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建筑工程施工课件 2007 3 26 1土方工程 主要内容 土方工程量计算 土方工程施工准备与基坑 槽 施工 土方工程的机械化施工 土方回填与压实 爆破施工及土方工程质量标准与安全技术 学习重点 土的工程性质 土的工程性质 土方填筑与压实 土方机械化施工 深基坑施工 学习要求 掌握土的工程性质 土方机械化施工 深基坑施工 掌握基坑 槽 场地平整土石方工程量的计算方法 了解土壁塌方和发生流砂现象的原因及防止方法 爆破工程 土方常见的质量事故及处理 熟悉常用土方施工机械的特点 性能 适用范围及提高生产率的方法 掌握回填土施工方法及质量检验标准 1 1概述1 2土方工程量计算1 3土方工程施工准备与基坑 槽 施工1 4土方工程得机械化施工1 5土方回填与压实1 6爆破施工1 7土方工程质量标准与安全技术工程实践案例 1 1概述 一 土方工程的分类及特点土方工程分类场地平整基坑 槽 开挖基坑 槽 回填土方施工特点工程量大 劳动强度高 施工条件复杂 受场地限制 二 土的分类与现场鉴别方法在工程上 土根据开挖难易程度分为八类 其中一 四类土为土 五 八类土为岩石 其开挖难易直接影响其施工方案 劳动量消耗和工程费用 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1 1所示 表1 1土的工程分类与现场鉴别方法 三 土的工程性质土的可松性 天然土经开挖后 其体积因松散而增加 以后虽经回填压实 仍然不能恢复成原来体积 土的这种性质称为土的可松性 土的可松性用可松性系数表示 即式中KS KS 土的最初 最终可松性系数 V1 土在天然状态下的体积 m3 V2 土挖出后在松散状态下的体积 m3 V3 土经压 夯 实后的体积 m3 土的天然含水量土的天然含水量是指土中水的质量与土颗粒质量的百分比 表达式为 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 土的渗透性土的渗透性 指土体被水透过的性质 土的渗透性用渗透系数表示 渗透系数 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 土的渗透系数见表1 2所示 表1 2土的渗透系数参考表 四 土方边坡为保证土方工程施工时土体的稳定 防止塌方 保证施工安全 当挖土超过一定的深度时 应留置一定的坡度 边坡可以做成直线形边坡 阶梯形边坡及折线形边坡 其中 称为坡度系数 1 2土方工程量计算 土方施工前 通常要计算土方的工程量 根据土方工程量拟定土方施工的方案 组织土方工程的施工 单土方工程的地形往往复杂 不规则 要进行精确计算比较困难 通常都是将其假设或者划分成为一定的几何形状 并采用具有一定精度由于实际情况相近似的方法进行计算 一 基坑 槽 土方量的计算基坑是指长宽比小于等于3的矩形土体 其土方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1 1 即式中H 基坑深度 m A1 A2 基坑上 下底的面积 m2 A0 基坑中截面的面积 m2 基槽土方量计算可沿长度方向分段计算 图1 2 式中 V1 第一段的土方量 m3 L1 第一段的长度 m 式中V1 V2 Vn 各段的土方量 m3 二 场地平整土方计算 一 场地设计标高的确定设计标高选择 需考虑以下因素 1 满足生产工艺和运输的要求 2 尽量利用地形 以减少挖方数量 3 尽量使场地内挖填平衡 以降低土方运输费用 4 有一定泄水坡度 2 满足排水要求 5 考虑最高洪水位的要求 场地的设计标高 可根据挖填平衡的原则确定 1 初步计算场地设计标高方格网法 方格的角点标高 一般根据地形图上相邻两等高线的标高用插入法求得 无地形图时 也可在地面用木桩打好方格网 然后用仪器直接测出 一般说来 理想的设计标高 应该使场地的土方在平整前和平整后相等而达到挖方和填方的平衡 场地设计标高计算简图a 地形图上划分方格 b 设计标高示意图1 等高线 2 自然地面 3 设计标高平面 2 计算设计标高的调整值所计算的标高 纯系一理论值 实际上 还需考虑以下因素进一步进行调整 1 土具有可松性 2 填 挖 影响 3 边坡填挖量不等 4 就近弃土于场外 或将部分填方就近取土于场外挖填土的变化 3 考虑泄水坡度对设计标高的影响由于排水要求 场地表面场有一定的泄水坡度 因此 还需根据场地泄水坡度的要求 单面泄水或双面泄水 计算出场地内各方格角点实际施工时的设计标高 二 