越来越多的建设和施工单位所认识，它作为基坑开挖和支护结构工作期间的一项技术，已被列入支护结构设计。1.7.1.       支护结构监测项目与监测方法基坑和支护结构的监测项目，根据支护结构的重要程度、周围环境的复杂性和施工的要求而定。要求严格则监测项目增多，否则可减之，表3所列的监测项目为重要的支护结构所需监测的项目，对其他支护结构可参照之增减。高层建筑施工辅导材料：第三章 土层锚杆【内容提要和学习指导】1.1.       土层锚杆的发展与应用土层锚杆(亦称土锚)是一种新型的受拉杆件，它的一端与支护结构等联结，另一端锚固在土体中，将支护结构和其他结构所承受的荷载（侧向的土压力、水压力以及水上浮力和风力带来的倾覆力等）通过拉杆传递到处于稳定土层中的锚固体上，再由锚固体将传来的荷载分散到周围稳定的土层中去。锚杆打入地下后，为了发挥锚杆钢索应力、减少变形，可采用预加应力的方法，同时打入地下的锚杆通过早期张拉，对地基锚杆预加应力也是对锚杆在土层中或岩层中的一次荷载试验。土层锚杆是在岩石锚杆的基础上发展起来的，1958年原联邦德国的KarlBauer公司在深基坑开挖中，为固定挡土墙首次在非粘性土层中采用了土层锚杆。土层锚杆技术近三十年来得到迅猛的发展，目前它已成为现代建筑技术的重要组成部分。现代的土层锚杆技术已能施工长达50m的锚杆，在粘性土中最大锚固力可达1000kN，在非粘性土中可达2500kN。随着我国工程建设的不断发展，深基础工程日渐增多。尤其是当深基坑邻近已有建筑物和构筑物、交通干线或地下管线时，深基坑难以放坡开挖，或基坑宽度较大、较深，对支护结构采用内支撑的方法不经济或不可能。在这种情况下采用土层锚杆支承支护结构(钢板桩、地下连续墙、灌注桩等)，维护深基坑的稳定，对简化支撑、改善施工条件和加快施工进度能起很大的作用。我国除了在湘黔铁路和北京、天津的地下铁道施工中应用过土层锚杆外，在高层建筑等深基础工程施工中的应用日渐增多，取得了较好的效果，曾被我国建设部列为“八五”科技成果推广计划重点项目。土层锚杆的应用由非粘性土层发展到粘性土层。在高含水量、高压缩性的松散粘土层中是否能够应用，一直是大家关心的问题。我国沿海一带多为冲积性平原，土层以淤泥质粘土和粉质粘土为主，含水量往往高达4060以上，呈软塑甚至流塑状态，在这样的土层中可否应用土层锚杆，过去没有先例。近年来，我国经过试验研究，已初步掌握了在这种软粘土中的土层锚杆的承载能力和施工工艺，并成功地应用于工程建设中，对发展土层锚杆技术做出于贡献。1.2.       土层锚杆的构造1.2.1.        锚杆的类型锚杆用于地基有三种基本类型。第一种类型锚杆由圆柱形注浆体和钢筋或钢索构成，如图1(a)所示，孔内注水泥浆，水泥砂浆或其他化学注液。适用于拉力不高，临时性锚杆以及岩石性锚杆。图1 三种锚杆类型 第二种锚杆类型为扩大的圆柱体，注入压力灌浆液而形成，适用于粘性土和无粘性土，当拉力要求较大时采取较高的压力进行注浆。在粘性土中形成较小扩大区，在无粘性 土中，可得到较大扩大区。如图1(b)所示。 第三种锚杆类型是采用特殊的扩孔装置在孔眼内长度方向扩1个或几个扩孔圆柱体 如图1(c)所示。这类锚杆要有特制机械扩孔装置，通过中心杆压力将扩张式刀具缓缓张开刮土。在粘性土和砂土中都适用，可以达到较高的拉拢力。1.2.2.        锚杆构造1锚杆的组成 锚杆由锚头、钢拉杆(钢索)、塑料套管定位分隔器(钢铰线用)以及水泥砂浆等组成，它与挡土桩墙联结构成支护结构，图2为锚杆与地下墙联结构造图。图2锚杆构造图2锚杆的锚头，钢材及附件 锚杆的钢材分粗钢筋，钢管及钢铰线，统称钢索，一般要求材料强度高。在钢索全长分自由段与锚固段，自由段的钢索套塑料管以保证张拉时钢索能自由伸长。锚固段内要求灌浆或压力灌浆密实，与钢索有足够的握裹力。粗钢筋的锚头如图3所示，钢铰线的锚头如图4所示。用于钢铰线的定位分隔器如图5。 图3钢筋锚杆头装置； 图4多根钢束锚杆头装置； 图5定位分隔器。1.3.       