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第第1 1章章 土方工程施工土方工程施工1.1 土的工程分类及其工程性质土的工程分类及其工程性质1.2 基坑（槽）的土方开挖基坑（槽）的土方开挖1.3 土方填筑与压实土方填筑与压实1.5 人工降低地下水位人工降低地下水位 1.4 土方工程机械化施工土方工程机械化施工本本 章章 内内 容容按土开挖的难易程度将土分为：松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚硬石等八类。松土和普通土可直接用铁锹开挖，或用铲运机、推土机、挖土机施工；坚土、砂砾坚土和软石要用镐、撬棍开挖，或预先松土，部分用爆破的方法施工；次坚石、坚石和特坚硬石一般要用爆破方法施工。土的工程分类与现场鉴别方法见表见表1.11.1所示所示。1.1 1.1 土的分类及工程物理性质土的分类及工程物理性质1 1.1.1.1.1 土的分类与鉴别土的分类与鉴别 表表1.1 土的工程分类与现场鉴别方法土的工程分类与现场鉴别方法土的分类 土 的 名 称 可松性系数 现场鉴别方法 KSKs一类土(松软土)砂，亚砂土，冲积砂土层，种植土，泥炭(淤泥)1.081.17 1.011.03 能用锹、锄头挖掘 二类土(普通土)亚粘土，潮湿的黄土，夹有碎石、卵石的砂，种植土，填筑土及亚砂土 1.141.28 1.021.05 用锹、锄头挖掘，少许用镐翻松 三类土(坚土)软及中等密实粘土，重亚粘土，粗砾石，干黄土及含碎石、卵石的黄土、亚粘土，压实的填筑土 1.241.30 1.041.07 要用镐，少许用锹、锄头挖掘，部分用撬棍 四类土(砂砾坚土)重粘土及含碎石、卵石的粘土，粗卵石，密实的黄土，天然级配砂石，软泥灰岩及蛋白石 1.261.32 1.061.09 整个用镐、撬棍，然后用锹挖掘，部分用楔子及大锤 土的分类 土 的 名 称 可松性系数 现场鉴别方法 KSKs五类土(软石)硬石炭纪粘土，中等密实的页岩、泥灰岩、白垩土，胶结不紧的砾岩，软的石炭岩 1.301.45 1.101.20 用镐或撬棍、大锤挖掘，部分使用爆破方法 六类土(次坚石)泥岩，砂岩，砾岩，坚实的页岩，泥灰岩，密实的石灰岩，风化花岗岩，片麻岩 1.301.45 1.101.20 用爆破方法开挖,部分用风镐 七类土(坚石)大理岩，辉绿岩，玢岩，粗、中粒花岗岩，坚实的白云岩、砂岩、砾岩、片麻岩、石灰岩，风化痕迹的安山岩、玄武岩 1.301.45 1.101.20 用爆破方法开挖 八类土(特坚硬石)安山岩，玄武岩，花岗片麻岩，坚实的细粒花岗岩、闪长岩、石英岩、辉长岩、辉绿岩、玢岩 1.451.50 1.201.30 用爆破方法开挖 土的含水量土的含水量：土中水的质量与固体颗粒质量之比的百分率。1.1.2 1.1.2 土的工程性质土的工程性质 一、一、土的含水量土的含水量 式中：m湿含水状态土的质量，kg；m干烘干后土的质量，kg；mW 土中水的质量，kg；mS固体颗粒的质量，kg。土的含水量随气候条件、雨雪和地下水的影响而变化，对土方边坡的稳定性及填方密实程度有直接的影响。(1.1)土土的的天天然然密密度度:在天然状态下，单位体积土的质量。它与土的密实程度和含水量有关。土的天然密度按下式计算：二、二、土的天然密度和干密度土的天然密度和干密度 式中土的天然密度，kg/m3；m 土的总质量，kg；V 土的体积，m3。(1.2)干密度干密度:土的固体颗粒质量与总体积的比值，用下式表示：式中d土的干密度，kg/m3；mS 固体颗粒质量，kg；V 土的体积，m3。在一定程度上，土的干密度反映了土的颗粒排列紧密程度。土的干密度愈大，表示土愈密实。土的密实程度主要通过检验填方土的干密度和含水量来控制。(1.3)三、三、土的可松性系数土的可松性系数 土土的的可可松松性性：天然土经开挖后，其体积因松散而增加，虽经振动夯实，仍然不能完全复原，土的这种性质称为土的可松性。