第1章 土方工程.docx

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第1章土方工程

第1章土方工程

常见土方工程：

场地平整，基坑、沟槽开挖，人防工程和地下建筑屋的土方开挖，路基工程等；

土方工程的主要施工过程：

开挖、爆破、运输、填筑、平整和压实等。

1.1概述

1.1.1土方工程的特点

Ø工程量大；

Ø施工工期长；

Ø工人劳动强度大；

Ø施工条件复杂（受气候、水文、地质等影响较大）；

1.1.2土的工程分类

土的分类方法：

Ø按土的颗粒级配（几何上）

Ø按土的塑性指数（物理指标上）

Ø按土的沉积年代（时间上）

Ø按土的开挖难易程度（工程性质上），见书本P4表2-1

1.1.3土的基本性质

土的组成——土的固体颗粒、土中的水、土中的空气；土的三相物质实混合分布的，但一般用土的三相图来表示土的组成。

土的物理性质：

1）土的可松性和可松性系数——指自然状态下的土经开挖后，体积因松散而增大，以后虽经回填压实，也不能恢复到原来的性质；土的可松性可松性系数表示：

最初可松性系数：

，最终可松性系数：

——土在天然状态下的体积；

——土在开挖后松散状态下的体积；

——土在经压（夯）后的体积

例：

某基坑开挖体积为200m3，基础体积为120m3，基础做好后进行土方回填。

则回填后余下松土有多少？

（kS=1.2,kS=1.1）练习：

某基坑开挖体积为500m3，基础体积为250m3用土去填满，填满后，将剩余的土填入底面积为10×10m2的坑内，问坑为多高？

（kS=1.2,kS=1.1）

2）土的天然含水量——指土中水的重量与土的固体颗粒重量的百分比，

3）土的天然密度——指自然状态下单位体积土的质量，

4）土的干密度——指单位体积固体颗粒部分的质量，

5）土的孔隙比——土的孔隙体积与固体体积的比值，

6）土的孔隙率——土的孔隙体积与总体积的比值，

7）土的渗透性及渗透系数——指水流通过土中孔隙的难易程度，水在单位时间内穿透土层的能力用渗透系数K表示，单位为m/d.

