土方工程课件——土方边坡与土壁稳定.ppt

1.3土方边坡与土壁稳定,土壁稳定，主要是由土体内摩阻力和粘结力保持平衡，一旦失去平衡，土壁就会塌方。造成土壁塌方的主要原因有：,边坡过陡，使土体本身稳定性不够，尤其是在土质差、开挖深度大的坑槽中，常引起塌方。 雨水、地下水渗入基坑，使土体重力增大及抗剪能力降低，是造成塌方的主要原因。 基坑(槽)边缘附近大量堆土，或停放机具、材料，或由于动荷载的作用，使土体产生的剪应力超过土体的抗剪强度。,1.3.1 土方边坡,1.土方边坡的坡度: 以挖方深度(或填方深度) h与底宽b之比表示(图1.11)，即 土方边坡坡度= h/b=1/(b/h)=1m 式中m=b/h称为边坡系数。,2.注意事项： （1）当地质条件良好、土质均匀且地下水位低于基坑(槽)或管沟底面标高时，挖方边坡可做成直立壁不加支撑，但深度不宜超过下列规定： 密实、中密的砂土和碎石类土(充填物为砂土)：1.0m； 硬塑、可塑的粉土及粉质粘土： 1.25m； 硬塑、可塑的粘土和碎石类土(充填物为粘性土)：1.5m； 坚硬的粘土： 2m。 挖土深度超过上述规定时，应考虑放坡或做成直立壁加支撑。,基坑(槽)或管沟挖好后，应及时进行基础工程或地下结构工程施工。在施工过程中，应经常检查坑壁的稳定情况。 当挖地基坑较深或晾槽时间较长时，应根据实行情况采取护面措施。常用的坡面保护方法有帆布、塑料薄膜覆盖法，坡面拉网法或挂网。 当地质条件良好，土质均匀且地下水位低于基坑(槽)或管沟底面标高时，挖方深度在5m以内且不加支撑的边坡的最陡坡度应符合表1.4规定。,表1.4 深度在5m内的基坑(槽)、管沟边坡的最陡坡度,永久性挖方边坡坡度应按设计要求放坡。临时性挖方的边坡值应符合表1.5的规定。,表1.5 临时性挖方边坡值,挡土结构： （1）重力式：用深层搅拌旋喷工艺，作挡土隔水，深度可达9.8m （2）各种板桩：木板桩、钢筋砼板桩、钢板桩，挡土，有一定的隔水作用 （3）钢筋砼地下连续墙：有现场成槽浇注与成槽插入预制墙，挡土和隔水 （4）就地灌注排桩：接搓不密贴，只起挡土作用 （5）劲性水泥土桩（SMW工法）：水泥排桩中插入型钢，以型钢受力，水泥土作为隔水帷幕 （6）其他挡土结构：喷锚护坡、钢桩插板,1.3.2 土壁稳定,支撑结构： （1）钢支撑：用传统型钢支撑方法 （2）钢筋砼支撑：适应不规则基坑体形，使挖土有较大空间 （3）双向双股复加预应力钢管支撑：双股井字形接头解决传统钢支撑空间小的缺点 （4）土锚杆（土钉）拉锚：挡土结构处侧向向基坑外土体深部打入锚杆，可施加预应力,土壁支撑形式应根据开挖深度和宽度、土质和地下水条件以及开挖方法、相邻建筑物等情况进行选择和设计。,横撑式支撑由挡土板、楞木和工具式横撑组成，用于宽度不大、深度较小沟槽开挖的土壁支撑。 根据挡土板放置方式不同，分为 水平挡土板 垂直挡土板,(1) 横撑式支撑(见图1.12),一. 沟槽支撑,(2) 板桩式支撑 板桩式支撑特别适用于地下水位较高且土质为细颗粒、松散饱和土的支护，可防治流砂现象产生。 一般有木板桩、钢筋砼板桩 、钢板桩,板桩支撑作用： 使地下水在土中的渗流路线延长，减小了动水压力，从而可预防流砂的产生； 板桩支撑既挡土又防水，特别适于开挖较深、地下水位较高的大型基坑； 可以防止基坑附近建筑物基础下沉。,打入板桩的质量要求： 板桩位置在板桩的轴线上，板壁面垂直，保证平面尺寸准确和垂直度； 封闭式板桩墙要求封闭合拢； 埋置达到规定深度要求，有足够的抗弯强度和防水性能。