土层锚杆设计土层锚杆由于涉及钢材、水泥和土体三种材料，其承载能力与施工因素密切有关，因此按照弹塑性理论和土力学原理进行精确的设计计算是十分复杂的，且与实际情况有出入，所以一般还是根据经验数据进行设计，然后通过现场试验进行检验。土层锚杆设计要考虑的问题包括：锚杆布置；锚杆承载能力；锚杆的整体稳定性；锚杆尺寸确定等。1.3.1.        锚杆布置锚杆布置包括锚杆埋置深度、锚杆层数，锚杆的垂直间距和水平间距，锚杆的倾斜角，锚杆的长度等。(1)锚杆的埋置深度应保证不使锚杆引起地面隆起和地面不出现地基的剪切破坏，最上层锚杆的上面需要有一定的覆土厚度，一般覆土厚度不小于45m。(2)锚杆的层数应通过计算确定，一般上下层间距为25m，锚杆的水平间距多为14.5m，或控制在锚固体直径的10倍。(3)锚杆的倾角为了受力和灌浆施工方便，不宜小于12.5°，一般与水平成15°25°倾斜角。(4)锚杆的长度根据需要而定，一般要求锚固体置于滑动土体以外的好土层内，通常长度为1525m，单杆锚杆最大长度不超过30m，锚固体长度一般为57m。 锚杆设置时应注意以下几点： (1)土层锚杆的允许拉力与土层好坏关系很大，在硬土层内最大拉力可达1500kN，在一般粘性土或非粘性土中，单锚拉力约为300600kN， 因此锚杆的锚固层应尽量设置在良好的土层内。设置前，应对地基土的土层构成，土的性质，地下水情况进行详细勘察，不允许将锚固层设置在有机土层或液性指数IL<0.9或液限wL>50的粘土地基，或相对密度Dr<0.3的松散地层内； (2)在允许情况下尽量采用群锚，避免用单根锚杆； (3)各个部分的锚杆都不得密接或交叉设置； (4)锚杆要避开邻近的地下构筑物和管道； (5)土层锚杆非锚固段部分，要保证不与周围土体粘结，以便当土滑动时，能够自由伸长，而不影响锚杆的承载能力； (6)在有腐蚀性介质作用的土层内，锚杆应进行防腐。1.3.2.        锚杆的承载能力锚杆的承载能力即极限抗拔力。根据锚杆拉力的传递方式，锚杆的承载能力通常取决于：拉杆的极限抗拉强度；拉杆与锚固体之间的极限握裹力；锚固体与土体间的极限侧阻力。由于拉杆与锚固体之间的极限握裹力远大于锚固体与土体之间的极限侧阻力，所以在拉杆选择适当的前提下，锚杆的承载能力主要取决于后者。1.3.3.        锚杆的整体稳定性 进行土层锚杆设计时，不仅要研究土层锚杆的承载能力，而且要研究支护结构与土层锚杆所支护土体的稳定性，以保证在使用期间土体不产生滑动失稳。土层锚杆的稳定性，分为整体稳定性和深部破裂面稳定性两种，其破坏形式如图6所示，需分别予以验算。图6 土层锚杆的失稳(a)整体失稳：(b)深部破裂面破坏整体失稳时，土层滑动面在支护结构的下面，由于土体的滑动，使支护结构和土层锚杆失效而整体失稳。对于此种情况可按土坡稳定的验算方法进行验算。深部破裂面在基坑支护结构的下端处，这种破坏形式是前联邦德国的E.Kranz于1953年提出的，可利用Kranz的简易计算法进行验算。1.3.4.        土层锚杆的蠕变与松弛 (一)土层锚杆的蠕变用于锚固支护结构的土层锚杆，始终承受接近恒载的拉力，土层锚杆的变形一直在发展，这就是土层锚杆的蠕变。在实际工程中，需要了解土层锚杆的蠕变性能，因为土层锚杆的蠕变是收敛还是发散，决定了支护结构的安危。尤其是对于软土地基，土的蠕变大，土层锚杆的蠕变就成为突出的问题。 土层锚杆的蠕变主要由下述四部分组成：自由段钢拉杆的伸长s，一般为弹性变形，可由胡克定律求得；锚固体的伸长a，荷载较小时表现为弹性变形，当荷载较大时，锚固体产生细微裂缝，即表现为塑性变形。锚固体由钢拉杆与砂浆(水泥浆)组成，要考虑两种材料的共同作用；锚固体周围土体在一定范围内的剪切变形，荷载很小时为弹性变形，荷载较大时为塑性变形并伴随有粘性流变；锚固体与土体之间的相对滑动s，该滑动变形只有当土层锚杆接近破坏时才产生，一旦产生就表现为塑性变形，这种变形一般不允许产生。因此土层锚杆的蠕变，表现为弹性、塑性和粘性流变之和，是一个较为复杂的理论问题。 (二)土层锚杆的松弛土层锚杆的松弛也是应该研究的一个问题，它有很大的实用性，特别是对于需要施加预应力的土层锚杆，当施加预应力张拉到一定荷载后将其锚固，随着时间的推移，土层锚杆锚头的变形保持不变，而锚杆内的内力却随时间面递减。 