22-2 土方工程.doc

22-2 土方工程土在冬期，由于遭受冻结，变为坚硬，挖掘困难，施工费用比常温期高，所以土方工程的冬期施工，必须在经济及技术条件上认为合理时，方可进行。22-2-1 土的冻结土的冻结有它的自然规律，在整个冬期的冻结深度，在地表面无雪和草皮覆盖条件下的全年标准冻结深度H0可按下式估计：（m） （22-1）式中 Tm低于0的月平均气温的累计值（取连续十年以上的年平均值），以正号代入。【例】根据气象资料查得某地低于。的月平均气温为：一月-20.2，二月-16，三月-6.2，十一月-6.9，十二月-17.1，试估计该地的全年冻结深度。【解】Tm20.2166.26.917.166.4依公式（22-1）得=1.9m暴露在外界大气中的土冻结时，其冻结速度与外界气温有表22-3的规律，但这只是冻结初期的规律，当上层冻结以后，下面土由于有了上层冻结层的覆盖，传热阻发生变化，就不按照这个规律了。根据气温确定土的冻结速度表 表22-3土的种类在下列气温条件下，接近最佳含水量时，土的冻结速度（cm/h）-5-10-15-20覆盖有积雪的砂质粉土和粉质粘土0.030.050.080.10没有积雪覆盖的砂质粉土和粉质粘土0.150.300.350.50基于土冻结的规律，冬期施工时必须周密计划，组织强有力的施工力量，进行连续不断的施工。一般来说，土方工程尽量安排在入冬之前施工较为合理。22-2-2 土的防冻土的防冻应尽量利用自然条件，以就地取材为原则。其防冻方法一般有地面耕松耙平防冻、覆雪防冻、隔热材料防冻等，现分述如下：1地面耕松耙平防冻法预定冬期施工的土方工程，土的防冻工作，必须在入冬前进行。其方法是在指定施工的部位，进入寒冻之前将表层土翻松耙平，其厚度宜为2530cm，其宽度宜为开挖时冻结深度的两倍加基槽（坑）底宽之和。如图22-1所示。图22-1 预防土冻结耕松耙平图1-天然雪层；2-地表面；3-耕松厚度250mm；4-耙平厚度150mm；5-拟挖掘的地槽轮廓；H-土的最大冻结深度在上述情况下，经过z昼夜后的冻结深度H可按下式计算：H（4PP2） （22-2）式中 H翻松耙平或粘土覆盖后的冻结深度（cm）；土的防冻计算系数，按表22-4选用；P冻结指数，；t土体冻结时间（d）；T土体冻结期间的室外平均气温（），以正号代入。土的防冻计算系数 表22-4地面保温的方法P值0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.52.0耕松25cm并耙平151617182022242628303030覆盖松土不少于50cm353637394144475155596060【例】某地为粘土，由11月7日开始冻结，于冻结前耕松地面25cm，并耙平之，11月的平均温度为-2.1，12月的平均温度为-8，试计算该地在1月1日的冻结深度。【解】11月冻结了306=24d，12月冻结了31d。11月tT242.15112月tT318248tT51248299P299/10000.3从表22-4查得17，代入公式（22-2）得该地在1月1日的冻结深度为：H17（40.30.32）19cm2覆雪防冻法在积雪量大的地方，可以利用自然条件，覆雪防冻，效果很好。覆雪防冻的方法，通常有三种类型：第一种类型是利用灌木和小树林等植物挡风起涡旋存雪，这些植物应等到挖土开始之前再铲除，如图22-2。图22-2 利用植物挡雪防冻第二种类型是在面积宽阔而又没有植物的地面上，可设篱笆或造雪堤以为积雪之用，设置时应使长边垂直于主要方向，其互相间的距离从10h到15h，h是篱笆或雪堤的高度，通常采用0.51m，如图22-3。