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2 土方及基础工程
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本章学习要求
了解：土石方工程分类，鉴别方法；浅基、桩基的施工方法；土石方调配区的划分；井点降水的方法和作用；机械化土石方施工的方法；刚性基础、板式基础、杯形基础、桩基础、灌注桩基础的含义、做法及施工注意事项，二级建造师考题内容、解法和题型。
掌握：挖填平衡法；山坡、沟槽、基坑等计算方法；检查填土压实质量的方法；常用的爆破方法；确定吊点位置和计算爆破的方法。
重点掌握：土石方施工技术要求和计算的方法以及调配的原则；土壁支撑的方法和留设边坡的原则；端承桩和摩擦桩的区别和质量控制方法；浅基础和深基础施工中强制性规范的质量要求；基础施工特例的相关内容。
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2.1概述
土方工程是一切建筑物施工的先行，也是建筑工程施工中重要工程之一。它包括土方的测量、开挖、爆破、运输、填筑、平整和压实等主要施工过程，以及排水、降水、土壁支撑等准备工作与辅助工作。
土的种类繁多，其分类方法也较多，现将土按八类16级分类法综合列于表2.1中。
土具有可松性。土的可松性程度可用可松性系数表示，即
式中Ks——最初可松性系数；
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K′s——最后可松性系数；
V1——土在天然状态下的体积；
V2——土经开挖后的松散体积；
V3——土经回填压实后的体积。
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2.2土方工程量计算与土方调配
2.2.1基坑、基槽的土方量计算
基坑土方量可按立体几何中的柱体体积公式计算(图2.1)，即
式中H——基坑深度，m；
F1，F2——基坑上下两底面积，m2；
F0——基坑中截面面积，m2。
基槽和路堤的土方量可以沿长度方向分段后以同样方法计算(图2.2)。
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图2.1 基坑土方量计算 图2.2 基槽土方量计算
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式中V1——第一段的土方量，m3；
L1——第一段的长度，m。
将各段土方量相加即得总土方量
式中V1，V2，…，Vn——各分段的土方量，m3。
2.2.2场地设计标高的确定
场地平整前，应首先根据设计文件规定的要求，确定场地平整后的设计标高，然后由设计标高与自然地面标高之差值，来计算场地各有关点位的施工高度，即挖方和填方高度：
施工高度(挖填高度)=自然标高-设计标高
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(1)初步计算场地设计标高
如图2.3(a)所示，将地形图划分成方格网，每个方格的角点标高可根据地形图上两相邻等高线的标高，用插入法求得。
按照场地土方挖填相等的原则，若不考虑场地设计标高的调整，如场地泄水坡度对设计标高的影响，把整个场地看做一个水平面，则场地设计标高可用平均断面法(图2.3(b))计算求得，即
所以
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式中H0——场地设计标高，m；
a——方格边长；
N——方格数；
H11…H22——任一方格的四个角点标高。
计算公式(2.5)可改写成下列形式：
式中H1——一个方格仅有的角点标高，m；
H2——两个方格共有的角点标高，m；
H3——3个方格共有的角点标高，m；
H4——4个方格共有的角点标高，m。
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(2)考虑泄水坡度对设计标高的影响
需根据场地的泄水坡度要求，设置单面泄水或双面泄水，计算出场地内各方格角点实际施工时所采用的设计标高。
1)单向泄水时，场地各点设计标高的求法
式中Hn——场内任意一点的设计标高，m;
l——该点至H0的距离，m；
i——场地泄水坡度，不小于2‰；
±——该点比H0高则取“+”号，反之取“-”号。
例如，求H52角点的设计标高，则：
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图2.3 场地设计标高计算简图
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2)双向泄水时，场地各点设计标高的求法
其原理与前相同，如图2.5所示。H0为场地中心点的标高，场地内任意一点的设计标高为：
式中lx，ly——该点于x-x、y-y方向距场地中心线的距离；
ix，iy——该点于x-x、y-y方向的泄水坡度。其余符号表示同前。
例如，欲求H42角点的设计标高，则
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图2.4 单向排水坡度的影响 图 2.5 双向排水坡度的影响
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2.2.3场地平整土方量计算
(1)场地平整土方量计算方法
场地平整土方量的计算方法，通常有方格网法和断面法两种。
1)方格网法
此法是用方格网来控制整个施工场地而计算土方量，其计算步骤为：
①划分方格网
