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1、yAAA土方工程Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望第一章 土方工程 一、土方工程的内容、特点与施工要求 1、土方工程的内容 （1）场地平整。 （2）基坑、隧道开挖，路基修筑。（3）土方回填与压实第一节 土方规划(概述)2、土方工程施工的特点 （1）面广量大、劳动繁重。 （2）施工条件复杂。 总的来说土方工程包括一切土的挖掘、填筑和运输等过程以及排水、降水、土壁支撑等准备工作和辅助工程。 最常见的土方工程包括 场地平整、基坑（槽）开挖、地坪填土、路基填筑及基坑回填土等。3
2、、组织土方工程施工的要求 （1）在条件允许的情况下应尽可能采用机械化施工；（2）要合理安排施工计划，尽量避开冬、雨期施工； （3）为了降低土石方工程施工费用，减少运输量和占用农田，要对土方进行合理调配、统筹安排。 （4）在施工前要做好调查研究， 拟定合理的施工方案和技术措施，以保证工程质量和安全，加快施工进度。二、土的工程分类及性质 *(一)土的工程分类 土的分类方法较多，在施工中按开挖的难易程度将土分为八类。(二)土的工程性质 1、土的质量密度分天然密度和干密度。土的天然密度，是指土在天然状态下单位体积的质量，用表示，它影响土的承载力、土压力及边坡的稳定性。土的干密度，是指单位体积土中固体颗
3、粒的质量，用d表示，它是检验填土压实质量的控制指标。 2、土的含水量 土的含水量W是土中所含的水与土的固体颗粒间的质量比，以百分数表示：(1-1)式中 土的含水量影响土方施工方法的选择、边坡的稳定和回填土的质量。 土的渗透性是指水在土体中渗流的性能，一般以渗透系数K表示。 达西地下水流动速度公式： v =KI (1-2)式中：v水在土中的渗流速度。 K土的渗透系数。3、土的渗透性4、土的可松性* 土具有可松性，即自然状态下的土，经过开挖后，其体积因松散而增加，以后虽经回填压实，仍不能恢复其原来的体积。 例11：某场地平整有4000m3的填方量需从附近取土填筑，其土质为密实的砂粘土，试计算：(1
4、)填土的挖方量；(2)已知运输工具的斗容量为2 m3，需运多少车次？ 三、土方三、土方边坡坡 土木工程中，在结构施工时一般都需要进行基坑开挖，土壁失稳塌方是基坑开挖中必须注意的问题。 当基坑周围场地较大，且周边环境简单，基坑开挖宜采用放坡形式，即可不必做成直壁式。常见的边坡可做成直线形、折线形或踏步形。图11 边坡坡度示意 边坡坡度应根据不同的挖填高度、土的性质及工程的特点而定，要保证土体的稳定和施工安全，又要节省土方。四四、预备知识：土方量的计算方法图12 场地平整图13 基坑开挖1、平均高度法1)、四方棱柱体法a)、全挖全填格式中： V挖方或填方的土方量(m)；h1,h2,h3,h4方格四
5、个角点的挖填高度，以绝对值代人(m)。图13 全挖(或全填)b)、部分挖部分填格图14 两挖和两填的方格图15 三挖一填方格图16 三角形网格2)、三角棱柱体法a)、全挖全填图17 全挖全填网格b)、有挖有填图18 有挖有填网格式中： a 方格边长(m)； hl，h2，h3三角形各角点的施工高度(m)，用绝对值代人。2、平均断面法1)、近似公式 基坑、基槽、路堤、场地平整的土方量计算，均可采用平均断面法。图19 平均断面法 2)、精确公式式中：当断面不规则时：图110 不规则断面 各个断面面积求出后，设各断面面积分别为F1，F2，Fn，相邻两断面间的距离依次为l1，l2，ln，则所求的土方体积
6、为 ： 在上述土方量计算基本方法中，由于计算公式不同，其计算的精度亦有所不同。一般来说，在地形平坦地区可将方格尺寸划分得大一些，采用四方棱柱体计算即可。而在地形起伏较大的地区，则应将方格尺寸划分得小些，亦采用三角棱柱体计算土方量。五五、场地平整的计算* 场地平整就是将自然地面改造成人们所要求的平面。场地设计标高应满足规划、生产工艺及运输、排水等要求。1、场地设计标高H0的确定 场地设计标高是进行场地平整和土方量计算的依据。合理确定场地设计标高，对减少土方量和加速工程进度均具有重要的经济意义。 如场地设计标高无其他特殊要求时，可根据挖填平衡的原则加以确定。其步骤如下： 1)、在地形图上将施工区域
