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1、第十七章 土木工程施工与管理第一节 土石方工程 土石方工程包括土(或石)的挖掘、运输和填筑等过程，以及排水、降低地下水位和支护结构等施工。 一、土石方工程的准备与辅助工作 土石方工程的准备与辅助工作，除通常所说的“三通一平”(路通、水通、电通、场地平整)外，还包括降水与施工支护结构等，是保证土石方工程顺利进行的重要条件。 1土方边坡与支护结构 开挖基坑时，当挖深不大，且敞露时间不长时，可直立壁开挖。当挖深超过一定限度则需放坡开挖，边坡坡度(高：宽)可做成直线形、折线形或踏步形，取决于土质种类、开挖方法、挖土深度、地面超载大小等，有参考数据供施工时采用。 当挖土深度较大，放坡不经济或周围附近有设
2、施(建筑物、地下管线、道路等)不允许放坡时，如要保持直立土壁的稳定，则需增设基坑的支护结构，起挡土、挡水作用，并保护周围环境，减少对相邻设施的不利影响。 基坑支护结构应根据工程特点、基坑周边环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工作业设备和施工季节等条件因素综合考虑选用。常用的支护结构形式包括重力式支护结构阳板式支护结构。重力式支护结构主要包括: (1)深层搅拌水泥土桩:主要是通过搅拌桩机将水泥与土进行搅拌,形成连续搭接的桩状水泥加固土即水泥搅拌桩,起到挡土和隔水的作用。深层搅拌水泥土桩具有施工无噪声、无振动、不排污、成本低、施工效率高等优点,但相对位移较大,厚度也较大。水泥土墙基坑侧壁安全等
3、级宜为二、三级,水泥土桩施工范围内地基士承载力不宜大于150kPa,基坑深度不宜大于6m。(2)土钉墙:土钉墙墙面坡度不宜大于1: 0.1,土钉必须和面层有效连接,应设置承压板或加强钢筋等构造措施,承压板或加强钢筋应与土钉螺栓连接或钢筋焊接连接。土钉墙基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地,基坑深度不宜大于12m。当地下水位高于基坑底面时,应采取降水或截水措施。板式支护结构由挡墙系统和支撑系统组成。其中挡墙的主要形式包括: (1)钢板桩:依靠锁口来连接钢制板桩,从而形成挡墙,种类包括直线型、U型等。钢板桩具有高强、轻型、施工简便、耐久性强、可重复使用等优点,用途广泛,适用于软土地基和地下水位
4、较高、水量较多的基坑支护。但钢板桩一次用钢量大,支护刚度小,挡水效果有局限。(2)高压旋喷桩:以高压旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合,形成连续搭接的水泥土加固体。施工占地少、振动小,噪音较低,但容易污染环境,成本较高,对于特殊不能使喷出浆液凝固的土质不宜采用。(3)钻孔灌注桩:通过机械或人工方法在桩位成孔,向孔内灌注混凝土形成桩,进而排列形成挡墙。钻孔灌注桩具有较好的刚度,但需采取措施提高防水性能和柱间连接的可靠性,钻孔灌注桩应用广泛,适用于地下水位较低、复杂的地质环境。 (4)地下连续墙:借助施工机械在地下挖掘狭长深槽,在槽内吊放入钢筋笼并浇筑混凝土,形成钢筋混凝土墙段,墙段连接形成地下
5、连续墙。地下连续墙整体刚度大、抗渗性好、对环境影响小,适用于基坑深度大、地质环境复杂、周围环境要求高的情况。 (5)逆作拱墙:逆作拱墙结构形式根据基坑平面形状可采用全封闭拱墙,也可采用局部拱墙,基坑侧壁安全等级宜为二级、三级。拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8,基坑开挖深度不宜大于12m。逆作拱墙不宜用于淤泥和淤泥土场地。施工过程中地下水位高于基坑底面时,应采取降水或截水措施。(6) SMW工法: SMW (SoilMixing wall的简称)工法是通过多轴型钻掘搅拌机就地进行土体钻掘,同时在钻头处将水泥浆注入土体进行充分搅拌,在水泥土体未结硬前将H型钢或其他型材插入搅拌桩,从而形成具有一定强度