根据已有地形图(一般用1/500的地形图)划分成若干个方格网，尽量与测量的纵横坐标网对
应，方格一般采用20 m×20 m或40 m×40 m，将设计标高和自然地面标高分别标注在方格点的右上角和右下角。
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②计算零点位置
在一个方格网内同时有填方或挖方时，要先算出方格网边的零点位置，并标注于方格网上，
连接零点就得零线，它是填方区与挖方区的分界线(图2.6)。
零点的位置按下式计算：
式中x1，x2——角点至零点的距离，m；
h1，h2——相邻两角点的施工高度，m，均用绝对值；
a——方格网的边长，m。
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图2.6 零点位置计算示意图
图2.7 零点位置图解法
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③计算方格土方工程量
按方格网底面积图形和表2.2所列公式，计算每个方格内的挖方或填方量。
④边坡土方量计算
第一，三角棱锥体边坡体积
例如图2.8中的①，其体积为
式中l1——边坡①的长度，m；
F1——边坡①的端面积，m2；
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图2.8 场地边坡平面示意图。
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即
h2——角点的挖土高度，m；
m——边坡的坡度系数，m= 。
第二，三角棱柱体边坡体积
如图2.8中的④，其体积为
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当两端横断面面积相差很大的情况下，则
式中 l4——边坡④的长度，m；
F1,F2,F0——边坡④两端及中部的横断面面积，m2，算法同上(图2.8剖
面系近似表示，实际上地面不完全是水平的)。
⑤计算土方总量
将挖方区(或填方区)所有方格计算的土方量和边坡土方量汇总，即得该场地挖方和填方的总土方量。
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图2.9 断面法
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2)断面法
其中三角形与梯形的面积为
该断面面积为：Fi=f1+f2+…+fn
若d1=d2=…=dn=d，则
各个横断面面积求出后，即可计算土方体积。若各断面面积为F1，F2，…，Fn；相邻两断面间的距离依次为l1，l2，…，ln，则所求土方体积为
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(2)场地平整土方量计算示例
某建筑场地地形图和方格网布置如图2.10所示，方格边长为20 m×20 m，试用方格网法计算挖填土方总量。
根据图2.10方格各点的自然地面标高和设计地面标高，计算出方格各角点的施工高度，例如：
其余各角点施工高度详见图2.11中所示。
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图2.10 方格网角点、标高编号图
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图2.11填挖高度土方量工程图
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2)计算零点位置
2.2.4土方调配
土方调配工作是土方规划设计的一项重要内容，它的目的是在使土方运输量或土方运输成本最低的条件下，确定填、挖方区土方的调配方向和数量，从而达到缩短工期和提高经济效益的目的。
(1)土方调配原则
(2)土方调配程序
1)划分调配区
在平面上首先划出挖填方区的分界线，并在挖方区和填方区适当划出若干调配区，确定调配区的大小和位置。
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图2.12 挖填分区及土方量分布图
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2)平均运距的确定
平均运距是指挖方区与填方区之间的重心距离。取场地或方格网中的纵横两边为坐标轴，以一个角点为坐标原点，计算各区土方重心位置坐标(x0,y0)为
式中Vi——第i个方格的土方量；
xi，yi——第i个方格的重心坐标。
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为简化计算，可用作图法近似求出几何形心位置来代替方格的重心位置。
求出各挖填区重心后，即可以求出各挖方区到各填方区的运距，得出土方平衡—运距表，如表2.3所示。
5)绘出土方调配图
经土方调配最优化求出最佳土方调配后，即可绘出土方调配图以指导土方工程施工。土方调配图如图2.13所示。
2.3土壁稳定与施工排水
2.3.1土壁稳定
(1)土方边坡
土方边坡的大小应根据填、挖深度、土质条件、地下水位、施工方法及周围建筑物的情况而定。挖方深度不应超过下列规定：
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图2.13 土方调配图(方框中数据为土方量，单位为100 m3，运距单位为m)
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密实、中密实的砂土和碎石类土(充填物为砂土)1.0 m。