7、划分为边长a为1050m(一般采用20m或40m)若干个方格网。 图1-11 场地设计标高H0计算示意图 (a)方格网划分；(b)场地设计标高示意图； 1等高线；2自然地面；3场地设计标高平面 2)、确定各小方格角点的高程。可用水准仪测量，或根据地形图上相邻两等高线的高程，用插入法求得。 3)、按照挖填平衡的原则确定设计标高H0。1)、初步设计标高式中：N 方格网数； Hij 方格网中任意一个角点的高程。式中：H1 一个方格仅有的角点标高； H2 两个方格共有的角点标高； H4 四个方格共有的角点标高。 2、场地设计标高的调整1)、土的可松性影响图112 考虑土的可松性设计标高调整计算示意(a
8、)(b) 由于土有可松性，一般填土会有多余，需相应提高设计标高。假设：VW , VT 按理论设计标高计算出的总挖方、总填方体积；FW , FT 按理论设计标高计算出的挖方区、填方区总面积； Ks土的最终可松性系数。实际总挖方体积为：实际总填方体积为：整理简化得：此时，填方区的标高也应与挖方区一样，提高h ，即：故考虑土的可松性后，场地设计标高调整为：2)、场地泄水坡度的影响*a)、单向泄水时各方格角点的设计标高 图113 单向泄水坡度示意图 式中： H0 根据挖填平衡原则确定的场地中任意网格角 点的设计标高； l 该网格角点至场地中心线的距离； i 场地泄水坡度。b)、双向泄水时各方格角点的设
9、计标高 图114 双向泄水坡度示意图 式中： H0 根据挖填平衡原则确定的场地中任意网格角 点的设计标高； lx，ly 该网格角点沿XX、YY方向至场地中心线的距离； ix，iy 场地沿XX、YY方向的泄水坡度。3)、场内挖方和填方的影响 有时从经济角度出发，会将部分挖方就近弃于场外，或将部分填方就近取土于场外等，此时，也会导致挖填土方量的变化。必要时，亦需调整设计标高。可采用如下近似公式计算。式中： Q就近场外取土量或弃土量。就近取土时取“”，就近弃土时取“”。式中： hn 该角点的挖、填高度，以“”为填方高度，以“”为挖方高度(m)； Hn 该角点的设计标高(m)； H 该角点的自然地面标
10、高(m)。3、场地土方量计算步骤 1)、计算场地各方格角点的施工高度 各方格角点的施工高度(即挖、填方高度) hn 式中： h1，h2 相邻两角点挖、填方施工高度(以绝对值代入)； a 方格边长； x 零点距角点A的距离。 图115 零点位置计算2)、绘出“零线”方格线上的零点位置见图115，可按下式计算：3)、计算场地挖、填土方量 零线求出后，也就划出了场地的挖方区和填方区，便可按平均高度法分别计算出挖、填区各方格的挖、填土方量。(a)(b)图116 零点位置示意图例题： 某工程场地平整，方格网(20m 20m)如图所示，不考虑泄水坡度、土的可松性影响，试求场地设计标高H0 ，定性标出零线位
11、置。解： 零线位置如下图所示：第二节 土方工程施工要点 土方工程的施工要点，主要应解决土壁稳定、施工排水、流砂防治和填土压实等四个问题。一、土壁稳定* 基坑开挖后，土体缺少内摩擦阻力和粘聚力来保持平衡，容易引起塌方，这不仅会造成人身安全事故，同时亦会影响工期，甚至会危及附近的建筑物。1、土壁塌方的原因 1)、边坡过陡，使得土体的稳定性不够，尤其在土质差、开挖深度大的坑槽中。 2)、雨水、地下水渗入基坑，使得土体抗剪强度降低，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，或由于动荷载的作用，使土体中的剪应力超过土体的抗剪强度。 4)、土方开挖顺序、方法未遵守“从上往下，