6、和刚度的连续地下墙体。SMW工法 施工简便、抗渗性好、工期短、环境影响小等优点,具有较强的适用性。 保持挡墙牢固稳定需借助支撑系统,支撑系统包括内支撑和锚杆。内支撑有水平横撑、扁撑、斜撑,使用材料包括钢结构支撑(大型钢管、H型钢、格构式钢支撑)和钢筋混凝土结构支撑。锚杆有斜锚杆、锚定板拉杆等。支撑系统应根据基坑深度、平面尺寸、土体受力情况、周边环境要求等因素综合考虑确定方案。常用的支撑方法包括: (1)横撑式支撑:横撑式支撑适用于较为狭窄的基坑,包括水平挡土板式和垂直挡土板式。水平挡土板式又分为断续式和连续式。前者适用于能保持直立壁的干土或天然湿度的粘土,深度在3m以内;后者适用于较潮湿的或散
7、粒的土,深度在5m以内。垂直挡土板式适用于土质较松散或湿度很高的土,深度不限。(2)大型结构支撑:包括钢结构支撑体系和钢筋混凝土结构支撑体系。施工过程中随着基坑开挖逐层安装(浇筑)结构支撑,并在支撑内继续开挖。大型结构支撑,尤其 筋混凝土支撑刚度大、变形小,适用于在软土层开挖的较大、较深的基坑。 (3)锚拉支撑:柱桩在水平挡土板外侧,一端打入土中,另一端用拉杆与锚桩拉紧在挡土板内侧回填土。拉锚的材料一般采用钢筋、钢索、型钢或土锚杆。锚拉支撑适用于开挖面积较大、深度不大的基坑或使用机械挖土不设置横撑的情况。对支护结构要进行强度、稳定和变形方面的计算,三方面都需满足要求。计算方法包括圆弧滑动简单条
8、分法、弹性支点法等,后者应用较多。在弹性支点法中,支护结构水平荷载标准值eajk应按当地可靠经验确定,当无经验时可按下列规定计算(图17-1-1):(1)对于碎石土及砂土:1)当计算点位于地下水位以上时:eajk 2）当计算点位于地下水位以下时;eajk= +(zj-hwa)-(mj-hwa) 2地下水控制地下水控制的设计和施工应满足支护结构设计要求，根据场地及周边工程地质条件、水文地质条件和环境条件并结合基坑支护和基础施工方案综合分析、确定。地下水控制方法可分为明排集水、降水、截水和回灌等型式单独或组合使用。见表1712。方法名称土类渗透系数(m/d)降水深度(m)水文地质特征集水明排填土、
9、粉土、黏性土、砂土7205上层滞水或水量不大的潜水降水真空井点0.1-20单级6多级20喷射井点0.1-205含水丰富的潜水、承压水、裂隙水截水粉土、黏性土、砂土、碎石土、可溶岩不限不限回灌填土、粉土、砂土、碎石土0.200不限在地下水位高的地区开挖较深的基坑，如无能挡水的支护结构，多数要降水。对软土地区的深基坑，即便设有挡水的支护结构，基坑外的地下水不会流人基坑，但为了便于机械挖土，亦多需在挖土前进行坑内降水，同时降水后能提高被动土压力，有利于支护结构的稳定和减小变形。其中，井点降水是使用较多的地下水控制方法：在基坑开挖前，预先在基坑四周埋设一定数量下部带滤管的井点管，在基坑开挖前和开挖过程
10、中，利用真空设备不断抽取地下水，使地下水位降至坑底以下，不使地下水在基坑开挖过程中流人坑内。井点降水一般有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点和深井井点等，根据土的渗透系数、降水深度、设备条件及经济比较等因素确定。井点管为直径3851mm、长57m的钢管。滤管直径常与井点管直径相同，长度为10-17m，管壁上钻有直径1219mm、呈星棋状排列的滤孔，外面包以两层孔径不同的生丝布或塑料布滤网。降水井宜在基坑外缘采用封闭式布置，井间距应大于15倍井管直径，在地下水补给方向应适当加密；当基坑面积较大、开挖较深时，也可在基坑内设置降水井。其深度应根据设计降水深度、含水层的埋藏分布和降水井的出水能力确
