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有的工程,不改变地基的工程性质,而只采取基础工程措施;
有的工程还同时对地基的土和岩石加固,以改善其工程性质。
选定适当的基础形式,不需改变地基的工程性质就可满足要求的地基称为天然地基;
反之,已进行加固后的地基称为人工地基。
地基处理工程的设计和施工质量直接关系到建筑物的安全,如处理不当,往往发生工程事故,且事后补救大多比较困难。
因此,对地基处理要求实行严格的质量控制和验收制度,以确保工程质量。
2.1地基处理定义
地基是指受建筑物荷载影响的那一部分地层,不是建筑物的组成部分,它只是承受由基础传来荷载。
建筑物上部承重结构向下的延伸和扩大,它承受建筑物的全部荷载,并把这些荷载连同本身的重力一起传到地基上。
基础直接建造在未经加固的天然土层上时,这种地基称之为天然地基。
若天然地基很软弱,不能满足地基强度和变形等要求,则事先要经过人工处理后再建造基础,这种地基加固称为地基处理。
2.2地基处理发展概况
建国后,我国地基处理技术大体经历了两个阶段。
第一阶段:
上世纪50~60年代,地基处理技术从前苏联引进。
主要为砂石垫层、砂桩挤密、石灰桩、灰土桩、化学灌浆、重锤夯实、预浸水法及井点降水等。
由于是起步阶段,既有成功之经验,又有盲目照搬之教训。
第二阶段:
上世纪70年代至今。
大批国外先进技术被引进、开发,并结合我国自身特点,初步形成了具有中国特色的地基处理技术及其支护体系,许多领域达到了国际领先水平。
2.3地基处理的目的
1)提高地基的抗剪强度
地基的剪切破坏表现在:
建筑物的地基承载力不够;
由于偏心荷载及侧向土压力的作用使结构物失稳;
由于填土或建筑物荷载,使邻近地基产生隆起;
土方开挖时边坡失稳;
基坑开挖时坑底隆起。
地基的剪切破坏反映了地基土的抗剪强度不足,为了防止剪切破坏,就需要采取一定措施以增加地基土的抗剪强度。
2)降低地基土的压缩性,减少地基的沉降变形
地基土的压缩性表现在:
建筑物的沉降和差异沉降大;
由于有填土或建筑物荷载使地基产生固
结沉降;
基坑开挖引起邻近地面沉降;
由于降水地基产生固结沉降。
地基的压缩性反映在地基土的压缩模量指标的大小。
因此,需要采取措施以提高地基土的压缩模量,借以减少地基的沉降或不均匀沉降。
3)改善地基的透水特性,减少地基渗漏
地基土的透水性表现在堤坝等基础产生的地基渗漏;
基坑开挖工程中,因土层内夹粉砂或粉土而产生流砂和管涌。
以上都是在地下水的运动中所出现的问题。
为此,必须采取措施使地基土降低透水性或减少其水压力。
4)改善地基土的动力特性,提高地基的抗震性能
地基土的动力特性表现在地震时饱和松散粉细砂(包括部分粉土)将产生液化;
由于交通荷载或打桩等原因,使邻近地基产生振动下沉。
为此,需要采取措施防止地基液化,并改善其振动特性以提高地基的抗震性能。
5)改善特殊土的不良地基特性,满足工程设计要求
主要是消除或减少黄土的湿陷性和膨胀土的胀缩性等。
如湿陷性黄土,盐渍土,膨胀性土,冻土等。
2.4地基处理的对象
地基处理的对象是软弱地基和特殊土地基。
软弱地基系指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基。
特殊土地基带有地区性特点,它包括湿陷性黄土、膨胀土、盐渍土和冻土地基。
软土的特性是天然含水量高、天然孔隙比大(、抗剪强度低、压缩系数高、渗透系数)、灵敏度高。
在外荷载作用下地基承载力低、地基变形大,不均匀变形也大,且变形稳定历时较长,在比较深厚的软土层上,建筑物基础的沉降往往持续数年乃至数十年之久。
软土地基是在工程建设中遇到最多的需要进行地基处理的软
弱地基,它广泛地分布在我国沿海以及内地河流两岸和湖泊地区。
图表2盐渍土
图表3膨胀性土
2.5地基处理的分类方法
1、换填垫层法当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部结构荷载对地基的要求时,常采用换土垫层来处理软弱地基。