12、分层开挖；开槽支撑，先撑后挖”的原则。2、防治塌方的措施 边坡的留设应符合规范的规定，其坡度大小应根据土壤的性质、施工方法、开挖深度、工期的长短等因素确定。例如，粘性土的边坡可以陡一点，砂性土则应平缓些。2)、设置支撑 为了缩小施工面、减少土方，或受场地限制不能放坡时，则可设置土壁支撑。 1)、放足边坡(a) 间断式水平挡土板支撑(b) 垂直挡土板支撑图117 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 市政工程施工时，常需在地下铺设管沟，因此需开挖沟槽。开挖较窄的沟槽，多用横撑式土壁支撑。a)、基槽支护b)、基坑支护 基坑支护结构一般根据地质
13、条件、基坑开挖深度以及对周边环境保护要求采取重力式水泥土墙、板式支护结构、土钉墙等形式。v重力式水泥土墙1搅拌桩；2插筋；3面板；4H型钢图118 重力式水泥挡土墙v板式支护结构(1)、型钢横挡板挡墙图119 型钢桩横档板支护1一型钢桩； 2一横向挡土板；3木楔(2) 钢板桩挡墙图1-20 常用钢板桩截面形式(a)(b)(a)一字形钢板桩 ； (b)U形板桩(“拉森”板桩)钢板桩施工现场图121 板式支护结构1板桩墙；2围檩；3钢支撑；4斜撑；5拉锚；6土锚杆；7先施工的基础；8竖撑(3) 板墙式挡墙v土钉墙图122 土钉墙1土钉；2喷射混凝土面层；3垫板 土钉墙的施工顺序为：按设计要求自上而
14、下分段、分层开挖工作面，修整坡面埋设喷射混凝土厚度控制标志，喷射第一层混凝土钻孔，安设土钉钢筋注浆，安设连接件绑扎钢筋网，喷射第二层混凝土设置坡顶、坡面和坡脚的排水系统。若土质较好亦可采取如下顺序：开挖工作面、修坡绑扎钢筋网成孔安设土钉注浆、安设连接件喷射混凝土面层。二、施工排水二、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，亦会影响地基的承载力。因此，在土方施工中，做好施工排水工作，保持土体干燥是十分重要的。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 明排水法也叫集水井降水法。这种方法是在基坑或沟槽开挖时，在坑底设置集水
15、井，并沿坑底的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。四周的排水沟及集水井一般应设置在基础范围以外。1、排水沟的设置 排水沟底宽应不少于0.20.3m，沟底设有0.20.5的纵坡,在开挖阶段，排水沟深度应始终保持比挖土面低0.40.5m 2、集水井的设置 集水井应设置在基础范围以外。间距应根据水量大小、基坑平面形状及水泵能力确定，一般为2040m。 1排水沟；2集水井；3水泵；4基础边线图123 明排水法 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点数量的滤水管(井)，利用抽水设备从中抽水，使地下水位降落到坑底以下，直至基础工程施工完毕为止。 人工降
16、低地下水位的方法有轻型井点* 、喷射井点、电渗井点、管井井点以及深井泵井点等。2、人工降低地下水位法轻型井点 轻型井点，就是沿基坑周围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。图1-24 轻型井点法降低地下水位全貌图 1井管；2滤管；3总管；4弯联管；5水泵房； 6原有地下水位线；7降低后地下水位线 (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。(a) 井点管 (b) 滤管图1-25 井点管构造 1钢管；2管壁上的小孔；3缠绕的塑料管；4细滤网；5粗滤
17、网；6粗铁丝保护网；7井管；8铸铁头(2) 、轻型井点的布置(a) 、平面布置 井点管的平面布置可分为单排布置、双排布置、环形布置和U形布置。单排布置时，井点管布置在地下水流的上游一侧，两端延伸长度不小于坑槽宽度。单排布置时，位于地下水流上游一排井点管的间距应小些，下游一排井点管的间距可大些。图1-26 轻型井点的平面布置图1-27 单排轻型井点的布置(b) 、高程布置 高程布置系确定井点管的埋深，即滤管上口至总管埋设面的距离。进行高程布置时，应考虑井点管的标准长度以及滤管必须在透水层内等因素。可按(*)式进行计算：图1-28 轻型井点高程布置(*)式中： H1 井点管埋设面至坑底面的距离(m