土的可松性用可松性系数可松性系数表示，即(1.4)(1.5)土的最初可松性系数KS是计算车辆装运土方体积及挖土机械的主要参数；土的最终可松性系数是计算填方所需挖土工程量的主要参数，各类土的可松性系数见见表表1.1所示所示。四、四、土的渗透性土的渗透性土土的的渗渗透透性性：指土体被水透过的性质。土的渗透性用渗透系数表示。渗渗透透系系数数：表示单位时间内水穿透土层的能力，以m/d表示；它同土的颗粒级配、密实程度等有关，是人工降低地下水位及选择各类井点的主要参数。土的渗透系数见见表表1.2所示所示。表1.2 土的渗透系数参考表 土的名称 渗透系数(m/d)土的名称渗透系数(m/d)粘土 0.005 中砂 5.0020.00 亚 粘 土 0.0050.10 均质中砂 3550 轻亚粘土 0.100.50 粗砂 2050 黄土 0.250.50 圆 砾 石 50100 粉砂 0.501.00 卵石 100500 细砂 1.005.00 粗砂夹卵石50 1001.2 1.2 土土 方方 计计 算算1 1.2.1 .2.1 基坑与基槽土方量计算基坑与基槽土方量计算 基基坑坑土土方方量量可按立体几何中拟柱体(由两个平行的平面作底的一种多面体)体积公式计算(图图1.1.1)。即(1.6)基槽土方量计算可沿长度方向分段计算(图图1.2)：将各段土方量相加即得总土方量：(1.7)(1.8)1 1.2.2.2.2 场地平整土方计算场地平整土方计算 场地挖填土方量计算有方格网法和横截面法两种。横截面法是将要计算的场地划分成若干横截面后，用横截面计算公式逐段计算，最后将逐段计算结果汇总。横截面法计算精度较低，可用于地形起伏变化较大地区。对于地形较平坦地区，一般采用方格网法。方格网法计算场地平整土方量步骤为：(1)读识方格网图 方格网图由设计单位(一般在1/500的地形图上)将场地划分为边长a=1040m的若干方格，与测量的纵横坐标相对应，在各方格角点规定的位置上标注角点的自然地面标高(H)和设计标高(Hn)，如如图图1.31.3所示所示。(2)计算场地各个角点的施工高度 施工高度为角点设计地面标高与自然地面标高之差，是以角点设计标高为基准的挖方或填方的施工高度。各方格角点的施工高度按下式计算：(1.9)(3)计算“零点”位置，确定零线 方格边线一端施工高程为“+”，若另一端为“-”，则沿其边线必然有一不挖不填的点，即为“零点”(图图1.4)1.4)。零点位置按下式计算：(1.10)(4)计算方格土方工程量 按方格底面积图形和表表1.31.3所列计算公式，逐格计算每个方格内的挖方量或填方量。(5)边坡土方量计算 场地的挖方区和填方区的边沿都需要做成边坡，以保证挖方土壁和填方区的稳定。边坡的土方量可以划分成两种近似的几何形体进行计算，一种为三角棱锥体(图图1.61.6中、)，另一种为三角棱柱体(图图1.61.6中)。A三角棱锥体边坡体积(1.11)B三角棱柱体边坡体积 两端横断面面积相差很大的情况下，边坡体积 C C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。(1.12)(1.13)1 1.2.4.2.4 土方边坡与土壁支撑土方边坡与土壁支撑 土壁稳定，主要是由土体内摩阻力和粘结力保持平衡，一旦失去平衡，土壁就会塌方。造造成成土土壁壁塌塌方方的的主主要要原原因因有：有：(1)边坡过陡，使土体本身稳定性不够，尤其是在土质差、开挖深度大的坑槽中，常引起塌方。(2)雨水、地下水渗入基坑，使土体重力增大及抗剪能力降低，是造成塌方的主要原因。(3)基坑(槽)边缘附近大量堆土，或停放机具、材料，或由于动荷载的作用，使土体产生的剪应力超过土体的抗剪强度 一、一、土方边坡土方边坡 土方边坡的坡度以挖方深度(或填方深度)h与底宽b之比表示(图图1.11)，即 土方边坡坡度=h/b=1/(b/h)=1m 式中 m=b/h 称为边坡系数。当地质条件良好、土质均匀且地下水位低于基坑(槽)或管沟底面标高时，挖方边坡可做成直立壁不加支撑，但深度不宜超过下列规定：v 密实、中密的砂土和碎石类土(充填物为砂土)：1.0m；v 硬塑、可塑的粉土及粉质粘土：1.25m；v 硬塑、可塑的粘土和碎石类土(充填物为粘性土)：1.5m；v 坚硬的粘土：2m。