即将基础下一定范围内的土层挖去,然后回填以强度较大的砂、碎石或灰土等,并夯实至密实。
换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。
其主要作用是提高地基承载力,减少沉降量,加速软弱土层的排水固结,防止冻胀和消除膨胀土的胀缩。
2、强夯法即用几十吨重锤从高处落下,反复多次夯击地面,对地基进行强力夯实。
三.强夯法实践证明,经夯击后的地基承载力可提高2~5倍,压缩性可降低200~500%,影响深度在10m以上。
强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。
强夯置换法适用于高饱和度的粉土,软-流塑的粘性土等地基上对变形控制不严的工程,在设计前必须通过现场试验确定其适用性和处理效果。
强夯法和强夯置换法主要用来提高土的强度,减少压缩性,改善土体抵抗振动液化能力和消除土的湿陷性。
对饱和粘性土宜结合堆载预压法和垂直排水法使用。
3、砂石桩法:
振动沉管砂石桩是振动沉管砂桩和振动沉管碎石桩的简称。
振动沉管砂石桩就是在振动机的振动作用下,把套管打入规定的设计深度,夯管入土后,挤密了套管周围土体,然后投入砂石,再排砂石于土中,振动密实成桩,多次循环后就成为砂石桩。
也可采用锤击沉管方法。
桩与桩间土形成复合地基,从而提高地基的承载力和防止砂土振动液化,也可用于增大软弱粘性土的整体稳定性。
其处理深度达10m左右。
砂石桩法适用于挤密松散砂土、粉土、粘性土、素填土、杂填土等地基,提高地基的承载力和降低压缩性,也可用于处理可液化地基。
对饱和粘土地基上变形控制不严的工程也可采用砂石桩置换处理,使砂石桩与软粘土构成复合地基,加速软土的排水固结,提高地基承载力
4、振冲法:
是振动水冲击法的简称,按不同土类可分为振冲置换法和振冲密实法两类。
振冲法在粘性土中主要起振冲置换作用,置换后填料形成的桩体与土组成复合地基;
在砂土中主要起振动挤密和振动液化作用。
振冲法的处理深度可达10m左右。
振冲法分加填料和不加填料两种。
加填料的通常称为振冲碎石桩法。
振冲法适用于处理砂土、粉土、粉质粘土、素填土和杂填土等地基。
对于处理不排水抗剪强度不小于20kPa的粘性土和饱和黄土地基,应在施工前通过现场试验确定其
适用性。
不加填料振冲加密适用于处理粘粒含量不大于10%的中、粗砂地基。
振冲碎石桩主要用来提高地基承载力,减少地基沉降量,还可用来提高土坡的抗滑稳定性或提高土体的抗剪强度。
5、水泥土搅拌法:
利用水泥或其它固化剂通过特制的搅拌机械,在地基中将水泥和土体强制拌和,使软弱土硬结成整体,形成具有水稳性和足够强度的水泥土桩或地下连续墙,处理深度可达8~12m。
施工过程:
定位—沉入到底部—喷浆搅拌(上升)—重复搅拌(下沉)—重复搅拌(上升)—完毕。
分为浆液深层搅拌法(简称湿法)和粉体喷搅法(简称干法。
)水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粘性土、粉土、饱和黄土、素填土以及无流动地下水的饱和松散砂土等地基。
不宜用于处理泥炭土、塑性指数大于25的粘土、地下水具有腐蚀性以及有机质含量较高的地基。
若需采用时必须通过试验确定其适用性。
当地基的天然含水量小于30%(黄土含水量小于25%)、大于70%或地下水的pH值小于4时不宜采用于法。
连续搭接的水泥搅拌桩可作为基坑的止水帷幕,受其搅拌能力的限制,该法在地基承载力大于140kPa的粘性土和粉土地基中的应用有一定难度。
6、高压喷射注浆法:
适用于处理淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、砂土、人工填土和碎石土地基。
当地基中含有较多的大粒径块石、大量植物根茎或较高的有机质时,应根据现场试验结果确定其适用性。
对地下水流速度过大、喷射浆液无法在注浆套管周围凝固等情况不宜采用。
高压旋喷桩的处理深度较大,除地基加固外,也可作为深基坑或大坝的止水帷幕,目前最大处理深度已超过30m.
