土石方施工技巧-建筑施工技术（第3版）

土石方工程施工,主要应解决土壁稳定、施工排水、流砂现象及其防治和填土压实四个问题。 下面重点介绍前面三个问题(填土压实内容见1.5)。

1)土壁稳定

土壁的稳定性主要是由土体内摩擦阻力和黏结力来保持平衡的。 土体一旦失去平衡就会塌方,这不仅会造成人身安全事故,同时也会影响工期,有时还会危及附近的建筑物。

(1)土壁塌方的原因

土壁塌方的原因主要有以下几点:

①边坡过陡,使得土体的稳定性不够,从而引起塌方现象。 尤其是在土质差、开挖深度大的坑槽中,常会遇到这种情况。

②雨水、地下水渗入地基,土体被泡软,重力增大,抗剪能力降低,这是造成塌方的主要原因。

③基坑上边缘附近大量堆土或停放机具、材料,或因动荷载的作用,使土体中的剪应力超过土体的抗剪强度。

(2)防止塌方的措施

为了保证土体稳定、施工安全,针对上述塌方原因,可采取以下措施:

①放足边坡。 边坡的留设应符合规范的要求,其坡率的大小应根据土壤的性质、水文地质条件、施工方法、开挖深度、工期的长短等因素确定。 例如:黏性土的边坡可陡些,砂性土的边坡则应平缓些;井点降水或机械在坑底挖土时边坡可陡些,明沟排水、人工挖土或机械在坑上边挖土时则应平缓些;当基坑附近有主要建筑物时,边坡应取1 ∶1.1 ～1 ∶1.5。 在工期短且无地下水的情况下,留设直槽而不放坡时,其开挖深度不得超过下列数值:密实、中密实的砂土和碎石类土(填充物为砂土)为1 m;硬塑、可塑的轻亚黏土及亚黏土为1.25 m;硬黏、可塑的黏土和碎石类土(填充物为黏性土)为1. 5 m;坚硬的黏土为2 m。

②设置支撑。 为了缩小施工面,减少土方,或受场地的限制不能放坡时,则可设置土壁支撑,如图1.18 所示。

图1.18　横撑式支撑

1—水平挡土板;2—立柱;3—工具式横撑;4—垂直挡土板;5—横楞木;6—调节螺丝

此外,防止塌方还应做好施工排水和防止产生流砂现象;应尽量避免在坑槽边缘堆置大量土石方、材料和机械设备;坑槽开挖后不宜久露,应立即进行基础或地下结构的施工;对滑坡地段的挖方,不宜在雨期施工,并应遵循“先整治后开挖”的原则和“由上至下”的开挖顺序,严禁先清除坡脚或在滑坡体上弃土;如有危岩、孤石、崩塌体等不稳定的迹象时,应进行妥善处理后再开展挖方作业。

观看录像

基坑开挖。

活动建议

在教师带领下,参观土壁支撑并观察支撑的受力情况,请工人师傅讲解土壁支撑的注意事项。

2)施工排水

开挖基坑时,流入坑内的地下水和地面水如不及时排除,不但会使施工条件恶化,造成土壁塌方,也会影响地基的承载力。 因此,保持土体干燥是十分必要的。

施工排水可分为明排水法和人工降低地下水位法两种。

(1)明排水法

明排水法采用的是截、疏、抽的方法。 截,是截住水流;疏,是疏干积水;抽,是在基坑开挖的过程中,在坑底设置集水井,并沿坑底周围开挖排水沟,使水流入集水井中,然后用水泵抽走。

(2)人工降低地下水位法

•集水井降水

基坑或沟槽开挖时,在坑底设置集水井,并沿坑底周围或中央开挖排水沟,使水在重力作用下流入集水井内,然后用水泵抽出坑外,如图1.19所示。

图1.19　集水井降水

1—排水沟;2—基坑排水沟(集水井);3—水泵

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坑范围内设置盲沟排水。 根据地下水量、基坑平面形状及水泵能力,集水井每隔20 ～40 m设置一个。 集水坑的直径或宽度一般为0.6 ～0.8 m,其深度随着挖土的加深而加深,并保持低于挖土面0.7 ～1.0 m。 坑壁可用竹、木材料等进行简易加固。 当基坑挖至设计标高后,集水坑底面应低于基坑底面1.0 ～2.0 m,并铺设碎石滤水层(0.3 m 厚)或下部砾石(0.1 m厚)上部粗砂(0.1 m 厚)的双层滤水层,以免抽水时间过长将泥沙抽出,并防止坑底土被扰动。

•轻型井点降水

轻型井点(图1.20)就是沿基坑四周将许多直径较小的井点管埋入蓄水层内,井点管上部与总管连接,通过总管利用抽水设备将地下水从井点管内不断抽出,使原有的地下水位降至坑底以下。 此种方法适用于土壤的渗透系数K =0.1 ～50 m/d 的土层中。 降水深度为:单级轻型井点3 ～6 m,多级轻型井点6 ～12 m。

图1.20　轻型井点降水法全貌图

1—井点管;2—滤管;3—集水总管;4—弯联管;5—水泵房

①轻型井点设备。 轻型井点设备主要包括井点管(下端为滤管)、集水总管、弯联管及抽水设备。 井点管用直径38 ～55 mm 的钢管,长6 ～9 m,下端配有滤管和一个锥形的铸铁塞头,其构造如图1.21 所示。 滤管长1.0 ～1.5 m,管壁上钻有ϕ12 ～18 mm 成梅花形排列的滤孔;管壁外包两层滤网,内层为30 ～50 孔/cm2 的黄铜丝或尼龙丝布的细滤网,外层为3 ～10 孔/cm2的粗滤网或棕皮。 为避免滤孔淤塞,在管壁与滤网间用塑料管或梯形铅丝绕成螺旋状隔开,滤网外面再绕一层粗铁丝保护网。