挖土深度超过上述规定时，应考虑放坡或做成直立壁加支撑。二、二、土壁支撑土壁支撑 土壁支撑形式应根据开挖深度和宽度、土质和地下水条件以及开挖方法、相邻建筑物等情况进行选择和设计。v横撑式支撑由挡土板、楞木和工具式横撑组成，用于宽度不大、深度较小沟槽开挖的土壁支撑。v根据挡土板放置方式不同，分为水平挡土板和垂直挡土板两类(见图见图1.12)。(1)(1)横撑式支撑横撑式支撑(2)(2)板桩式支撑板桩式支撑 板桩式支撑特别适用于地下水位较高且土质为细颗粒、松散饱和土的支护，可防治流砂现象产生。板桩支撑作用：v使地下水在土中的渗流路线延长，减小了动水压力，从而可预防流砂的产生；v板桩支撑既挡土又防水，特别适于开挖较深、地下水位较高的大型基坑；v可以防止基坑附近建筑物基础下沉。v钢板桩又可分平板桩和波浪式板桩两类。v平板桩(图图1.13(1.13(a)a)防水和承受轴向压力性能良好，易打入地下，但长轴方向抗弯强度较小；v波浪式板桩（图图1.13(1.13(b)b)）的防水和抗弯性能都较好，施工中多采用。钢板桩施工1.1.3 3 填土与压实填土与压实1 1.3.1.3.1 填土的要求填土的要求 填土的土料应符合设计要求。v含有大量有机物、石膏和水溶性硫酸盐(含量大于5%)的土以及淤泥、冻土、膨胀土等，均不应作为填方土料；v以粘土为土料时，应检查其含水量是否在控制范围内，含水量大的粘土不宜作填土用；v一般碎石类土、砂土和爆破石渣可作表层以下填料，其最大粒径不得超过每层铺垫厚度的2/3。填土应按整个宽度水平分层进行，当填方位于倾斜的山坡时，应将斜坡修筑成12阶梯形边坡后施工，以免填土横向移动，并尽量用同类土填筑。回填施工前，填方区的积水采用明沟排水法排除，并清除杂物。1 1.3.2.3.2 土的压实方法土的压实方法填土的压实方法一般有碾压、夯实、振动压实等几种。碾压法是靠沿填筑面滚动的鼓筒或轮子的压力压实填土的，适用于大面积填土工程。碾压机械有平碾(压路机)、羊足碾、振动碾和汽胎碾。碾压机械进行大面积填方碾压，宜采用“薄填、低速、多遍”的方法。夯实方法是利用夯锤自由下落的冲击力来夯实填土，适用于小面积填土的压实。夯实机械有夯锤、内燃夯土机和蛙式打夯机等。1 1.3.3.3.3 填土压实的影响因素填土压实的影响因素 填土压实的主要影响因素为压实功、土的含水量以及每层铺土厚度。一、压实功的影响 填土压实后的密度与压实机械在其上所施加功的关系见图图1.33。二、含水量的影响 v填土含水量的大小直接影响碾压(或夯实)遍数和质量。v较为干燥的土，由于摩阻力较大，而不易压实；当土具有适当含水量时，土的颗粒之间因水的润滑作用使摩阻力减小，在同样压实功作用下，得到最大的密实度，这时土的含水量称做最佳含水量最佳含水量(图图1.34)。三、铺土厚度的影响 在压实功作用下，土中的应力随深度增加而逐渐减小(图图1.351.35)，其压实作用也随土层深度的增加而逐渐减小。各种压实机械的压实影响深度与土的性质和含水量等因素有关。对于重要填方工程，其达到规定密实度所需的压实遍数、铺土厚度等应根据土质和压实机械在施工现场的压实试验决定。若无试验依据应符合表表1.81.8的规定。表1.8 填土施工时的分层厚度及压实遍数 压实机具 分层厚度(mm)每层压实遍数 平碾 250300 68 振动压实机 250350 34 柴油打夯机 200250 34 人工打夯 200 341 1.3.4.3.4 填土质量检查填土质量检查填土压实后必须要达到密实度要求，填土密实度以设计规定的控制干密度d(或规定的压实系数)作为检查标准。土的控制干密度与最大干密度之比称为压实系数。土的最大干密度乘以规范规定或设计要求的压实系数，即可计算出填土控制干密度d的值。土的实际干密度可用“环刀法”测定。填方施工结束后，应检查标高、边坡坡度、压实程度等。一、一、推土机推土机 按行走的方式，可分为履带式推土机和轮胎式推土机。