7、预压法:
预压法是一种有效的软土地基处理方法。
该方法的实质是,在构筑物建造前,先在拟建场地上施加或分级施加与其相当的荷载,使土体中孔隙水排出,孔隙体积变小,土体密实,提高地基承载力和稳定性。
堆载预压法处理深度一般达10m左右,真空预压法处理深度可达15m左右。
预压法适用于处理淤泥、淤泥质土、冲填土等饱和粘性土地基。
按预压方法分为堆载预压法及真空预压法。
堆载预压分塑料排水带或砂井地基堆载预压和天然地基堆载预压。
当软土层厚度小于4m时,可采用天然地基堆载预压法处理,当软土层厚度超过4m时,应采用塑料排水带、砂井等竖向排水预压法处理。
对真空预压工程,必须在地基内设置排水竖井。
预压法主要用来解决地基的沉降及稳定问题。
8、夯实水泥土桩法适用于处理地下水位以上的粉土、素填土、杂填土、粘性土等地基。
该法施工周期短、造价低、施工文明、造价容易控制,目前在北京、河北等地的旧城区危改小区工程中得到不少成功的应用。
图表4CFG桩法地基处理
9、水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)法适用于处理粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基。
对淤泥质土应根据地区经验或现场试验确定其适用性。
基础和桩顶之间需设置一定厚度的褥垫层,保证桩、土共同承担荷载形成复合地基。
该法适用于条基、独立基础、箱基、筏基,可用来提高地基承载力和减少变形。
对可液化地基,可采用碎石桩和水泥粉煤灰碎石桩多桩型复合地基,达到消除地基土的液化和提高承载力的目的。
10、石灰桩法适用于处理饱和粘性土、淤泥、淤泥质土、杂填土和素填土等地基。
用于地下水位以上的土层时,可采取减少生石灰用量和增加掺合料含水量的办法提高桩身强度。
该法不适用于地下水下的砂类土。
11、土或灰土挤密桩法:
土桩及灰土桩是利用沉管、冲击或爆扩等方法在地基中挤土成孔,然后向孔内夯填素土或灰土成桩。
成孔时,桩孔部位的土被侧向挤出,从而使桩周土得以加密。
土桩及灰土桩挤密地基,是由土桩或灰土桩与桩间挤密土共同组成复合地基。
土桩及灰土桩法的特点是:
就地取材,以土治土,原位处理、深层加密和费用较低。
灰土挤密桩法和土挤密桩法适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基,可处理的深度为5~15m.当用来消除地基土的湿陷性时,宜采用土挤密桩法;
当用来提高地基土的承载力或增强其水稳定性时,宜采用灰土挤密桩法;
当地基土的含水量大于24%、饱和度大于65%时,不宜采用这种方法。
灰土挤密桩法和土挤密桩法在消除土的湿陷性和减少渗透性方面效果基本相同,土挤密桩法地基的承载力和高压喷射注浆法适用于处理淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、砂土、人工填土和碎石土地基。
当地基中含有较多的大粒径块石、大量植物根茎或较高的有机质时,应根据现场试验结果确定其适用性。
高压旋喷桩的处理深度较大,除地基加固外,也可作为深基坑或大坝的止水帷幕,目前最大处理深度已超过30m。
12、排水固结法又称预压法,其包括堆载预压法、超载预压法、真空预压法、真空与堆载联合作用法、降低地下水位法和电渗法等多种方法;
通过在预压荷载作用下使软粘土地基土体中孔隙水排出,土体发生固结 ,土中孔隙体积减小,土体强度提高,达到减少地基施工后沉降和提高地基承载力的目的。
13、柱锤冲扩桩法适用于处理杂填土、粉土、粘性土、素填土和黄土等地基,对地下水位以下的饱和松软土层,应通过现场试验确定其适用性。