,钢板桩又可分平板桩和波浪式板桩两类。 适用软土、淤泥土， 挖深15m 平板桩(下图(c)防水和承受轴向压力性能良好，易打入地下，但长轴方向抗弯强度较小； 波浪式板桩（下图(b)）的防水和抗弯性能都较好，施工中多采用。,钢板桩施工,钢板桩施工要正确选择打桩方法、打桩机械和流水段划分，以保证打设后的板桩墙有足够的刚度和防水作用。,钢板桩打入法一般分为单独打入法、双层围檩插桩法和分段复打法。 单独打入法适用于桩长小于10m，且工程要求不高的钢板桩支撑施工。,A 选择打桩方法,双层围檩插桩法是在桩的轴线两侧先安装双层围檩(一定高度的钢制栅栏)支架后，将钢板桩依次锁口咬合全部插入双层围檩间。详见图1.14。,分段复打法是在板桩轴线一侧安装好单层围檩支架，将1020块钢板桩拼装组成施工段插入土中一定深度，形成一段钢板桩墙，即屏风墙。详见图1.15。,B 合理划分流水段,施工流水段的划分应使板桩墙面垂直，满足墙面支撑安装要求，有利于封闭合拢，使行车路线短。,C 钢板桩打设准备工作,E 钢板桩的拔除,D 钢板桩的打设,钢板桩、围檩支架的矫正修理 按施工图放板桩的轴线进行测标高，作为控制板桩入土深度的依据。 桩锤不宜过重，以防桩头因过大锤击而产生纵向弯曲。 准确安装好围檩支架。,二. 基坑支护结构,(一)挡土结构：,1.水泥土墙 又称搅拌桩挡墙 ，利用一种特殊的搅拌头或钻头，钻进地基至一定深度后，喷出固化剂，与地基土强行拌和而形成的加固土桩体。 Mixed-In-Place Method MIP(美国) Deep Mixing Method (日本) 固化剂采用水泥或石灰； 适用:加固淤泥质土、粘土； 特点：施工无震动、噪音、无废水泥浆； 坑内无需支撑拉锚，优良的抗渗特性。 支挡高度:国外最大深度60m ，国内1218m；一般为9m;,(1)水泥土墙的结构形式,(2)水泥土墙的构造,4,1,(3)水泥土搅拌桩的施工,水泥土墙按施工机具和方法不同，分为深层搅拌法、旋喷法和粉喷法。,图142 搅拌水泥土墙施工流程 （a）定位；（b）预埋下沉；（c）提升喷浆搅拌；（d）重复下沉搅拌 （e）重复提升搅拌；（f）成桩结束,（4）SMW水泥土墙,SMW挡土墙是先施工水泥土墙，最后按一定的形式在其中插入型钢（如H钢），即形成一种劲性复合围护结构。 止水好，刚度大，构造简单，型钢插入深度一般小于搅拌深度，型钢可回收重复使用，成本较低。 SMW适宜的基坑深度为610m，国外开挖深度已达20m。 要求型钢间距不能过大，保证水泥土的强度由受剪，受压控制。,2土钉墙与喷锚支护 (1)土钉墙支护 土钉墙由被加固土体、放置在土中的土钉体和喷射砼面板组成，形成一个以土挡土的重力式挡土墙。 土钉墙自上而下施工，步步为营，土钉墙是靠土钉的相互作用形成复合整体作用。 土层锚杆的失效影响较大，不应用于没有临时自稳能力的淤泥、饱和软弱土层。 适用:一般粘性土、中密以上砂土挖深15m,(2)土钉墙支护的施工 土钉墙的施工顺序为：按设计要求自上而下分段、分层开挖工作面，修整坡面埋设喷射混凝土厚度控制标志，喷射第一层混凝土钻孔，安设土钉钢筋注浆，安设连接件绑扎钢筋网，喷射第二层混凝土设置坡顶、坡面和坡脚的排水系统。若土质较好亦可采取如下顺序：开挖工作面、修坡绑扎钢筋网成孔安设土钉注浆、安设连接件喷射混凝土面层。,(3)喷锚支护 喷锚支护（Shootcrete and Bolting）是采用喷射混凝土、钢筋网喷射混凝土、锚杆喷射混凝土或锚杆钢筋网喷射混凝土等在毛洞开挖后及时地对地层进行加固的结构。