履带式推土机附着力强，爬坡性能好，适应性强；轮胎式推土机行驶速度快，灵活性好。1.4 1.4 土方机械化施工土方机械化施工1 1.4.1.4.1 常用土方施工机械常用土方施工机械 二、二、铲运机铲运机 按行走方式分为牵引式铲运机和自行式铲运机；按铲斗操纵系统分，有液压操纵和机械操纵两种。为了提高铲运机的生产效率，可以采取下坡铲土、推土机推土助铲等方法，缩短装土时间，使铲斗的土装得较满。助铲法：根据填、挖方区分布情况，结合当地具体条件，合理选择运行路线，提高生产率。一般有环形路线和“8”字形路线两种形式。v环形路线 见图见图1.23v“8”字形路线 见图见图1.24三、三、单斗挖土机单斗挖土机 单斗挖土机按工作装置不同，可分为正铲、反铲、拉铲和抓铲四种(图图1.251.25)。单斗挖土机按其操纵机构的不同，可分为机械式和液压式两类。(1)(1)正铲挖土机正铲挖土机 v正铲挖土机的工作特点是前进行驶，铲斗由下向上强制切土，挖掘力大，生产效率高；适用于开挖含水量不大于27%的一至三类土，且与自卸汽车配合完成整个挖掘运输作业；可以挖掘大型干燥基坑和土丘等。v正铲挖土机的开挖方式，根据开挖路线与运输车辆的相对位置的不同，挖土和卸土的方式有以下两种：正向挖土，侧向卸土(图图1.26(1.26(b)b)正向挖土，反向卸土(图图1.26(1.26(a)a)(2)(2)反铲挖土机反铲挖土机 v反铲挖土机的工作特点是机械后退行驶，铲斗由上而下强制切土，用于开挖停机面以下的一至三类土，适用于挖掘深度不大于4m的基坑、基槽、管沟，也适用湿土、含水量较大的及地下水位以下的土壤开挖。v反铲挖土机的开行方式有沟端开挖和沟侧开挖两种。沟端开挖(图图1.28(1.28(a)a)反铲挖土机停在沟端，向后退着挖土。沟侧开挖(图图1.28(1.28(b)b)挖土机在沟槽一侧挖土，挖土机移动方向与挖土方向垂直。(3)(3)拉铲挖土机拉铲挖土机 拉铲挖土机工作时利用惯性，把铲斗甩出后靠收紧和放松钢丝绳进行挖土或卸土，铲斗由上而下，靠自重切土，可以开挖一、二类土壤的基坑、基槽和管沟等地面以下的挖土工程，特别适用于含水量大的水下松软土和普通土的挖掘。拉铲开挖方式与反铲相似，可沟端开挖，也可沟侧开挖。(4)抓铲挖土机 抓铲挖土机主要用于开挖土质比较松软，施工面比较狭窄的基坑、沟槽、沉井等工程，特别适于水下挖土。土质坚硬时不能用抓铲施工。一、土方机械选择的原则 施工机械的选择应与施工内容相适应；土方施工机械的选择与工程实际情况相结合；主导施工机械确定后，要合理配备完成其他辅助施工过程的机械；选择土方施工机械要考虑其他施工方法，辅助土方机械化施工。1 1.4.2.4.2 土方机械的选择土方机械的选择 二、土方开挖方式与机械选择(1)平整场地常由土方的开挖、运输、填筑和压实等工序完成。地势较平坦、含水量适中的大面积平整场地，选用铲运机较适宜。地形起伏较大，挖方、填方量大且集中的平整场地，运距在1000m以上时，可选择正铲挖土机配合自卸车进行挖土、运土，在填方区配备推土机平整及压路机碾压施工。挖填方高度均不大，运距在100m以内时，采用推土机施工，灵活、经济。(2)地面上的坑式开挖 单个基坑和中小型基础基坑开挖，在地面上作业时，多采用抓铲挖土机和反铲挖土机。抓铲挖土机适用于一、二类土质和较深的基坑；反铲挖土机适于四类以下土质，深度在4m以内的基坑。(3)长槽式开挖 指在地面上开挖具有一定截面、长度的基槽或沟槽，适于挖大型厂房的柱列基础和管沟，宜采用反铲挖土机；若为水中取土或土质为淤泥，且坑底较深，则可选择抓铲挖土机挖土。若土质干燥，槽底开挖不深，基槽长30m以上，可采用推土机或铲运机施工。地面上的坑式开挖 (4)整片开挖 对于大型浅基坑且基坑土干燥，可采用正铲挖土机开挖。若基坑内土潮湿，则采用拉铲或反铲挖土机，可在坑上作业。(5)对于独立柱基础的基坑及小截面条形基础基槽的开挖，则采用小型液压轮胎式反铲挖土机配以翻斗车来完成浅基坑(槽)的挖掘和运土。