地基处理深度不宜超过 6m。
14、单液硅化法和碱液法适用于处理地下水位以上渗透系数为0.1~2m/d的湿陷性黄土等地基。
在自重湿陷性黄土场地,对Ⅱ级湿陷性地基,应通过试验确定碱液法的适用性。
15、综合比较法
在确定地基处理方案时,宜选取不同的多种方法进行比选。
对复合地基而言,方案选择是针对不同土性、设计要求的承载力提高幅质、选取适宜的成桩工艺。
2.6地基处理面临的问题
1)强度及稳定性问题
当地基的抗剪强度不足支承上部结构的自重及外荷载时,地基就会产生局部或者整体剪切破坏。
2)沉降变形问题
当地基在上部结构的自重及外荷载作用下,产生过大的变形时,会影响结构物的正常使用,特别超过容许的不均匀沉降量时,就开始破裂、破坏。
3)渗透性问题
地基的渗透量或者水力比降超过容许值时,会发生水量损失,或者潜蚀和管涌导致建筑物失事
4)液化问题
地震,机器,车辆的的震动,波浪,爆破等动力荷载都会引起地基土,特别是无粘性饱和土的液化。
3.基础的设计
房屋基础设计应根据工程地质和水文地质条件、建筑体型与功能要求、荷载大小和分布情况、相邻建筑基础情况、施工条件和材料供应以及地区抗震烈度等综合考虑,选择经济合理的基础型式。
砌体结构优先采用刚性条形基础,如灰土条形基础、Cl5素混凝土条形基础、毛石混凝土条形基础和四合土条形基础等,当基础宽度大于2.5m时,可采用钢筋混凝土扩展基础即柔性基础。
多层内框架结构,如地基土较差时,中柱宜选用柱下钢筋混凝土条形基础,中柱宜用钢筋混凝土柱。
框架结构、无地下室、地基较好、荷载较小可采用单独柱基,在抗震设防区可按《建筑抗震设计规范》第6.1.1l条设柱基拉梁。
框架结构、有地下室、上部结构对不均匀沉降要求严、防水要求高、柱网较均匀,可采用箱形基础;
柱网不均匀时,可采用筏板基础。
无地下室、地基较差、荷载较大为增强整体性,减少不均匀沉降,可采用十字交叉梁条形基础。
有地下室,无防水要求,柱网、荷载较均匀、地基较好,可采用独立柱基,抗震设防区加柱基拉梁。
或采用钢筋混凝土交叉条形基础或筏板基础。
筏板基础上的柱荷载不大、柱网较小且均匀,可采用板式筏形基础。
当柱荷载不同、柱距较大时,宜采用梁板式筏基。
如采用上述基础不能满足地基基础强度和变形要求,又不宜采用桩基或人工地基时,可采用筏板基础(有梁或无梁)。
无论采用何种基础都要处理好基础底板与地下室外墙的连结节点。
框剪结构无地下室、地基较好、荷载较均匀,可选用单独柱基,墙下条基,抗震设防地区柱基下设拉梁并与墙下条基连结在一起。
无地下室,地基较差,荷载较大,柱下可选用交叉条形基础并与墙下条基连结在一起,以加强整体性,如还不能满足地基承载力或变形要求,可采用筏板基础。
剪力墙结构无地下室或有地下室,无防水要求,地基较好,宜选用交叉条形基础。
当有防水要求时,可选用筏板基础或箱形基础。
高层建筑一般都设有地下室,可采用筏板基础;
如地下室设置有均匀的钢筋混凝土隔墙时,采用箱形基础。
当地基较差,为满足地基强度和沉降要求,可采用桩基或人工处理地基。
多栋高楼与裙房在地基较好(如卵石层等)、沉降差较小、基础底标高相等时基础可不分缝(沉降缝)。
当地基一般,通过计算或采取措施(如高层设混凝土桩等)控制高层和裙房间的沉降差,则高层和裙房基础也可不设缝,建在同一笺基上。
施工时可设后浇带以调整高层与裙房的初期沉降差。
当高层与裙房或地下车库基础为整块筏板钢筋混凝土基础时,在高层基础附近的裙房或地下车库基础内设后浇带,以调整地基的初期不均匀沉降和混凝土初期收缩。
4.基坑工程
4.1基坑工程概述
基坑是建筑工程施工中,为方便地基的施工而在地表开挖的施工场所。
按开挖深度分为两类:
深度等于或大于七米称为深基坑,小于七米的为浅基坑。
按开挖方式可分为放坡开挖基坑和支护开挖基坑两大类。
按功能用途分为:
楼宇基坑、地铁站深基坑、市政工程地下设施深基坑、工业深基坑。
4.2地下水控制
当基坑开挖至地下水位以下时,为了防止因地下水作用而引起的渗流、流砂、管涌、坑底隆起、边坡滑塌以及坑外地层过度变形等,保证施工过程中处于疏干和稳态的工作条件下进行开挖,必须做好对地下水的控制工作。
基坑工程控制地下水的方法有降低地下水位与隔离地下水两类。
对于弱透水地层中的浅基坑,当基坑环境简单、含水层较薄、降水深度较小时,可考虑采用集水明排的方法进行降水;
在其他情况下宜采用降水井降水、隔水措施或隔水、降水综合措施。
基坑地下水控制设计应具备下列资料:
(1)地层各分层的岩性厚度及顶底板高程。
(2)地下水的类型、地下水位标高与动态规律以及各含水层之间的水力联系。
(3)各含水层的补给、径流条件、基坑与附近大型地表水源的距离关系及其水力联系。
(4)各含水层的水文地质及与降水相关的工程地质参数。
图表5井点降水
(5)基坑开挖深度、尺寸,基坑周围建筑与地下管线基础情况,基坑支护结构类型。
(6)基坑工程施工季节内的气象资料及基坑维持时间
4.3基坑降水
基坑降水常用的方法是明沟排水和井点降水。
明沟排水就是在基坑内或基坑外设置排水沟、集水井(坑),用抽水设备将地下水从集水井(坑)中排出。
井点降水是将带有滤管的降水工具沉没到基坑四周的土中,利用各种抽水工具,在不扰动土结构情况下,将地下水位下降至基坑底部以下,以利基坑的开挖。
井点降水在深基坑中应用较广,较为常见。
基坑降水首先应进行基坑降水内容的设计,设计内容主要有:
①确定降水井类型;
②降水井系统的布设,包括井数、井深、井距、井径、过滤管、工人滤层、单井出水量、水位与地面沉降的监测等;
③预测降水效果,包括基坑内外典型部位的最终稳定水位及水位降深随时间的变化,降水引起的沉降及对邻近建筑物、地下管线等的影响;
④设置回灌井时,应进行回灌系统的设计。
井点的平面布置尽可能使井点能包围基坑,并考虑地下水流向、降水深度和土质等因素,布置成环形、U型或线形,目的是使基坑中心水位降到最低。
当基坑宽度小于6m,降深不超过5m时,可采用单层轻型井点;
若要求降水深度大于5m、基坑宽度大于6m时,可采用多层轻型井点;
井点距坑边约0.5~1.0m。
基坑降水的井数、井深、井距及单井出水量等可通过计算确定。
在房屋建筑与构筑物的基坑降水中,多采用轻型井点或多层轻型井点类型。
4.4基坑事故原因
造成基坑工程事故的原因有以下几个方面:
1)基坑及周围土体物理力学性质、埋藏条件、水文地质条件十分复杂,勘察所得到的数据离散性大,很难比较准确地反映土层的总体情况;
2)基坑周围复杂的施工环境。
诸如:
邻近的建(构)筑物、道路和地下管线等设施都会对基坑围护结
构产生不良影响;
3)基坑周围侧向土压力计算和围护结构受力简化计算的假定都与工程实际状况有着一定差别,因此对基坑稳定性和变形问题的预测很难做到比较精确;
4)围护结构施工质量的优劣,直接影响到围护结构及被围护土体变形量的大小,稳定性以及邻近建筑物、构筑物及设施的安全。
一个设计合理的围护系统,完全可能是由于施工质量未能满足要求而造成破坏;
5)连续的降雨及暴雨等引起的墙后土体应力增加,冲刷,浸泡、地下水渗透都会引起围护结构失稳;
6)基坑开挖施工过程中的一些人为因素,诸如施工顺序不当、支撑安装不及时,坑周边堆载过多、排水不畅等都会对围护造成不良影响。
5.地基处理方案的确定
地基处理方案的确定可按下列步骤进行:
1.搜集详细的工程质量、水文地质及地基基础的设计材料。