18、)； h 降低后的地下水位至基坑中心底面的距离，一般为0.51m ； i 水力坡度，环形井点为1/10，单排井点为1/4； L 井点管至基坑中心的水平距离(m)； 图129 二级轻型井点1第一层井点管；2第二层井点管 如H值大于降水深度6m时，可采用二级井点。(3)、轻型井点计算 设计内容除井点系统的布置外，还需确定井点的数量、间距、井点设备的选择等。(a) 、井点系统的涌水量计算 井点系统所需井点管的数量，是根据涌水量来确定的。而井点系统的涌水量，则是按水井理论进行计算。根据地下水有无压力，水井分为无压井和承压井。无压井分为无压完整井和无压非完整井。对于无压完整井的环状井点系统，涌水量计算公
19、式为： (m3d) 式中： K渗透系数(md)，应由实验测定； H含水层厚度(m)； S水位降低值(m)； R抽水影响半径(m)，取：x0 环形井点的假想半径(m)：F基坑周围井点管所包围的面积(m2 ) 式中： M承压含水层厚度(m)；K、R、x0、S与无压完整井公式相同。承压完整井环形井点涌水量计算公式为： (m3d) 式中 ： d滤管直径(m)； l 滤管长度(m)； K 渗透系数(md)。 (m3d) (b) 、确定井点管数量与井距确定井管数量先要确定单根井管的出水量，单井的最大出水量q，主要取决于土的渗透系数、滤管的构造与尺寸，按下式确定：式中： 1.1备用系数，考虑井点管堵塞等因素
20、。其它符号同前； L 总管长度(m) 。 (根) (m) 井点管的最少根数nmin，按下式计算：井点管的最大井距为：*轻型井点系统的计算步骤轻型井点系统的计算步骤1)确定井点系统的布置方式；确定井点系统的布置方式；2)计算涌水量；计算涌水量；3)计算井点数量和井距；计算井点数量和井距；4)选择水泵规格等。选择水泵规格等。(c) 、抽水设备选择 水泵一般也配套固定型号，但使用时还应验算水泵的流量是否大于井点系统的涌水量，水泵的扬程能否克服集水箱中的真空吸力，以免抽不出水。确定井点管间距时，还应注意以下几点： (a)井距过小时，彼此干扰大，影响出水量，因此井距必须大于15倍管径。 (b)在渗透系数
21、小的土中井距宜小些，否则水位降落时间过长。 (c)靠近河流处，井点宜适当加密。 (d)井距应能与总管上的接头间距相配合。根据实际采用的井点管间距，最后确定所需井点管根数。(4)、井点管的埋设与使用 轻型井点的安装程序(动画演示)：放线定位打井孔埋设井点管安装总管用弯联管将井点管与总管接通安装抽水设备。1)、埋设方法：水冲法；钻孔法；振动水冲法 3)、轻型井点系统安装完毕后，应立即进行抽水试验，如发现漏气、漏水现象，应及时处理。若发现滤管被泥砂堵塞，则属于“死井”，应逐根用高压水反向冲洗或拔出重新沉设。 2)、认真做好井点管埋设和孔壁与井点管之间砂滤层的填灌。砂滤层宜选用粗砂，以免堵塞管的网眼。
22、4)、连续抽水不间断（水量先大后小，先混后清），防止堵塞。井点降水井点降水*降水对周围地面的影响及预防措施降水对周围地面的影响及预防措施 降低地下水位时，由于土颗粒流失或土体压缩固结，易引起周周地面沉降。由于土层的不均匀性和形成的水位呈漏斗状，地面沉降多为不均匀沉降，可能导致周围的建筑物倾斜、下沉、道路开裂或管线断裂。因此，井点降水时，必须采取回灌措施，以防造成危害。 (a)(b)图131 回灌井点布置示意图(a)降水与回灌井点；(b) 加阻水支护结构的回灌井点1原有建筑物；2开挖基坑；3降水井点；4回灌井点；5原有地下水位线；6降灌井点间水位线；7降水后的水位线；8不回灌时的水位线；9基坑底