图22-3 设置篱笆或雪堤挡雪防冻第三种类型是在面积较小的地面，特别是拟挖掘的地沟面，若在土冻结之前，初次降雪后，即在地沟的位置上挖沟。深度为3050cm，宽度与预计深度的两倍加基槽（坑）底宽之和。随即将雪填满，即可防止未挖掘的土冻结，如图22-4。图22-4 挖沟填雪防冻H0-土的最大冻结深度3保温材料防冻法面积较小的地面防冻，可以直接用保温材料覆盖，覆盖层的厚度h可按下列公式计算：hH/ （22-3）式中 h保温材料厚度（cm）；H不保温时的土体冻结深度（cm）；各种材料对土体冻结影响系数，按表22-5选用。各种材料对土体冻结影响系数 表22-5土壤种类保温材料树叶刨花锯末干炉渣麦草膨胀珍珠岩炉渣芦苇草帘泥炭土松散土密实土砂土3.33.22.82.02.53.81.62.12.52.81.41.12粉土3.13.12.71.92.43.61.62.02.42.91.31.08粉质粘土2.72.62.31.62.03.51.31.72.02.31.21.06粘土2.12.11.91.31.63.51.11.41.61.91.21.00注：1表中数值适用于地下水位在冻结线1m以下。2当地下水位较高时（饱和水的），其值可取1.0。3松散材料表面应加以盖压，以免被风吹走。【例】某工地计划在1月份开始挖槽，根据气象资料计算，如无保温层时土的冻结深度可达67cm，为防止冻结，拟用锯末覆盖保温。土为粉土，应铺多厚的锯末？【解】查表22-5得2.7，代入公式（22-3）锯末厚h67/2.725cm在被保温地面上的全部保温层厚度必须一致。保温层铺出的宽度，应不小于最大冻结深度。如图22-5所示。图22-5 保温层铺出的宽度示意H0-土的最大冻结深度；D-基础埋深开挖完的土方，必须防止基槽（坑）的底部受冻或相邻建筑物的地基及其他设施受冻。如基槽（坑）挖完后不能及时进行下道工序施工，应在基底标高上预留适当厚度土层，并覆盖保温材料保温。22-2-3 冻土的破碎与挖掘在没有保温防冻的条件，或土已冻结时，比较经济的土方施工方法是破碎冻土，然后挖掘。一般有爆破法、机械法和人工法三种。1爆破法爆破法适用于冻土层较厚，开挖面积较大的土方工程。这个方法是以炸药放入直立爆破孔或水平爆破孔中进行爆破，冻土破碎后用挖土机挖出，或借爆破的力量向四外崩出，形成需要的沟槽。适用于冻土层较厚的土方工程。冻土深度在2m以内时可以采用直立爆破孔，如图22-6（a）。冻土深度在2m以上时可以采用水平爆破孔，如图22-6（b）。图22-6 爆破法和土层冻结深度的关系（a）直立爆破孔；（b）水平爆破孔H-冻土层厚度；W-最小抵抗线（由药包中心至地面的最小距离）爆破孔断面的形状为圆形，直径为5070mm。直立爆破孔与地面呈6090夹角，深度为冻层厚度的0.60.85倍。爆破孔间距一般等于最小抵抗线长度的1.2倍，排距等于最小抵抗线长度的1.5倍。爆破孔可用电钻、风钻或人工打钎成型。炸药可使用黑色炸药、硝铵炸药或TNT炸药。冬期严禁使用甘油类炸药，因为它在温度-10时就会冻结，并有自爆的危险。雷管可使用电雷管或火雷管。炸药用量由计算确定或不超过孔深的2/3，外面装以砂土。硝铵炸药的用量可按下式计算：QNBW3 （22-4）式中 Q硝铵炸药用量（kg）；NB计算系数，见表22-6；W最小抵抗线（m）。硝铵炸药计算系数NB 表22-6土的种类用直立爆破孔爆破时NB的约值粘土0.81.0含小石土0.60.8黑土及砂土0.40.6【例】在斜坡上的冻土凿眼爆破，如图22-7所示，凿眼深度为1.2m，土质为粘土，问需装多少硝铵炸药？【解】最小抵抗线为药包中心至地面的最小距离，即查表22-6，得NB1，需装硝铵炸药的量按公式（22-4）为：Q11.1731.6kg爆破冻土耗用硝钱炸药的量也可参考表22-7。