,图145 喷锚支护 (a)喷锚支护结构；(b)土钉墙与喷锚网复合支护；(c)锚杆头与钢筋网和加强筋的连接 1喷射混凝土面层；2钢筋网层；3锚杆头；4锚杆(土钉)； 5加强筋；6锁定筋二根与锚杆双面焊接,3、灌注排桩式挡墙 (1)一般排桩挡墙 稀疏排桩 适用砂土、一般粘性土 挖深10m 连续排桩 适用软土、一般粘性土 挖深7m 框架式双排桩 适用软土、砂土、一般粘性土 挖深12m (2)止水排桩挡墙 稀疏排桩加钢丝网水泥抹面 适用一般粘性土、砂土，挖深10m 排桩加深层搅拌桩止水 适用软土 挖深8m 排桩加水泥旋喷桩止水 适用软土、砂性土 挖深8m 排桩加薄壁砼防渗墙 适用软土、砂性土 挖深10m,图146 挡土灌注桩支护形式 （a）间隔式；（b）双排式；（c）连续式 1挡土灌注桩；2连系梁（圈梁）；3前排桩；4后排桩,4板桩挡墙 （1）型钢横挡板挡墙 （2）钢板桩挡墙 5.板墙式挡墙 该类支护结构是指现浇或预制的地下连续墙。,6. 逆作拱墙支护 逆作拱墙支护，是在开挖过程中，随开挖深度分段，浇筑平面为闭合的圆形、椭圆形钢筋混凝土墙体 在基坑四周场地都允许起拱的条件下（基坑各边长L的起拱矢高f0.12L），可以采用闭合的水平拱圈来支挡土压力以围护基坑的稳定，采用闭合的水平拱圈来支挡土压力以围护基坑的稳定 ； 拱结构是以受压力为主，能更好地发挥混凝土抗压强度高的材料特性，而且拱圈支挡高度只需在坑底以上。,二.支撑结构 挡墙的支撑结构按构造特点可分为自立式（悬臂式）、斜撑式、锚拉式、锚杆式、坑内支撑式等几种，其中坑内支撑又可分为水平支撑、桁架支撑及环梁支撑等。如图149 （1）悬臂支撑形式的挡墙 （2）斜撑式支撑 （3）拉锚式支撑 （4）土层锚杆:是一种埋入土层深部的受拉杆件，它一端与构筑物相连，另一端锚固在土层中 （5）坑内支撑,施工中开挖基坑时，流入坑内的水有：地面水和地下水。为了保持基坑干燥，防止由于水浸泡发生边坡塌方和地基承载力下降，必须做好基坑的排水、降水工作。 排除地面水(包括雨水、施工用水、生活污水等)常采用在基坑周围设置排水沟、截水沟或筑土堤等办法，并尽量利用原有的排水系统，或将临时性排水设施与永久性设施相结合使用。 地下水处理方法归结成两种：一种是降水；第二种是止水防水帷幕。常采用降水的方法有明排水法（集水井降水法）和人工降低地下水位法（井点降水法）两类 。 井点降水法又有轻型井点、喷射井点和电渗井点 、管井井点和深井泵等。,1.3.3 地下水的处理,一. 明排水法（集水井降水法）,明排水法是一种设备简单、应用普遍的人工降低水位的方法。 1）施工工艺： 开挖基坑或沟槽过程中，遇到地下水或地表水时，在基础范围以外地下水流的上游，沿坑底的周围开挖排水沟，设置集水井，使水经排水沟流入井内，然后用水泵抽出坑外(见图1.16)。 2）设置： 四周的排水沟及集水井一般应设置在基础范围以外，地下水流的上游，基坑面积较大时，可在基础范围内设置盲沟。,根据地下水量、基坑平面形状及水泵能力，集水井每隔2040m设置一个；基坑四个角应各设一个。集水井大小：直径或宽度一般为0.60.8m,深度低于挖土面0.51.0m。集水井井壁用竹、木等加固，并在井底铺设碎石滤水层，以免在抽水时将泥砂抽出。 3)适用范围：明排水法适用于水流较大的粗粒土层的排水、降水，也可用于渗水量较小的粘性土层降水，但不适宜于细砂土和粉砂土层，因为地下水渗出会带走细粒而发生流砂现象。