图1.21　滤管构造网

1—铸铁头;2—钢管;3—滤孔;4—缠绕的塑料管;5—细滤网;6—粗滤网;7—粗铁丝保护网;8—井点管

集水总管一般用ϕ75 ～100 mm 的钢管分节连接,每节长4 m,其上装有与井点管连接的短接头,间距为0.8 ～1.6 m。 总管应有0.25% ～0.5%坡向泵房的坡度。 总管与井管用90°弯头或塑料管连接。

常用抽水设备有真空泵、射流泵和隔膜泵。

②轻型井点施工。(www.xing528.com)

a.准备工作。 准备工作包括井点设备、动力、水源及必要材料的准备,开挖排水沟,观测附近建筑物标高以及实施防止附近建筑物沉降的措施等。

b.埋设井点管的程序。 埋设程序为:排放总管→埋设井点管→用弯联管将井点与总管接通→安装抽水设备。

c.连接与试抽。 井点系统全部安装完毕后需进行试抽,以检查有无漏气现象。 开始抽水后尽量不要停抽,时抽时停容易导致滤网堵塞,也容易抽出土粒,使水混浊,并引起附近建筑物由于土粒流失而沉降开裂。 正常的排水是细水长流,出水澄清。

抽水时需要经常检查井点系统工作是否正常,并观测井中水位下降情况,如果有较多井点管发生堵塞,影响降水效果时,应逐根用高压水反向冲洗或拔出重埋。

d.井点运转管理与监测。

e.井点拆除。 地下室或地下结构物竣工并将基坑进行回填土后,方可拆除井点系统。 拔出井点管多借助于倒链、起重机等。 所留孔洞用砂或土填塞,当地基有防渗要求时,地面下2 m 可用黏土填塞密实。 另外,井点的拔除应在基础及已施工部分的自重大于浮力的情况下进行,且底板混凝土必须要有一定的强度,防止因水浮力引起地下结构浮动或底板破坏。

观看录像

轻型井点。

③井点降水的不利影响。 井点管埋设完毕开始抽水时,井内水位开始下降,周围含水层的水不断流向滤管,在无承压水等环境条件下,经过一段时间之后,在井点周围形成漏斗状的弯曲水面,即所谓“降水漏斗”。 这个漏斗状水面逐渐趋于平静,一般需要几天到几周的时间,降水漏斗范围内的地下水位下降以后,就必然造成地面固结沉降。 由于漏斗形的降水面不是平面,因而所产生的沉降也是不均匀的。 在实际工程中,由于井点管滤管、滤网和砂滤层结构不良,把土层中的黏土颗粒、粉土颗粒甚至细砂同地下水一同抽出地面的情况是经常发生的,这种现象会使地面产生的不均匀沉降加剧,造成附近建筑物及地下管线不同程度的损坏。

④防范井点降水不利影响的措施。 井点降水会引起周围地层的不均匀沉降,但在高水位地区开挖深基坑又离不开降水措施。 因此一方面要保证开挖施工的顺利进行,另一方面又要防范对周围环境的不利影响,即采取相应的措施,减少井点降水对周围建筑物及地下管线造成的影响。

a.在降水前认真做好对周围环境影响的调研工作。

b.合理使用井点降水,尽可能减少对周围环境的影响。 降水必然会形成降水漏斗,从而造成对周围地面的沉降,但只要合理使用井点,就可以把这类影响控制在周围环境可以承受的范围之内。

c.降水场地外侧设置挡水帷幕,减少降水影响范围。 即在降水场地外侧有条件的情况下设置一圈挡水帷幕,切断降水漏斗曲线的外侧延伸部分,减小降水影响范围,从而把降水对周围的影响减小到最低程度。 一般挡水帷幕底标高应低于降落后的水位2 m 以上,如图1.22 所示。

图1.22　设置挡水帷幕

1—井点管;2—挡水帷幕;3—坑外建筑物浅基础;4—坑外地下管线

常用的挡水帷幕有深层水泥搅拌桩、砂浆防渗板桩、树根桩隔水帷幕,或直接利用可以挡水的挡土结构作为挡水帷幕,如钢板桩、地下连续墙等。

d.降水场地外缘设置回灌水系统。 在降水场地外缘设置回灌水系统以保持需保护部位的地下水位,可消除所产生的危害。 回灌水系统包括回灌井点和砂沟、砂井回灌两种形式。

活动建议

在条件允许的情况下,请教师带领学生参观井点降水的施工现场。

3)流砂现象及其防治

(1)流砂现象及危害

在基坑挖到地下水位0.5 m 以下时,如果采用坑内抽水,有时坑底的土会成流动状态,随地下水一起涌进坑内,这种现象称为流砂现象。

发生流砂现象时,土壤完全失去承载能力,工人难以立足,施工条件恶化,边挖土边冒水,很难达到设计深度;流砂严重时会引起基坑边坡塌方,如果附近有建筑物,还会因地基被掏空而导致建筑物下沉、倾斜,甚至倒塌。

(2)流砂现象的防治

①在工期允许的情况下,土石方工程应在全年最低水位季节施工。

②水中挖土。 即采用不排水施工,使基坑内水压与坑外水压相平衡,阻止流砂现象产生。

③打板桩法。 将板桩打入坑底下面一定深度,增加地下水从坑外流入坑内的渗流路径,从而减少动水压力,防止流砂发生。

④人工降低地下水位法。 即采用井点降水等方法,使动水压力的方向朝下,从而有效预防流砂发生。

小组讨论

1.流砂现象产生的原因有哪些?

2.常用的防治流砂的方法有哪些?

练习作业

施工排水分为哪两种方法?