爆破100m3冻土消耗的硝铵炸药用量（kg） 表22-7冻土种类冻层厚度（m）0.51.01.5粘土、建筑瓦砾676060含小砾石的土504848黑土及砂土393434图22-7 斜坡冻土凿眼爆破爆破孔应注意事项：爆破孔在装药前，应将钻孔剩余的冻土屑清除，如落入水时，应用干砂、破布或其他吸水材料，把水吸出，已经清理好的爆破孔在爆破前应用木塞塞上，木塞的上头须高出地平线1020cm。装炸药常识：装炸药时，开始应装入容量的一半，再装入雷管，最后填入余下的炸药，用木棍轻加压实，再放入1015cm的干砂或细干土层，爆破孔的上部塞入融解的土。装入带筒的炸药包，可以用绳放入，不应用缓燃导火线或电气雷管线。填孔时需特别注意不要使导火线或电线受到破坏。爆破的安全注意事项：爆破施工要离建筑物50m以外，距高压电线200m以外。爆破工作应在专业人员指挥下，由受过爆破知识和安全知识教育的人员担任，爆破之前应有技术安全措施，经主管部门批准，在现场应设立警告标志、信号、警戒哨和指挥站等防卫危险区的设施。放炮后要经过20min才可以前往检查。遇有瞎炮，严禁掏挖或在原炮眼内重装炸药，应该在距离原炮眼60cm以外的地方另行打眼放炮。2机械法当冻土层厚度为0.25m以内时，可用中等动力的普通挖土机挖掘，其在冬期的工作效能与夏天相差不大。当冻土层厚度不超过0.4m时，可用大马力的掘土机（其戽斗容积为1m3或大于1m3）开掘土体，并不需预先准备即能进行。用拖拉机牵引的专用松土机，能够松碎不超过0.3m的冻土层。厚度在0.61m的冻土，通常是用吊锤打桩机往地里打楔或用楔形锤打桩机进行机械松碎。但为了易于移动，通常用最轻的打桩机，如图22-8。图22-8 松碎冻土的打桩机厚度在11.5m的冻土，可以用重锤冲击破碎冻土。锤可由铸铁制成楔形或球形，重23t。也可使用强夯重锤。起吊设备可用吊车、简易的两步搭或三步搭支架配以卷扬机。有风镐设备的单位可用风镐将冻土打碎，然后用人工或机械运输，其施工较简单，工人不需要更多训练。3人工法普通常用的工具有镐、铁楔子，使用铁楔子挖冻土比用其他手工工具效果为好，效率较高。施工时一人掌楔，一人或两人掌大锤，一个小组常用几个铁楔子，当一个铁楔子打下去而冻土尚未脱离时，再把第二个铁楔子在旁边的裂缝上加进去，直至冻土剥离为止。但要注意去掉楔头打出的飞刺，以免飞出伤人。掌铁楔的人与掌锤的人不能脸对着脸，必须互成90。此方法耗费劳动量较大，是一种比较落后的方法，但在场地狭窄、不适宜用大型机械的地方，尚可使用，比使用镐来挖掘要省力得多。铁楔子的尺寸如图22-9所示。图22-9 松碎冻土用的铁楔子4冻土的挖掘破碎后的冻土可用机械或人工方法挖掘。与常温施工不同的是由于外界气温处于0以下，使未冻的土很快冻结，因此应注意下列几点：1必须周密计划，组织强有力的施工力量，必要时应留出预备力量，以便进行连续不断的施工。2各种管道、机械设备和炸药、油料等必须采取保温措施，防止因冻结遭受破坏或变质。3对运输的道路须采取防滑措施，如撒上炉渣或砂子等，以保持正常运输和安全。4土方开挖完毕，或完成了一段落，必须暂停一段时期，如在一天以内，可在未冻土上覆盖一层草垫等简单的保温材料，以防已挖完的基土冻结。如间歇时间稍长，则应在地基上留一层土暂不挖除，或覆以其他保温材料，待砌基础或埋设管道之前再将基坑（槽）或管沟底部清除干净。22-2-4 冻土的融解冻土的融解是依靠外加的热能来完成的，所以费用较高，只有在面积不大的工程上采用。通常有循环针法、电热法和烘烤法三种，其耗费热能的约值，可参考图22-10、图22-11。图22-10 使用各种融解法融解1m3冻土所需能量消费图1-局部暖棚法；2-水平电极法；3-垂直电极法；4-循环针法；5-电针法；6-深电极法图22-11 融解全部冻结层的土表面积1m2时所需的能量数值图表注：按图表可确定当地下水位低时，融解土所需的能量需要量。