23、1、流砂现象及其危害 三、流砂及其防治三、流砂及其防治 粒径很小、无塑性的土壤，在动水压力推动下，极易失去稳定，而随地下水一起流动涌入坑内，这种现象称流砂现象。2、产生流砂的原因 产生流砂现象的原因有其内因和外因。内因取决于土壤的性质，流砂现象经常发生在细砂、粉砂和亚砂土中(粘粒含量少，粉粒多)。但会不会发生流砂现象，还应取决于一定的外因条件，即地下水及其产生动水压力的大小。图132 动水压力原理图动水压力GD 为：式中：I水力坡度； h1h2 水位差；L地下水渗流长度；W 水的重度 (kN/m3 ) 由上式可知，动水压GD与水力坡度I成正比，水位差越大，动水压力越大，而渗透路程越长，动水压力
24、越小。 产生流砂现象主要是由于地下水的水力坡度大，即动水压力大，而且动水压力的方向(与水流方向一致)与土的重力方向相反，土不仅受水的浮力，而且受动水压力的作用，有向上举的趋势，当动水压力等于或大于土的浮重度时，土颗粒处于悬浮状态，并随地下水一起流入基坑，即发生流砂现象。 此外，当基坑位于不透水层内，而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，基坑底部即可能发生管涌冒砂现象，即：式中： H压力水头(m)； h坑底不透水层厚度(m) ；W 水的重度(kN/m3 )；土的重度(kN/m3 )3、流砂的防治 流砂防治总的原则是“治砂必治水”，主要途径是减小或平衡动水压
25、力、改变其方向或者截住地下水流。具体措施为： (1)、在枯水季节开挖 (2)、打钢板桩，以截住水流 (3)、水下挖土法，使坑内外的水压相平衡，不致形成动水压力 (4)、地下连续墙法 (5)、抛大石块抢挖法四、填土压实四、填土压实*1、填土的要求 土的特性是分散性，颗粒之间没有紧密的连接，水容易侵入。为使填土满足强度及水稳性两方面要求，正确选择土料和填筑方法。 填方工程应分层铺土压实，最好采用同类土壤填筑。填方土料为粘性土时，应检验其含水量是否在控制范围内，含水量大的粘土不宜做填土用。过湿时应晒干或掺入干土及其他吸水材料；过干时，则应洒水进行湿润。当采用土料的透水性不同时，不得掺杂乱倒，应分层填
26、筑，并将透水性较小的土料填在上层，图1-32 碾压机械(a)自行式平碾；(b)拖式羊脚碾2、填土压实方法1)、碾压法 碾压法是由沿着表面滚动的鼓筒或轮子的压力压实土壤。该法主要用于大面积的填土，如场地平整、路基、堤坝等工程。 图1-33 蛙式打夯机1夯头；2夯架；3三角皮带；4托盘2)、夯实法 夯实法是利用夯锤自由下落的冲击力来夯实土壤，主要用于小面积的回填土。 图1-34 平板振动机3)、振动法 此法用于振实非粘性土壤效果最好。近年来，平板振动机用的较多。第三节第三节 土方工程机械化施工土方工程机械化施工 土方工程施工机械的种类繁多，尤以推土机、铲运机和单斗挖土机应用最广，现将这几种类型机械
27、的性能、适用范围以及施工方法予以介绍。一、推土机 推土机由拖拉机和推土铲刀组成，按行走的方式分履带式和轮胎式，目前常用液压式推土机。适用于： （1）平整场地：经济运距在100m内（效率最高60m），一三类土的挖运，压实； （2）坑槽开挖：深度在1.5m内、一三类土； （3）回填土方。坑槽开挖平整场地二、铲运机 铲运机有自行式铲运机和拖式铲运机两种，能综合完成挖、装、运、卸、平土等工作。三、单斗挖土机单斗挖土机有正铲、反铲、拉铲和抓铲等数种。1、正铲挖土机正铲正铲 正铲挖土机一般只用于开挖停机面以上的土壤，只适宜在土质较好、无地下水的地区工作。正铲作业示意正铲作业示意 2、反铲挖土机 反铲挖土机的挖土特点是：“后退向下，强制切土”。其挖掘力比正铲小，适于开挖停机面以下的一三类土的基坑、基槽或管沟。 反铲反铲反铲作业示意反铲作业示意 拉铲挖土机的挖土特点是：“后退向下，自重切土”。其挖土半径和挖土深度较大，能开挖停机面以下的一二类土。 拉铲挖土机的开挖方式，与反铲挖土机相似，也分为沟端开挖和沟侧开挖。 3、拉铲挖土机拉铲拉铲拉铲作业示意拉铲作业示意 抓铲挖土机的挖土特点是：“直上直下，自重切土”。能开挖一二类土，适于施工面狭窄而深的基坑、深槽、沉井等开挖，清理河泥等工程，最适于水下挖土，或装卸碎石、矿渣等松散材料。4、抓铲挖土机抓铲抓铲抓铲作业示意抓铲作业示意