1.2土方工程量计算及土方调配

1.2.1基坑、基槽

基坑：

底面积在20m2以内，且底长为底宽3倍以内者；基坑的土方量计算（书上的图例）：

V=（H/6）×（A1+4A0+A2）

式中：

A1、A2——上、下底面积；

A0——中截面的面积；

H——深度；

基槽：

宽度在3m以内，且长度等于或大于宽度3倍者；基槽的土方量计算：

V=（H/6）×（A1+4A0+A2）

式中：

A1、A2——上、下底面积；

A0——中截面的面积；

H——深度；

1.2.2场地平整土方量的计算

场地平整：

将现场平整为施工所要求的设计平面；

场地平整的步骤：

确定场地设计标高－>计算挖、填土方工程量—>确定土方平整调配方案—>选择土方机械、拟定施工方案。

1）确定场地设计标高

确定场地设计标高时应考虑的因素：

建筑规划、生产工艺、运输、尽量利用地形、排水；

初步计算场地设计标高

原则：

场地内挖、填方量平衡；

步骤：

划分网格－>利用等高线内插求得节点标高（有地形图时）/测量节点木桩高度（无地形图时）－>计算场地设计标高；

（1）设计标高的计算公式：

场地标高的调整

（2）场地标高调整的原因：

土的可松性；

边坡挖填方量不等；

就近挖填土；

泄水坡度的影响——单向泄水（

）、双向泄水（

）；

2）场地土方量的计算

计算步骤：

（节点实际设计标高－自然地面标高）－>计算每个方格的挖填方量—>计算场地边坡的挖填方量—>累计求挖、填方总量；

（1）各方格角点的施工高度计算：

式中：

——角点施工高度；

——角点的实际设计标高；

——角点的自然地面标高；

（2）计算零点位置

当一个方格内同时有填挖方时，按下式计算零点位置：

；

（3）计算方格土方工程量（书上列出了各种挖填方的土方量计算公式）

（4）边坡土方量计算

（5）计算土方总量（累加）

1.2.3土方调配

土方调配：

对挖土的弃和填的填的综合协调；

土方调配的原则

Ø挖方和填方基本平衡和就近调配；

Ø考虑施工与后期利用；

Ø合理布置挖、填分区线，选择恰当的调配方向、运输路线；

Ø好土用在回填质量高的地区；

土方调配图表的编制方法（教材上例题）

1）划分调配区（若干个网格的联合）；

2）计算土方量（编写在图上）；

3）计算调配区之间的平均运距

平均运距：

挖方区土方重心至填方区重心的距离。

挖（填）方区重心的求法——取场地或方格网中纵横两边为坐标轴，求各区土方的重心公式为：

；

4）确定土方最优调配方案（以线性规划理论为基础）；

5）在场地地形图上绘制土方调配图、调配平衡表（调配方向、土方数量和平均运距）；

1.3施工准备与辅助工作

1.3.1施工准备

土方开挖前的主要准备准备工作：

Ø场地清理（房屋、古墓、通讯电缆、水道、树木等）；

Ø排出地面水（尽量利用自然地形来排水，设置排水沟）；

Ø修筑临时设施（道路、水、电、机棚）；

1.3.2土方边坡与土壁支撑

1）土方边坡

土方边坡的坡度：

土方挖方深度H与底宽B之比，即

，式中，m成为边坡系数；

影响土方边坡大小的因素：

土质、开挖深度、开挖方法、边坡留置时间、边坡附近的荷载状况、排水情况；

书上给出了不放坡和放坡两种情形的具体条件；

2）土壁支撑

土壁支撑的优点：

缩小施工面、减少土方量和克服场地限制；

挡土板的类型、适用情形：

Ø横撑式挡土板——断续式（适合湿度较小的粘土）、连续式（适合松散、湿度大的土）；

——随挖随撑，随拆随填；

Ø垂直式挡土板（适合松散和湿度很大的土）；

1.3.3土方工程施工和降低地下水位

降水方法：

明排水法和人工降低地下水位

1）明排水法：

在基坑或沟槽开挖时，采用截、疏、抽的方法进行排水（开挖时，沿坑底周围或中央开挖排水沟，再在沟底设集水井，使基坑内的水经排水沟流向集水井，然后用水泵抽走）

集水井的截面尺寸和构造要求见教材P19；

明排水方法的适用范围：

开挖深度不宜太大，地下水位不宜太高，土质宜较好；

2）流砂：

基坑底部的土成流动状态，随地下水涌入基坑的现象

（1）流砂的特点：

土完全丧失承载能力

（2）流砂的成因：

高低水位间的压力差使得水在其间的土体内发生渗流，当压力差达到一定程度时，使土粒处于悬浮流动状态；

（3）流砂的受力分析：

式中：

——截面积

——作用在土体a－a截面上的总水压力；

——作用在土体b－b截面上的总水压力；

——水渗流时的土颗粒总阻力；

（4）水力坡度：

水头差与渗透路径长度的比值

（5）动水压力：

当动水压力

时，土粒处于悬浮状态，土的抗剪强度等于零，土粒随着渗流的水一起流动，发生“流砂现象”。

（6）易发生流砂的土（见教材P21）；