,井点降水：基坑开挖前，在基坑四周预先埋设一定数量的滤水管(井)，在基坑开挖前和开挖过程中，利用抽水设备不断抽出地下水，使地下水位降到坑底以下，直至土方和基础工程施工结束为止。 井点降水有两类： 一类为轻型井点(包括电渗井点与喷射井点)； 另一类为管井点(深井泵)。 对不同的土质应采用不同的降水形式，表1.6为常用的降水形式。,二. 井点降水法,表1.6 降水类型及适用条件,1. 轻型井点,轻型井点(图1.17)就是沿基坑周围或一侧以一定间距将井点管(下端为滤管)埋入蓄水层内，井点管上部与总管连接，利用抽水设备将地下水经滤管进入井管，经总管不断抽出，从而将地下水位降至坑底以下。 轻型井点法适用于土壤的渗透系数为0.150m/d的土层中； 降低水位深度：一级轻型井点36m， 二级井点可达69m。,轻型井点设备由管路系统和抽水设备组成。管路系统包括滤管、井点管、弯联管及总管等。 滤管(图1.18)为进水设备，其构造是否合理对抽水设备影响很大。,轻型井点的布置 当基坑或沟槽宽度小于6m，水位降低深度不超过5m时，可用单排线状井点布置在地下水流的上游一侧，两端延伸长度一般不小于沟槽宽度(图1.19)。,在考虑到抽水设备的水头损失以后，井点降水深度一般不超过6m。井点管的埋设深度H(不包括滤管)按下式计算(图1.19(b)：,式中 H1井点管埋设面至基坑底的距离，m； h基坑中心处坑底面(单排井点时，为远离井点一侧坑底边缘)至降低后地下水位的距离，一般为0.51.0m； i地下水降落坡度；环状井点为1/10，单排线状井点为1/4； L井点管至基坑中心的水平距离(单排井点中为井点管至基坑另一侧的水平距离)，m。,(1.14),如宽度大于6m或土质不定，渗透系数较大时，宜用双排井点，面积较大的基坑宜用环状井点(图1.20)；为便于挖土机械和运输车辆出入基坑，可不封闭，布置为U形环状井点。,当一级井点系统达不到降水深度时，可采用二级井点，即先挖去第一级井点所疏干的土，然后在基坑底部装设第二级井点，使降水深度增加（图1.21）。,轻型井点的安装 轻型井点的施工分为准备工作及井点系统安装。 准备工作包括井点设备、动力、水泵及必要材料准备，排水沟的开挖，附近建筑物的标高监测以及防止附近建筑沉降的措施等。 埋设井点系统的顺序：根据降水方案放线、挖管沟、布设总管、冲孔、下井点管、埋砂滤层、粘土封口、弯联管连接井点管与总管、安装抽水设备、试抽。 井点管的埋设一般用水冲法施工，分为冲孔(图1.22(a)和埋管(图1.22(b)两个过程 。,轻型井点使用 轻型井点运行后，应保证连续不断地抽水。 井点淤塞，一般可以通过听管内水流声响、手摸管壁感到有振动、手触摸管壁有冬暖夏凉的感觉等简便方法检查。 地下基础工程(或构筑物)竣工并进行回填土后，停机拆除井点排水设备。,2.喷射井点 当基坑开挖较深，降水深度要求较大时，可采用喷射井点降水。其降水深度可达820 m，可用于渗透系数为0.150 md的砂土、淤泥质土层。 喷射井点施工顺序是：安装水泵设备及泵的进出水管路；铺设进水总管和回水总管；沉设井点管(包括灌填砂滤料)，接通进水总管后及时进行单根试抽、检验；全部井点管沉设完毕后，接通回水总管，全面试抽，检查整个降水系统的运转状况及降水效果。,3.管井井点 管井井点就是沿基坑每隔一定距离设置一个管井，每个管井单独用一台水泵不断抽水来降低地下水位。