当地下水位高时，融解饱和水的土所需的能量消耗要比水位低时增加45倍。1循环针法循环针法适用于热源充足，工程量较小的土方工程。循环针分蒸汽循环针与热水循环针两种，其施工方法都是一样的。先在冻土中按预定的位置钻孔，然后把循环针插到孔中，热量通过土传导，使冻土逐渐融解。通蒸汽循环的叫做蒸汽循环针，通热水循环的叫做热水循环针。循环针的构造如图22-12。图22-12 循环针构造图循环针是由外管和内管组成的，外管直径88.5mm，内管直径42.25mm，外管分上下两部分，各与法兰盘焊接，使用时用M12螺栓连接；外管底部是焊接的尖头，上端焊接突出的管头和送水管连接。内管下端开口，上端弯头与回水管连接，内管和外管在针的上部用焊接固定。针长为1.25m（制作时视土的冻结深度而定），针的重量约为20kg。热水经管嘴进入外管向下溢流，又上升进入内管，再沿回水管道回到锅炉。循环针的布置，视土方工程的大小而异，当开挖小坑道时，应将针放于每个坑道的中心处；在开挖狭窄地沟时，应在其轴心线上相距1m处安置循环针；在开挖宽地沟时，循环针可交错安置，距离等于冻结深度，但互相间不可超过1.5m。在加热过程中，循环针逐渐将周围的土加热融解，融解的速度随时间的增长而下降。在加热1620h以后，土的融解实际上将停止。此时融解土的半径，在土或砂质粘土中是0.3m左右，在砂土及砂子中是0.5m左右；在停止供热后应将针取出，此时积蓄在融解土中的热，徐缓地向四周扩散，到次日，融解土的半径即达到距钻孔中心0.50.7m处。安放循环针的孔眼深度应为冻结层厚度的0.7倍。钻孔不应过大，当针与孔壁紧密接触时，针的作用效力将增大。为了减少热量的损失，各针应通过安置在所加热土表面上的方形或圆形保温箱内。循环针的热源是锅炉，所以必须设置与水暖方式相似的管网，在回水管上安装离心水泵及两个温度表，一个装在送水管上水针附近，另一个装在回水管上，管网应予保温。水针和配管线路以胶皮软管相连接。管网图式如图22-13。图22-13 循环水针热管网图循环针组数的计算，通常融化冻土都超过一昼夜，因此在布置时要分若干组，每组的融化面积应当等于一昼夜所能挖掘的数值，组数m可由下式求出：（22-5）式中 t土融化总时间（h）。从第一组开始融化，经一昼夜再融化第二组，以此类推。管道的直径可依下式求出： （22-6）式中 Q水线路中的容水数量（L）；v管道中的流水速度（m/s）；n线路中每小时水的回转次数。按下式计算： （22-7）其中 Q融化冻土所需热量（kJ/h）；T来水与回水的温度差，通常为210。离心水泵的功率N，可依下式计算： （22-8）式中 V每小时的流量（L）；m设备的有效系数，等于0.5；h线路中总扬程损失。50mm的管道，流速为0.62m/s时为0.011m/m；68mm的管道，流速为0.36m/s时为0.003m/m。此外，应将循环针底部标高和锅炉水面标高的高度差所引起的扬程损失计算在内。2电热法电热法适用于电源充足，工程量不大的土方工程。电热法有水平电极法、垂直电极法、电针法和深电极法等。根据经验，多使用垂直电极法和深电极法。但不管何种方法，耗电量都相当大。因此使用电热法时，应该结合当地条件，在小量工程、急需工程，或者用此法比别的方法更为合理的时候，才可以使用电热法。垂直电极法与深电极法，都是以通闭合电路的材料加热为基础的。电极用直径1625mm、长1.52.0m的圆钢筋做成，电极的下端锻成圆锥形，而上端距边缘5cm处钻一直径34mm的小孔，用长2530cm的裸电线通过这些小孔，其一端焊接在电极上，另一端作电极与电线网连接用。