流砂的治理办法，主要途径是消除、减少或平衡动水压力，具体措施有抢挖法、打板桩法、水下挖土法、人工降低地下水位（轻型井点降水）等；

3）管涌：

坑底位于不透水层，不透水层下面为承压蓄水层，坑底不透水层的覆盖厚度的重量小于承压水的顶托力时，发生管涌现象；

管涌的受力分析：

4）人工降低地下水位

定义：

在基坑开挖前，预先在基坑四周埋设一定数量的虑水管（井），利用抽水设备抽水，使地下水位降落在坑底以下。

方法：

轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点等，各种方法的适用范围见教材P22；

5）轻型井点降低地下水位（图例见教材P23页）

（1）组成：

管路系统与抽水设备；

Ø管路系统：

井点管、滤管、总管、联结管；

Ø抽水设备：

离心泵、真空泵、水气分离器；

（2）轻型井点的布置的影响因素：

基坑大小、深度、土质、地下水位的高低、流向、降水深度等；

（3）轻型井点的平面布置：

单排线状井点、双排井点、U形井点、环状井点；

（4）轻型井点的平面布置的构造；

（5）轻型节点的高层布置：

井点管的埋设深度H（不包括虑管长），按下式计算（图例见教材P24）：

；

式中

——地下水降落坡度，环状井点1/10，单排线状井点为1/4；

（6）轻型节点的高层布置的构造；

（7）注意事项：

Ø虑管必须埋设在透水层内；

Ø总管的布置宜接近地下水位线（可事先挖槽）；

Ø水泵轴心标高宜与总管平行或略低于总管；

Ø总管应具有0.25％～0.5％的坡度（坡向泵房）；

6）轻型井点的计算

井点的分类：

Ø（不）完整井（井底是否达到不透水层）、（无）承压井（地下水是否有压力）；

Ø承压完整井、承压非完整井、无压完整井、无压非完整井；

（1）涌水量计算

对于无压完整井，其涌水量计算公式为（教材P27上有图例）：

式中，K——土的渗透系数；

H——含水层厚度；

s——水位降低值；

R——抽水影响半径，一般用式

计算；

x0——环状井点系统的假想半径，对于矩形基坑，其长度与宽度之比不大于5时，可按式

计算，F为环状井点系统所包围的面积；

对于无压非完全井，其涌水量计算公式为（教材P27上有图例）：

式中，H0——有效抽水深度，

，可按教材P26上表格查；

S'——井点管中水位降落值；

l——虑管长度；

对于承压完全井，其涌水量计算公式为：

式中，M——承压含水层厚度

上述三式的应用条件：

Ø矩形基坑的长宽比小于5；

Ø基坑宽度小于抽水影响半径的两倍；

Ø井点管数量与井距的确定

（2）单根井点管的最大出水量：

（3）井点管的最少根数：

（4）井点管的平均间距：

，其中L为总管长度；

注意事项：

Ø井点管间距不能过小，否则彼此干扰过大；

Ø在基坑周围四角和靠近地下水流方向一边的井点管应适当加密；

Ø实际采用的井距，还应与集水总管上的短接头间距相适应；

（5）抽水设备的选择：

真空泵，按总管长度选用；离心泵，按涌水量的大小选用；

（6）井点管的安装使用

Ø轻型井点的安装程序：

排总管→埋设井点管→弯管连接→安装抽水设备

Ø井点管的冲水法埋设程序：

吊直定位→边冲边沉（构造）→拔冲管，插井点管→填灌砂虑层→粘土封口（防漏气）；

Ø轻型井点使用时的注意事项：

宜连续抽水，否则易堵塞虑管，建筑屋沉降，地下水回升（边坡塌方）；

观察真空泵的真空度，对于漏气，采取措施；

检查井点管是否堵塞（正常管，则应冬暖夏凉）；

设置观察孔在影响半径内观察地下水位；

7）喷射井点降低地下水位

Ø适用情形：

降水深度超过6m，土层渗透系数为0.1~2.0m/d，降水深度可大20m；

Ø喷射井点的主要设备（见教材P31）；

Ø喷射井点的工作原理（见教材P31）；

Ø喷射井点的平面布置（见教材P31）；

8）深井井点降低地下水位

适用情形：

抽水量大、较深的砂类土，降水深度可达50米；

1.4土方机械化施工

常用的施工机械有：

推土机、铲运机、单斗挖土机、装载机等；

1.4.1常用土方施工机械的施工特点

推土机施工

按推土板分类：

钢丝绳操作、油压操作（升调推土板、转动推土板）；

使用范围：

场地清理、场地平整；破、松硬土；土方压实；

特点：

操作灵活、工作面小、行驶块；

提高生产率的作业方法：

Ø下坡推土——利用机械重力势能提高生产率；

Ø并列推土——减小土的散失；

Ø多刀送土——先集中堆积在A处，然后再推到B处；

Ø槽形推土——减少土的散失；

推土机的生产率计算

Ø小时生产率：

；

Ø推土机的台班生产率：

铲运机施工

构成：

牵引机械和土斗；

分类：

拖式和自行式，油压式和索式；