在土的渗透系数大(20200md)的土层中，宜采用管井井点。 管井井点的设备主要是由管井、吸水管及水泵组成。,4.深井井点 当要求井内降水深度超过15m时，可在管井中使用深井泵抽水。这种井点称为深井井点（或深管井井点）。深井井点一般可降低水位3040m，有的甚至可达百米以上。 常用的深井泵有两种类型。 一种是深井潜水泵， 另一种是电动机安装在地面上，通过传动轴带动多级叶轮工作而排水。,5.电渗井点 电渗井点是在轻型或喷射井点中增设电极而形成，主要用于渗透系数小于0.1md的土层。,图137 电渗井点 1一井点管；2一电极；3直流电源,三、降水对周围地面的影响及预防措施 降低地下水位时，由于土颗粒流失或土体压缩固结，易引起周周地面沉降。由于土层的不均匀性和形成的水位呈漏斗状，地面沉降多为不均匀沉降，可能导致周围的建筑物倾斜、下沉、道路开裂或管线断裂。因此，井点降水时，必须采取相应措施，以防造成危害。 1回灌井点法 2设置止水帷幕法 3减缓降水速度法,四.流砂及其防治 1.流砂现象及其危害 1)流砂现象：当开挖深度大、地下水位较高而土质为细砂或粉砂时，如果采用集水井法降水开挖，当挖至地下水位以下时，坑底下面的土会形成流动状态，随地下水涌入基坑，这种现象称为流砂。 2)流砂现象的危害： 土失去承载力，引起塌方，土边挖边冒，难以施工。 2.产生流砂的原因 原因：内因和外因 1）内因：取决于土的性质，当土的孔隙比大、含水量大、粘粒含量少、粉粒多、渗透系数小、排水性能差等均产生流砂现象。流砂现象极易发生在细砂、粉砂和亚粘土中。,2、外因：动水压力 动水压力是流砂发生的重要条件。流动中的地下水对土颗粒产生的压力称为动水压力，其性质通过图121 所示的试验说明。 由上式可知，动水压GD与水力坡度I成正比，水位差越大，动水压力越大，而渗透路程越长，动水压力越小。 产生流砂现象主要是由于地下水的水力坡度大，即动水压力大，而且动水压力的方向(与水流方向一致)与土的重力方向相反，土不仅受水的浮力，而且受动水压力的作用，有向上举的趋势，当动水压力等于或大于土的浸水密度时，土颗粒处于悬浮状态，并随地下水一起流入基坑，即发生流砂现象。,3流砂的防治 防治流砂的总原则是“治砂必治水” 流砂防治的主要途径是减小或平衡动水压力、截住地下水流、改变动水压力方向。具体措施为： （1）抢挖法 （2）水下挖土法：水中挖土时，不抽水或减少抽水，保持坑内水压与地下水压基本平衡； （3）打钢板桩或作地下连续墙法 （4）在枯水季节开挖：如条件许可，尽量安排枯水期施工，使最高地下水位不高于坑底0.5m； （5）井点降水法 （6）冻结法 （7）采用桩基或沉井,五.深基坑止水技术,1 .止水帷幕施工方法 （1）高压喷射注浆法成幕质量好，适用土层广，但成本高； （2）深层搅拌法成本低，只适用软粘土地基； （3）压力灌浆法适用土层较广，施工方便，但注浆可控性差，形成完整帷幕较难。,2 高压喷射注浆法 堵水防渗按双排或三排布孔，孔距0.866倍旋喷桩直径。喷射水泥浆，可掺2%4%的水玻璃，提高抗渗。有抗渗要求，不宜掺矿渣水泥 。 先喷浆后旋转和提升。,3 深层搅拌法 深层搅拌法分喷浆深层搅拌法和喷粉深层搅拌法两种。形成止水帷幕常用喷浆深层搅拌法。 浆液水灰比0.450.55,4 高压灌浆法 （1）钻孔Ø91mm （2）钻杆内灌入封闭泥浆。 （3）插入阀管到设计深度。 （4）封闭泥浆凝固后，在塑料阀管中插入双向密封注浆芯管进行注浆。 （5）注浆完毕冲洗塑料阀管中残留浆液。,