电极打入土内的间距，视电压、土的种类和湿度不同而异，一般为0.40.8m。两法不同之点在于垂直电极法其电极不打到冻层以下，而深电极法则将电极打到冻层以下1520cm处。电极的布置应按交错形排成三列，使该段上冻结的土分成若干个块体。电极间距可参考表22-8。电极间距参考表（cm） 表22-8电压（V）冻结深度（cm）501001502003806060505022050504040采用垂直电极法融解土时，可在地表面铺厚度为1025cm锯末，并用1%2%浓度的食盐溶液浸湿，以减少电阻，使冻土加速融解。当用深电极法时，电流通过冻结层以下的土层，将土层加热，这时和加热土接近的冻结层即开始融解。随着融解土层厚度的不断增加，电流的循环范围亦随着增加，同时热向上扩散，顺序地融解冻土的最上层。电极打入冻土是一项很困难的工作，因此只能采取逐步打入逐步通电的办法。最初电极打入深度只能为0.40.8m，通电46h后，即停止送电。此后再将电极打到更深的冻土中，如此循环。当冻土层厚度超过1.5m时，应按每层厚度不大于0.8m分层融解。已经融解的土应立即清除，其后再融解下一层土。电极法融解土的时间，根据冻土层的厚度、加热温度、土的湿度以及电压高低而有所不同。一般说来，当用垂直电极法时，以220V电压融解0.50.7m的冻土层，约需3048h；而采用深电极法时，以220V电压融解1.5m冻土层，约需16h。如电压降低，则融解时间均可能延长。采用电热法的安全注意事项：此法进行前，必须有周密的安全措施，应由电气专业人员担任通电工作。电源要通过有计量器、电流、电压表、保险开关的配电盘。工作地点要设置危险标志，通电时严禁靠近。进入警戒区内工作时，必须先切断电源。通电前工作人员应退出警戒区，再行通电。夜间应有足够的照明设备。当为含有金属夹杂物或金属矿石的冻结土时，则不可采用电热法。3烘烤法工程量小的工程可采用烘烤法。烘烤所用燃料最常用的是锯末、刨花、劈柴、植物杆、树枝、稻壳、板皮等，也有工业废料可作燃料的，如铝镁石粉、废机油、油渣等。一般地区以锯末刨花效果最好，在冻土上铺上杂草、木柴等引火，然后撒上锯末，点燃后上面用铁板覆盖，让它不起火焰地燃烧。这样有25cm厚的锯末，其热量经一夜可融化冻土30cm左右，如此分段分层施工，直至挖到未冻土为止。此法虽然原始，因简单方便，使用面颇广。但冬天风大，易引起火灾，需要专人值班，务使有火就有人，不能离岗。且现场要准备一些砂子或其他灭火物品，以备不时之需。22-2-5 冻土的钻孔在建筑工程中，经常需要在冻土中穿凿孔洞，特别在采用爆破法及循环针时，更需要先在冻土中钻孔。钻孔可用机械或手工方法进行。机械法钻孔常使用电钻或气动钻，钻头是用弹簧钢条锻成的，如图22-14。钻头厚度68mm，宽度5060mm，钻孔时，钻头因发热而失去原有的强度。因此，在使用过程中，要不时地向钻孔里灌入氯化钠溶液或氯化钙溶液，当钻到最后1520cm时，即可不再加溶液了。图22-14 钻头手工钻孔是用烧热的钎子进行的。钎子用直径5075mm（供循环针用的可大一些）、长1.01.5m的钢管制成，在管的下端焊上硬合金小齿；为了避免管子上端在大锤冲击时受到损伤，应用扁钢焊成的圈或金属塞加以保护，如图22-15。钻孔时，应将钎子在烘炉中烤至赤热程度。为了使钻孔工作不中断，须备有45个钎子，一个钻孔时，其余的在炉上加热。每天工作结束时，必须将钎子烤热把上面的土仔细清除。烤钎子用的烘炉应是可以移动的。图22-15 钎子1-嵌入的金属塞；2-撬棍孔22-2-6 回填土由于土冻结后即成为坚硬的土块，在回填过程中不能压实或夯实，土解冻后就会造成大量的下沉，所以冬期回填土方时，每层铺土厚度应比常温施工时减少20%25%。预留沉陷量应比常温施工时增加。