对土层锚杆施加预应力一般有三个目的：通过张拉使自由段的钢拉杆产生弹性伸长，对锚固体产生预应力，以限制锚固土层的变形；通过施加预应力对土层锚杆进行试验，可以揭示设计和施工中的差错；证实土层锚杆的适用性，预测其工作状况，检验土层锚杆与板桩等支护结构协同工作的情况。因此，在我国使用的土层锚杆中，施加预应力的占较大的比重。对土层锚杆宜施加多大的预应力值，是应该研究的一个问题，因为它与松弛损失的大小有关。试验证明，施加的预应力值愈高，松弛引起的荷载损失也愈大，稳定荷载占原荷载的百分数也愈低。1.4.       土层锚杆施工 土层锚杆施工，包括钻孔、安放拉杆、灌浆和张拉锚固。在正式开工之前还需进行必要的准备工作。1.4.1.        施工准备工作 在土层锚杆正式施工之前，一般需进行下列准备工作： (1)土层锚杆施工必须清楚施工地区的土层分布和各土层的物理力学特性。 (2)要查明土层锚杆施工地区的地下管线、构筑物等的位置和情况，慎重研究土层锚杆施工对它们产生的影响。 (3)要研究土层锚杆施工对邻近建筑物等的影响。 (4)要编制土层锚杆施工组织设计。 一些特殊的土层锚杆，施工前还可能另有其他的要求，都应详尽地做好准备工作。1.4.2.        钻孔 土层锚杆的钻孔工艺，直接影响土层锚杆的承载能力、施工效率和整个支护工程的成本。钻孔的费用一般占成本的30以上，有时甚至超过50。钻孔时注意尽量不要扰动土体，尽量减少土的液化，要减少原来应力场的变化，尽量不使自重应力释放。土层锚杆的成孔设备，国外一般采用履带行走全液压万能钻孔机，孔径范围50320mm，具有体积小，使用方便，适应多种土层，成孔效率高等优点。国内使用的有螺旋式钻孔机、冲击式钻孔机和旋转冲击式钻孔机，亦有的采用改装的普通地质钻机成孔。在黄土地区亦可采用洛阳铲形成锚杆孔穴，孔径7080mm。1.4.3.        安放拉杆 土层锚杆用的拉杆，常用的有钢管(钻杆用作拉杆)、粗钢筋、钢丝束和钢绞线。主要根据土层锚杆的承载能力和现有材料的情况来选择。承载能力较小时，多用粗钢筋；承载能力较大时，我国多用钢绞线。1.4.4.        压力灌浆 压力灌浆是土层锚杆施工中的一个重要工序。施工时，应将有关数据记录下来，以备将来查用。灌浆的作用是；形成锚固段，将锚杆锚固在土层中；防止钢拉杆腐蚀；充填土层中的孔隙和裂缝。 灌浆的浆液为水泥砂浆(细砂)或水泥浆。水泥一般不宜用高铝水泥，由于氯化物会引起钢拉杆腐蚀，因此其含量不应超过水泥重的0.1。由于水泥水化时会生成SO3，所以硫酸盐的含量不应超过水泥重的4。我国多用普通硅酸盐水泥。 拌合水泥浆或水泥砂浆所用的水，一般应避免采用含高浓度氯化物的水，因为它会加速钢拉杆的腐蚀。若对水质有疑问，应事先进行化验。选定最佳水灰比亦很重要，要使水泥浆有足够的流动性，以便用压力泵将其顺利注入钻孔和钢拉杆周围。同时还应使灌浆材料收缩小和耐久性好，所以一般常用的水灰比为0.40.45。 灌浆方法有一次灌浆法和二次灌浆法两种。一次灌浆法只用一根灌浆管，利用泥浆泵进行灌浆，灌浆管端距孔底20cm左右，待浆液流出孔口时，用水泥袋纸等捣塞人孔口，并用湿粘土封堵孔口，严密捣实，再以24MPa的压力进行补灌，要稳压数分钟灌浆才告结束。 二次灌浆法要用两根灌浆管(直径34in镀锌铁管)，第一次灌浆用灌浆管的管端距离锚杆末端50cm左右，管底出口处用黑胶布等封住，以防沉放时土进入管口。第二次灌浆用灌浆管的管端距离锚杆末端100cm左右，管底出口处亦用黑胶布封位，且从管端50cm处开始向上每隔2m左右作出lm长的花管，花管的孔眼为8mm，花管做几段视锚固段长度而定。 第一次灌浆是灌注水泥砂浆，其压力为0.30.5MPa，流量为100Lmin。水泥砂浆在上述压力作用下冲出封口的黑胶布流向钻孔。钻孔后曾用清水洗孔，孔内可能残留有部分水和泥浆，但由于灌人的水泥砂浆相对密度较大，能够将残留在孔内的泥浆等置换出来。第一次灌浆量根据孔径和锚固段的长度而定。第一次灌浆后把灌浆管拔出，可以重复使用。待第一次灌注的浆液初凝后，进行第二次灌浆，控制压力为