硬塑、可塑的轻亚黏土及亚黏土±1.25 m。
硬塑、可塑的黏土和碎石类土(充填物为黏性土)1.5 m。
坚硬的黏土2 m。
(2)土壁支撑
对土质条件差、建筑物稠密地区、影
响城市道路和地下管线时，就不能按要求放坡，甚至不允许放坡，此时可采用设置土壁支撑的施工方法。
1)横撑式支撑
开挖较狭窄的沟槽时，多采用横撑式支撑，如图2.14所示。
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2)板桩支撑
板桩是一种支护结构，既挡土又防水。
2.3.2施工排水
开挖基坑时，做好施工排水，保持土体干燥是十分重要的。
施工排水可分为集水坑明沟排水和人工降低地下水位两种方法。
(1)集水坑明沟排水法
这种方法是在基坑或沟槽开挖时，在坑底设置集水坑，并沿坑底的周围或中央开挖排水沟，
使水流入集水坑内，然后用水泵抽出坑外，如图2.16所示。
(2)人工降低地下水位
人工降低地下水位，就是在基坑开挖前，先在基坑周围埋设一定数量的滤
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图2.14 横撑式支撑
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图2.15 用板桩防止流砂现象
1—等压流线；2—水流
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水管(井)，利用抽水设备从中抽水，使地下水位降落在坑底以下一定距离，直至施工完毕为止。
人工降低地下水位的方法有两类：一类为轻型井点(包括电渗井点与喷射井点)；另一类为管井井点(包括深井泵)，以轻型井点应用最为广泛。
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图2.16 集水井降水
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图2.17 轻型井点降低地下水位全貌图
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1)轻型井点的组成
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、弯管及总管等。
2)轻型井点的布置
井点系统的布置，应根据基坑平面形状及尺寸、深度、土质情况、地下水位高低与流向、降水深度要求等来定。
高程布置：井点降水深度，在管壁处一般可达6～7 m。井点管埋置深度H(图2.19(b))按下式计算：
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图2.18 单排线状井点的布置
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式中H1——井点管埋设面至基坑底面的距离，m；
h——基坑底面至降低后的地下水位线的距离，一般取0.5～1.0 m；
I——水力坡度，根据实测：环状井点为1/10左右，单排井点为
1/5~1/4；
L——井点管至基坑中心的水平距离，m。
3)轻型井点施工
主要包括准备工作、井点系统的安装、使用及拆除等几个阶段。
2.4土方工程机械化施工
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图2.19 环形井点布置简图
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2.4.1推土机施工
推土机实际上是在拖拉机上装有推土板的土方机械。根据推土板铲刀的操纵机构不同，推土机可分为索式和液压式两种。
2.4.2铲运机施工
铲运机是一种能综合完成全部土方施工工序(挖土、装土、运土、卸土、压实和平土)的机械，如图2.20所示。
2.4.3单斗挖土机施工
单斗挖土机在土方工程施工中应用最为广泛。按其工作装置不同可分为：正铲、反铲、拉铲和抓铲，如图2.22所示；
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图2.20 铲运机铲土工作示意图
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图2.21 铲运机开行路线
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(1)正铲挖土机施工
正铲挖土机一般仅用于开挖停机面以上的土。
(2)反铲挖土机施工
反铲挖土机的开挖方式可分为沟端开挖与沟侧开挖两种。
2.4.4填方与压实
(1)土方填料选择与填筑方法
为了确保填方的强度和稳定性，必须正确选择填方土料与填筑方法。
碎石类土、砂土、爆破石渣及含水量符合压实要求的黏性土，可作为无限制使用的填料。
填方应分层进行，并尽量采用同类土填筑。
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图2.22 挖土机的简图
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图2.23 正铲挖土机开挖方式
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填土必须具有一定的密实度，以避免建筑物产生不均匀沉陷。
利用填土作为地基时，可用压实系数Dy进行检验
(2)填方压实影响因素及压实方法
填方压实质量与诸多因素有关，其中主要影响因素为：压实机的压实功、土的含水量以及每层填土厚度。