为了保持基坑干燥，防止由于水浸泡发生边坡塌方和地基承载力下降，必须做好基坑的排水、降水工作，常采用的措施是明沟排水法和井点降水法。1.5 1.5 人工降低地下水位人工降低地下水位 1.5.1 1.5.1 明沟排水法明沟排水法 明沟排水法是一种设备简单、应用普遍的人工降低水位的方法。施工方法是，开挖基坑或沟槽过程中，遇到地下水或地表水时，在基础范围以外地下水流的上游，沿坑底的周围开挖排水沟，设置集水井，使水经排水沟流入井内，然后用水泵抽出坑外(见图见图1.161.16)。明沟排水法适用于水流较大的粗粒土层的排水、降水，也可用于渗水量较小的粘性土层降水，但不适宜于细砂土和粉砂土层，因为地下水渗出会带走细粒而发生流砂现象。v流砂：当开挖深度大、地下水位较高而土质为细砂或粉砂时，如果采用集水井法降水开挖，当挖至地下水位以下时，坑底下面的土会形成流动状态，随地下水涌入基坑，这种现象称为流砂。流砂现象流砂现象v如果土层中产生局部流砂现象，应采取减小动水压力的处理措施，使坑底土颗粒稳定，不受水压干扰。其方法有：如条件许可，尽量安排枯水期施工，使最高地下水位不高于坑底0.5m；水中挖土时，不抽水或减少抽水，保持坑内水压与地下水压基本平衡；采用井点降水法、打板桩法、地下连续墙法防止流砂产生。井点降水：基坑开挖前，在基坑四周预先埋设一定数量的滤水管(井)，在基坑开挖前和开挖过程中，利用抽水设备不断抽出地下水，使地下水位降到坑底以下，直至土方和基础工程施工结束为止。井点降水有两类：一类为轻型井点(包括电渗井点与喷射井点)；另一类为管井点(深井泵)。1.5.2 1.5.2 井点降水法井点降水法 (1)轻型井点轻型井点 轻型井点(图图1.171.17)就是沿基坑周围或一侧以一定间距将井点管(下端为滤管)埋入蓄水层内，井点管上部与总管连接，利用抽水设备将地下水经滤管进入井管，经总管不断抽出，从而将地下水位降至坑底以下。轻型井点法适用于土壤的渗透系数为0.150m/d的土层中；降低水位深度：一级轻型井点36m，二级井点可达69m。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、弯联管及总管等。滤管(图图1.18)为进水设备，其构造是否合理对抽水设备影响很大。轻型井点的布置 v当基坑或沟槽宽度小于6m，水位降低深度不超过5m时，可用单排线状井点布置在地下水流的上游一侧，两端延伸长度一般不小于沟槽宽度(图图1.19)。v在考虑到抽水设备的水头损失以后，井点降水深度一般不超过6m。井点管的埋设深度H(不包括滤管)按下式计算(图图1.19(1.19(b)b)：式中 H1井点管埋设面至基坑底的距离，m；h基坑中心处坑底面(单排井点时，为远离井点一侧坑底边缘)至降低后地下水位的距离，一般为0.51.0m；i地下水降落坡度；环状井点为1/10，单排线状井点为1/4；L井点管至基坑中心的水平距离(单排井点中为井点管至基坑另一侧的水平距离)，m。(1.14)v如宽度大于6m或土质不定，渗透系数较大时，宜用双排井点，面积较大的基坑宜用环状井点(图图1.20)；为便于挖土机械和运输车辆出入基坑，可不封闭，布置为U形环状井点。v当一级井点系统达不到降水深度时，可采用二级井点，即先挖去第一级井点所疏干的土，然后在基坑底部装设第二级井点，使降水深度增加（图图1.211.21）。轻型井点的安装 v轻型井点的施工分为准备工作及井点系统安装。v准备工作包括井点设备、动力、水泵及必要材料准备，排水沟的开挖，附近建筑物的标高监测以及防止附近建筑沉降的措施等。v埋设井点系统的顺序：根据降水方案放线、挖管沟、布设总管、冲孔、下井点管、埋砂滤层、粘土封口、弯联管连接井点管与总管、安装抽水设备、试抽。v井点管的埋设一般用水冲法施工，分为冲孔(图图1.22(a)和埋管(图图1.22(b)两个过程。轻型井点使用 v轻型井点运行后，应保证连续不断地抽水。v井点淤塞，一般可以通过听管内水流声响、手摸管壁感到有振动、手触摸管壁有冬暖夏凉的感觉等简便方法检查。v地下基础工程(或构筑物)竣工并进行回填土后，停机拆除井点排水设备。