2.根据结构类型、荷载大小及使用要求,结合地形地貌、土层结构、土质条件、地下水特征、周围环境和相邻建筑物等因素,初步选定集中可供考虑的地基处理方案。
另外,在选择地基处理方案时,应同时考虑上部结构、基础和地基的共同作用;
也可选用加强结构措施(如设置圈梁和沉降缝等)和处理地基相结合的方案。
3.对初步选定的各种地基处理方案,分别从处理效果、材料来源及消耗、机具条件、施工进度、环境影响等方面进行认真的技术经济分析和对比,根据安全可靠、施工方便、即经济合理等原则,从而因地制宜地循着最佳的处理方法。
值得注意的是,每一种处理方法都有一定的适用范围、局限性和优缺点。
没有一种处理方案是万能的。
必要时也可选择两种或多重地基处理方法组成的综合方案。
4.对已选定的地基处理方法,应按建筑物重要性和场地复杂程度,可在有代表性的场地上进行相应的现场试验和试验性施工,并进行必要的测试以验算设计参数和检验处理效果。
如达不到设计要求时,应查找原因、采取措施或修改设计以达到满足设计的要求为目的。
5.地基土层的变化是复杂多变的,因此,确定地基处理方案,一定要有经验的工程技术人员参加,对重大工程的设计一定要请专家们参加。
当前有一些重大的工程,由于设计部门的缺乏经验和过分保守,往往使很多方案确定的不合理,浪费也是很严重的,必须引起有关领导的重视。
6.实习内容
6.1桩基础处理
基础是将建筑物荷载传递给地基的下部结构,而随着国民经济的发展和城市建筑规模的不断扩大,桩基础成为了建筑工程中目前常用的一种深基础形式。
我结合公司技术人员的介绍和通过查找一些资料,对桩基础概括如下几个方面:
1)概念
桩基础是用承台或梁将沉入土中的桩联系起来,以承受上部结构荷载的一种常用的基础形式。
2)作用
桩基础是将上部建筑物的荷载传递到深处承载力较强的土层上,或将软弱土层挤密室以提高地基土的承载能力和密实度。
3)分类
桩基础按桩的受力情况,可分为摩擦桩和端承桩两类;
按桩身的材料,可分为木桩、混凝土桩、钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩和钢桩等;
按桩的施工方式,又可分为预制桩和灌注桩两大类。
4)施工方式
根据场地的工程地质条件,设计方案的技术、经济比较以及施工条件而合理选择不同桩及沉桩方式。
例如这次在商丘实习的工程便根据场地条件选择了采用静压桩施工。
6.2静压桩施工
静压桩是利用压桩机架自重和配重的静压力将预制桩逐节压入土中的沉入方法。
这种方法节约钢筋和混凝土、降低工程造价,而且施工时务噪声、无振动,对周围环境的干扰影响小,使用于软土地区城市或建筑物密集处。
以及精密工厂扩建工程等施工。
静力压桩在一般情况下桩分段预制、分段压入、逐段接长。
每节桩长取决于桩架高度。
通常为6米左右,压桩桩长可达30米以下,桩断面为400mm×
400mm。
接桩方法有焊接法、硫磺胶泥锚固接法。
压桩施工前,应了解施工现场土层土质情况,检查桩机设备,以免压桩时中途中断,造成土层固结,使压桩困难。
如果压桩需要
图表6静压桩机
停歇,则应考虑桩尖应停歇在软土层中,以使压桩启动阻力不致过大。
压桩机自重大,行驶路基必须有足够承载力,必要时应加固处理。
压桩时,应始终保持桩轴受压,若有偏移立即纠正。
接桩应保证上下节桩轴线一致,并应尽量减少每根桩的接头个数,一般不宜超过4个接头。
施工中,若压阻力超过压桩能力使桩架上抬倾斜时,应立即停压,查明原因。
当桩压至接近设计标高时,不可过早停压,应使压桩一次成功,以免发生压不下去或超压现象。
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