对于大面积回填土和有路面的路基及其人行道范围内的平整场地填方，可采用含有冻土块的土回填，但冻土块的粒径不得大于15cm，其含量（以体积计）不得超过30%。铺填时冻土块应分散开，并应逐层夯实。填方边坡的表层100cm以内，不得采用含有冻土块的土填筑；整个填方上层部位应采用未冻的或透水性好的土回填，其厚度应符合设计要求。冬期填方的高度不宜超过表22-9的规定。冬期填方的高度 表22-9室外平均气温（）填方高度（m）5104.511153.516202.5注：采用石块和不含冻块砂土（不包括粉砂）、碎石土类回填时，填方的高度可不受上表限制。室外的基槽（坑）或管沟可采用含有冻土块的土回填。但冻土块的粒径不得大于15cm，含量不得超过15%，且应均匀分布，但管沟底以上50cm范围内不得用含有冻土块的土回填。室内的基槽（坑）或管沟不得采用含有冻土块的土回填。在冬期回填土时，应采取以下措施：1把回填用土预先保温。在入冬以前，将挖土堆积一处进行严密保温，等冬期需要回填时，将内部含有一定热量的土挖出进行回填。2在冬期挖土中，将不冻土堆在一起加以覆盖，防止冻结，留作回填之用。3平衡土方。在编制施工方案时，应考虑挖方和填方的平衡，即用从甲坑挖出来的未冻土，填到乙坑作回填土，并迅速夯实。4回填前将基底的冰雪和保温材料打扫干净，方可开始回填。5用人工夯实时，每层铺土厚度不得超过20cm，夯实厚度为1015cm。6适当减少回填土方量。在冬期进行回填土时，可在保证基底土不遭受冻结的条件下，尽量少填一些，留待春暖时再继续回填。7为确保冬期回填的质量，对一些重大工程项目，必要时可用砂土进行回填。8在冻胀土上的地梁、桩基的承台等，其下面有可能被冻土隆起的地方，要垫以炉渣、矿渣等松散材料。9有工业废料的地方，也可充分利用工业废料作回填土之用。10冬期回填土方应连续进行并逐层夯实。22-2-7 土方工程冬期施工方法适用范围及优缺点比较土方工程冬期施工方法适用范围及优缺点比较见表22-10。土方工程冬期施工方法适用范围及优缺点 表22-10施工方法适用的工程应具备的施工条件与准备工作优缺点一般的各个施工方法的一般准备特别准备优点缺点优点缺点土的防冻法地面耕松耙平防冻法冬初开挖之大体积土方工程修筑排水沟、透水沟松土机或松土工具（特制的犁）保护基础坑道温度，减少挖土困难1费用增加2入冬后很难做好，必须冻结前布置施工便利，费用低廉，宜于大面积挖方效果不及覆盖法隔热材料防冻法仲冬开挖之较小土方工程保温材料效果较好，适用于零星结构、基础、水管等需保温材料，费用较大覆雪防冻法仲冬后开挖之土方工程松土设备，盛雪工具或木板、原木等简单，效果很好，特别适用于地槽增加排出融化雪水工作冻土融解法烘烤法开挖面积不大，冻层不深的地方挖土运土机燃料可利用挖土机、挖槽机，挖掘融化的土，增加工作效能增加特殊设备，增大费用设备简单成本高，效果差循环针法开挖冻土1m以上，地下水位较低之坑道或地沟锅炉、水泵、特制水针、管材及附件热水针耗热比蒸汽针为小需有设备电热法开挖冻土1m以上，地下水位较低之坑道或地沟电源、开关、变压器、电流表、电压表、电极、食盐溶液效力最大，费用最高耗电量大，绝对不能用于金属夹土冻土破碎法人工法适用于砂质、砂粘土及腐殖土，冻结深度较浅之土方工程挖土及运土机械手工工具、铁楔、撬棒、大锤经济，无特殊设备效率小，进度慢，需大量劳动力，仅适于冻层较浅或分散的土机械法工程量大而集中装有吊锤之起重机、风镐或改装之打桩机效率高，可利用改装之机械，操作简便，特别适用于集中的土需用各种机械设备，费用较大爆破法冻结较深、较坚硬的土坑道或石坑炸药及爆破设备，风钻或电钻，手工铁钎效率高，费用廉，可在短期挖大量土方须防周围建筑物受振，须防爆炸伤害人身，需特种技术人员