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2.5爆破工程
2.5.1爆炸的基本概念
(1)破坏作用圈
爆破时介质距离爆破中心越近，受到的破坏越大。通常将爆破影响的范围分为几个爆破作用圈。
(2)爆破漏斗
当埋设在地下的药包爆炸后，地面就会出现一个爆破坑，一部分被炸碎了的介质被抛至坑外，一部分仍坠落在坑内。由于爆破坑形似漏斗，因此称它为爆破漏斗，如图2.25所示。
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图2.24 爆破作用圈
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图2.25 爆破漏斗
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爆破漏斗的实际形状是多种多样的，爆破漏斗的大小一般以爆破作用指数n表示，即
当n=1时，称为标准抛掷爆破漏斗；
n<1时，称为减弱抛掷爆破漏斗；
n>1时，称为加强抛掷爆破漏斗。
2.5.2炸药、炸药量计算及起爆方法
(1)炸药
一般建筑工程中常用的炸药可分为起爆药和破坏药两类。
(2)药包量计算
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爆破土石方的时候，用药量要根据岩石的硬度、岩石的缝隙、临空面的多少、估计爆破的土石方量以及施工经验来决定。
炸药量的理论计算是以标准抛掷漏斗为依据。用药量的多少与漏斗内的土石方体积成正比。
其药包量Q的基本公式为
式中q——爆破Im3岩石所需的耗药量，kg/m3，可参考表2.8确定；
V——被爆炸岩石的体积，m3；
e——炸药换算系数，见表2.9。
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当标准抛掷爆破时，
因此药包的炸药量为
当加强或减弱抛掷爆破时，其药包的药量为
当仅要求松动爆破时，其药包的炸药量为
式中，(0.4+0.6n3)或0.33均是实验爆破系数。
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2.5.3爆破方法简介
在建筑工程中，常用的爆破方法主要有以下几种：
(1)炮眼法
炮眼法又称浅孔爆破法，属于小爆破。
(2)药壶爆破法
药壶爆破法是在炮孔底部放入少量的炸药，经过几次爆破扩大成为圆球的形状，最后装入炸药进行爆破。
(3)拆除爆破
拆除爆破也叫“定向爆破”，是通过一定的技术措施，严格控制爆炸能量和爆炸规模，使爆破的声响、震动、破坏区域以及破碎物的散坍范围，控制在规定的限度之内。
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2.5.4爆破安全措施
爆破工程，应特别重视安全施工。
爆破器材的领取、运输和储存，应有严格的规章制度。
第二，爆破施工前，应做好安全爆破的各项准备工作，划好安全距离，设置警戒哨。
第三，炮眼深度超过4 m时，须用两个雷管起爆；如深度超过10 m，则不得用火花起爆。
第四，爆破时发现拒爆，必须先查原因后再进行处理。
2.6浅基础工程和桩基础工程施工方法简介
所谓浅基础一般是指基础的埋置深度小于基础的宽度，或小于5 m，采用一般施工方法进行修筑的基础工程。
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2.6.1刚性基础
刚性基础是指用砖、石、混凝土、毛石混凝土、灰土、三合土等材料建造的基础。
(1)构造要求
刚性基础的截面形式有矩形、阶梯形和锥形等，如图2.26所示。
基础底面宽度b应符合下式要求：
式中b0——基础顶面的砌体宽度，m；
H0——基础高度，m；
tanα——基础台阶的宽高比允许值，按有关规范规定选用。
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图2.26 刚性基础形式
(a)矩形；(b)阶梯形；(c)锥形
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(2)施工要点
1)混凝土基础
混凝土浇筑前应进行验槽，轴线、基坑尺寸和土质应符合设计规定。
2)毛石混凝土基础
3)毛石基础
2.6.2板式基础
板式基础包括柱下钢筋混凝土独立基础(图2.27)和墙下钢筋混凝土条形基础(图2.28)。
(1)构造要求
(2)施工要点
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图2.27 柱下钢筋混凝土独立基础
(a)矩形；(b)阶梯形；(c)锥形
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图2.28 墙下钢筋混凝土条形基础
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2.6.3杯形基础
图2.29 杯形基础形式、构造示意
(a)一般杯口基础；(b)双杯口基础；(c)高杯口基础
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(1)构造要求
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(2)施工要点
2.6.4筏形基础
(1)构造要求
(2)施工要点
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图2.30 筏形基础