11、定，设计降水深度在基坑范围内不宜小于基坑底面以下0.5m。井点降水的涌水量按水井理论计算。根据地下水有无压力，水井分为无压井和承压井。水井底部到达不透水层时称完整井，否则称非完整井。所以水井共分四种，即无压完整井、无压非完整井、承压完整井和承压非完整井。各种井的涌水量计算公式不同，如：无压完整井当基坑远离边界时，其涌水量计算公式为：Q=1.366k(2H-S)S/lg(1+R/r0)式中 Q基坑涌水量；k-渗透系数；H-潜水含水层厚度；S-基坑水位降深；R-降水影响半径(宜通过试验或根据当地经验确定，当基坑侧壁安全等级为二、三级时，可按经验公式计算R =2S(kH)0.5)；ro-基坑等效半径
12、(当基坑为圆形时，取圆半径；当基坑为非圆形时，按下式计算：矩形基坑ro=0.29(a+b)，其中a、b分别为基坑的长、短边；不规则块状基坑r0=(A/)0.5，式中A为基坑面积)。无压非完整井当基坑远离边界时，其涌水量计算公式为Q=1.366(H2-h2m)/(lg(1+R/r0)+lg(1+0.2hm/r0)(hm-l)/l)式中hm=(H+h)/2承压完整 当基坑远离边界时，其涌水量则按下式计算： Q=2.73kMS/lg(1+R/r0)式中 R降水影响半径(宜通过试验或根据当地经验确定，当基坑侧壁安全等级为二、三级时，可按经验公式计算R=10Sk0.5)；M承压含水层厚度；l过滤器进水部
13、分长度(m)；其他符号同前。 至于单根井点管的出水量，由下式计算： q=120rsl (17116) 式中:q-单根井点管的出水量(m3d)； rs-过滤器半径(m)； 其他符号同前。 降水井的数量n可按下式计算： n=1.1Q/q (17-1-17)二、机械化施工推土机操纵灵活、运转方便、所需工作面较小，多用于场地清理和平整、开挖深度不大的基坑、填平沟坑，以及配合铲运机工作。推运距离宜在l00m以内，以运距50m左右经济效果最好。铲运机可综合完成挖土、运土、卸土和平土的全部土方施工工序，分自行式铲运机和拖式铲运机两种，目前多为油压操纵，常用于大面积的场地平整、填筑堤坝和路基、在开阔地带开挖长
14、度大的大型基坑。单斗挖土机目前多为液压传动，分为正铲、反铲和抓铲等，其行走装置有履带和轮胎式等。正铲挖土机适合开挖停机面以上的土方，需汽车配合运土。反铲挖土机用以挖掘停机面以下的土方，主要用于开挖基坑、沟槽等，亦需汽车配合运土。抓铲挖土机宜用于开挖沟槽、基坑和装卸粒状材料，于水下亦可抓土。机械选择主要取决于施工对象特点、地下水位高低和土壤含水量。(一)当地形起伏不大，坡度在200以内，挖填平整土方的面积较大，土的含水量适当，平均运距短(一般在lkm以内)时，采用铲运机较为合适。如果土质坚硬或冬季冻土层厚度超过1015crn时，必须由其他机械辅助翻松再铲运。当一般土的含水量大于25，或坚硬的黏土
15、含水量超过30时，铲运机要陷车，必须使水疏干后再施工。(二)地形起伏较大的丘陵地带，一般挖土高度在3m以上，运输距离超过lkm，工程量较大且又集中时，一般可采用下述三种方式进行挖土和运土：正铲挖土机配合自卸汽车进行施工，并在弃土区配备推土机平整土堆。选择铲斗容量时，应考虑到土质情况、工程量和工作面高度。当开挖普通土，集中工程量在1.5万m3以下时，可采用0.5m3的铲斗；当开挖集中工程量为1.5万-5万m3时，以选用1.0m3的铲斗为宜，此时，普通土和硬土都能开挖。用推土机将土推人漏斗，并用自卸汽车在漏斗下承土并运走，这种方法适用于挖土层厚度在5-6m以上的地段。漏斗上口尺寸为3m左右，由宽3.5m的框架支承，其位置应选择在挖土段的较低处，并预先挖平，漏斗左右及后侧土壁应予支撑。使用73.5kW(100马力)的推土机两次可装满8t自卸汽车，效率较高。用推土机预先把土推成一堆，用装载机把土装到汽车上运走，效率也很高。(三)开挖基坑时根据下述原则选择机械：1土的含水量较小，可结合运距长短、挖掘深浅，分别