使用范围：

挖土、运土、平土和填土；

特点：

适合大面积土方工程，适合松土和普通土，适合含水率低的土质；

提高生产率的作业方法：

Ø合理的行走路线——环形路线、8字形路线；

Ø施工方法——下坡铲土、跨铲法、助铲法；

铲土机的生产率计算

Ø小时生产率：

；

式中：

——铲斗装土的充盈系数（一般砂土为0.75，其它土为0.85～1.3）；

Ø铲运机的台班生产率：

单斗挖土机施工

分类：

履带式和轮胎式（行走装置），正铲、反铲、拉铲和抓铲（工作装置）；

1）正铲挖土机

特点：

向前先上，强制切土；

适用范围：

大型干燥基坑开挖，土丘开挖；

性能指标：

动臂倾角、最大挖土高度、最大挖土半径等（其它性能指标见教材P38）；

开挖方式：

正向挖土，侧向卸土（动臂回转半径小，工作面小，效率高）；

正向挖土，发现卸土（动臂回转半径大，工作面大，效率低）；

工作面：

一次开行中进行挖土的工作范围，由挖土机技术指标及挖、卸土的方式决定；

工作面的布置原则：

保证挖土机生产效率最高，而土方的欠挖数量最少；

根据开挖方式，工作面分为正工作面，侧工作面（教材P39～P40页给出了详细的两类工作面计算方式）；

开挖层数和每层的开行次数的确定：

Ø开挖层数：

；

Ø开行次数：

正铲挖土机的工作面布置（见教材P41）；

2）反铲挖土机

特点：

后退向下，强制切土；

适用范围：

基坑、基槽和管沟、含水率比较大的土质；

开挖方式：

沟端开挖、沟侧开挖；

3）拉铲挖掘机

特点：

后退向下、自重（土斗自重）切土；适用范围：

大而深的基坑；

4）抓铲挖土机

特点：

直上直下、自重（土斗自重）切土；适用范围：

窄而深的基坑；

1.4.2土方挖运机械的选择及配套计算

土方机械的选择：

根据工程特点和技术条件以及各种土方挖运机械的特点和适用范围，选择效率高、费用低的机械进行施工；

教材P44～45页给出了针对若干种工程特征和技术条件进行土方挖运机械的选择方案；

土方挖运机械的配套计算：

方法：

确定主导施工机械的，根据主导机械的性能选择配套机械；

教材P45列举了“挖运机与运土车辆的配套计算”案例；

1.5土方的填筑和压实

1.5.1填筑的要求

填方工程强度和稳定性要求正确选择填土的种类和填筑方法。

填筑的种类：

碎石类土、砂土和爆破石渣用作表层下填料；

粘土的含水量不宜太大；

不应采用大量含有有机质的土——吸水变形；

不应采用防水溶性硫酸盐的土——易溶解后形成空洞；

不应采用淤泥、冻土和膨胀土等用作填土；

填筑方法：

分层填筑；

宜用同类土填筑；

不同土，应将透水性大的土置于下层；

1.5.2填筑压实方法

碾压法

适用范围：

大面积填土工程；

种类：

光面碾、羊足碾和气胎碾；

夯实法

原理：

利用夯锤的势能来夯实土壤；

适用范围：

小面积回填工程；

种类：

夯锤、内燃机夯土机和蛙式打夯机；

振动压实机

原理：

土粒在外界振动力的作用下发生相对位移而变得密实；

适用范围：

非粘性土的大面积填土；

1.5.3填土压实的影响因素

填土压实的主要影响因素：

压实功、土的含水量、每层的铺土厚度。

1）压实功的影响

对于相同的土体，压实功越大，土体密度增加的速度越快；在压实功变化不大的情况下，土体密度的变化梯度逐渐减小；

对于松散土，不宜用重型碾压机碾压，应先用轻型碾压机碾压；

2）含水量的影响

含水量过低，土粒间的摩擦力较大，不易压实；

含水量过大，土粒间的孔隙处于充盈状态，不易压实；

含水量适中，水起润滑作用，减小摩擦力，易压实；

教材P47上给出了各类土的最佳含水量；

3）铺土厚度的影响

土在压实功的作用下，短期（瞬时）附加应力随深度的增加而减小，其影响深度与压实机械（外界条件），土的性质和含水量（内部因素，实际上指土的抗剪能力）有关；

教材P48上给出了各类土的最佳土层厚度；

1.6基坑（槽）施工

1）放线

Ø基槽放线：

用木桩确定外墙的轴线的交点→测定外墙轴线→测定内部开间所有轴线→根据边坡系数，用石灰在地面上标出开挖边线→在房屋四周设置龙门板；

Ø柱基放线

Ø大基坑开挖

2）基坑（槽）开挖

Ø一般的基坑（槽）开挖（尺度合理，坑壁稳定，基地强度、稳定性满足）：

按规定尺寸确定开挖顺序和开挖深度；

除回填土外，其它土应弃置于弃土地区；

采取措施避免发生坑壁滑坡、地基中产生过大的附加应力；

为防止基地土受到扰动，应挖至基底标高以上；

当超挖至基底标高以下时，应用相同的土料，或碎石类土，或低强度砼填补，并应达到规定的密实度；

Ø软土地区的基坑（槽）开挖

Ø深基坑的开挖

1.7土方工程质量标准与安全技术