(a)梁板式；(b)平板式
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2.6.5预制桩施工
(1)预制桩的制作、起吊、运输和堆放
较短的桩多在预制厂生产，较长的桩一般在打桩现场附近或打桩现场就地预制。
现场预制桩多用叠浇法施工，重叠层数应根据地面允许荷载和施工条件确定，但不宜超过3层。
当桩的混凝土强度达到设计强度的100%后，方可起吊和运输。
(2)打桩机械设备简介
打桩用的机械设备主要包括桩锤、桩架和动力装置三部分。
在施工中常用的桩锤有落锤、柴油锤、蒸汽锤和液压锤4种。
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图2.31 吊点的合理位置
(a)1个吊点；(b)2个吊点；(c)3个吊点；(d)4个吊点
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图2.32 桩的提升示意图
1——桩；2—右滑轮组；3—左滑轮组
图2.33 打入桩
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(3)预制桩的打桩顺序
打桩顺序一般分为：逐排打、自中央向边缘打、自边缘向中央打和分段打4种，如图2.34所示。
图2.34桩的打设“程序”
(a)逐排打设；(b)自中央向两边打设；(c)分段打设
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2.6.6灌注桩施工
(1)钻孔灌注桩
先用钻孔机械进行钻孔，然后在桩孔内放入钢筋笼再灌注混凝土。
(2)人工挖孔灌注桩
人工挖孔灌注桩施工，主要应解决孔壁坍塌、施工排水、预防流砂和管涌冒砂现象。
常用的护壁方法有混凝土护圈、沉井护圈和钢套管护圈三种。
1)混凝土护圈挖孔桩
混凝土护圈挖孔桩(图2.38)，亦称为“倒挂金钟”的施工方法，即分段开挖、分段浇筑护圈混凝土，直至设计标高后，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
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图2.35 全叶螺旋钻机示意图
图2.36 潜水钻机钻孔示意图
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图2.37 钻孔灌注桩工艺流程图
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2)沉井护圈挖孔桩
沉井护圈挖孔桩(图2.39)，是先在桩位上制作钢筋混凝土井筒，然后在筒内挖土，井筒靠
自重或附加荷载克服筒壁与土之间的摩阻力而下沉，沉至设计标高后，再在筒内浇筑钢筋混凝土而形成桩基础。
3)钢套管护圈挖孔桩
钢套管护圈挖孔桩(图2.40)，是在桩位地面上先打入钢套管，直至设计标高，然后再将套管内的土挖出，并浇筑混凝土，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。
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图2.38 混凝土护圈挖孔桩
图2.39 沉井护圈挖孔桩 图2.40 钢套管护圈挖孔桩
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2.7施工质量强制性规范的基本要求
《建筑地基基础工程施工质量验收规范》GB 50202—2002中的基本要求：
1)对灰土地基、砂和砂石地基、土工合成材料地基、粉煤灰地基、强夯地基、注浆地基、预压地基，其竣工后的结果(地基强度或承载力)必须达到设计要求的标准。
2)对水泥土搅拌桩复合地基、高压喷射注浆桩复合地基、砂桩地基、振冲桩复合地基、土和灰土挤密桩复合地基、水泥粉煤灰碎石桩复合地基及夯实水泥土桩复合地基，其承载力检验，数量为总数的0.5%~1%，但不应少于3处。
3)实施与检查的控制方法是：
①施工单位应具备相应的资质、完整的质量保证体系和质量检验制度。
②地基处理施工要有针对性强、切实可行的施工组织设计。
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③监理要有监理规划及监理细则，监理人员应具备一定的专业资质。
④加强施工过程的监控。
⑤对强规第4.1.5条的检查。
⑥对强规第4.1.6条的检查是采用单桩复合地基载荷试验还是多桩复合地基载荷试验检验承载力，应根据设计要求而定。
⑦对强规第4.1.5条及第4.1.6条，施工单位执行与否以及执行程度如何的判定，主要看条文规定的检验数量及标准是否每个都能满足规范和设计的要求。
2.8已成功实施的基础工程施工特例选编
2.8.1地基处理
2.8.2混凝土垫层施工
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图 2.41
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2.8.3筏板保护墙施工
2.8.4地下室防水层施工
(1)筏板防水层施工
(2)地下室外侧墙防水层施工
2.8.5细石混凝土保护层施工
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图 2.42

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