场地土方量的计算1 方格网法 1 四个角点挖 填 方2 两个角点填方 另外两个角点挖方3 一个角点填 挖 三个角点挖 填 方2 断面法 公式法 累高法 三 边坡土方量的计算三角棱体 V 1 3A1L1A1 1 2mh2三角棱柱体 V 1 2 A1 A2 l4或V 1 6 A1 4A0 A2 四角全填 全挖 相邻两角为挖 另两角为填 三角填 挖 另一角挖 填 表1 3常用方格网点计算公式 例1 1 某建筑场地方格网如图1 7所示 方格边长为20m 20m 填方区边坡坡度系数为1 0 挖方区边坡坡度系数为0 5 试用公式法计算挖方和填方的总土方量 解 1 根据所给方格网各角点的地面设计标高和自然标高 计算结果列于图1 8中 由公式1 8得 h1 251 50 251 40 0 10 h2 251 44 251 25 0 19 h3 251 38 250 85 0 53 h4 251 32 250 60 0 72h5 251 56 251 90 0 34 h6 251 50 251 60 0 10h7 251 44 251 28 0 16 h8 251 38 250 95 0 43 h9 251 62 252 45 0 83h10 251 56 252 00 0 44 h11 251 50 251 70 0 20h12 251 46 251 40 0 06 2 计算零点位置 从图1 8中可知 1 5 2 6 6 7 7 11 11 12五条方格边两端的施工高度符号不同 说明此方格边上有零点存在 求得 1 5线 x1 4 55 m 2 6线 x1 13 10 m 6 7线 x1 7 69 m 7 11线 x1 8 89 m 11 12线 x1 15 38 m 将各零点标于图上 并将相邻的零点连接起来 即得零线位置 如图1 8 3 计算方格土方量 方格 底面为正方形 土方量为 V 202 4 0 53 0 72 0 16 0 43 184 m3 V 202 4 0 34 0 10 0 83 0 44 171 m3 方格 底面为两个梯形 土方量为 V 20 8 4 55 13 10 0 10 0 19 12 80 m3 V 20 8 15 45 6 90 0 34 0 10 24 59 m3 方格 底面为三边形和五边形 土方量为 V 65 73 m3 V 0 88 m3 V 2 92 m3 V 51 10 m3 V 40 89 m3 V 5 70 m3 方格网总填方量 V 184 12 80 65 73 2 92 40 89 306 34 m3 方格网总挖方量 V 171 24 59 0 88 51 10 5 70 253 26 m3 4 边坡土方量计算 如图1 9 按三角棱柱体计算外 其余均按三角棱锥体计算 依式1 11 1 12可得 V 0 003 m3 V V 0 0001 m3 V 5 22 m3 V V 0 06 m3 V 7 93 m3 V V 0 01 m3 V 0 01 m3 V11 2 03 m3 V12 V13 0 02 m3 V14 3 18 m3 边坡总填方量 V 0 003 0 0001 5 22 2 0 06 7 93 2 0 01 0 01 13 29 m3 边坡总挖方量 V 2 03 2 0 02 3 18 5 25 m3 四 土方调配原则力求达到挖 填平衡和运距最短的原则 土方调配应考虑近期施工与后期利用相结合的原则 土方调配应采取分区与全场结合来考虑的原则 土方调配还应尽可能与大型地下建筑物的施工结合 选择适当的调配方向 运输路线 使土方机械和运输车辆的功效能得到充分发挥 1 3土方工程施工准备与基坑 槽 施工 一 施工准备及定位放线 一 施工准备工作 1 场地清理 2 地面水排除 二 定位放线 1 建筑物定位 2 放线二 土壁稳定土体内摩阻力和粘结力保持平衡 一 土壁塌方原因 边坡过陡 堆物过重 水渗入土体 二 采取措施 放足边坡 适当堆物 做好排水 三 基坑开挖与支护 一 浅基坑开挖 二 土壁支护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 横撑式支撑 三 大面积深基坑支护1 支护特点 主要支护方法 钢板桩 柱列式钢筋砼桩 连续墙等 对方形或圆形基坑采用拱圈 利用深层搅拌法加固基坑四周土体 逆作法施工技术日益被重视2 一些先进施工技术1 地下连续墙2 柱列式灌注桩3 土锚杆4 土钉墙 1 地下连续墙地下连续墙已是目前深基坑的主要支护结构之一 对地下结构层数多的深基坑的施工非常有利 优点 结构整体性好 刚度大 可作防渗墙 形状灵活缺点 需用专用机械 成本较高 2 柱列式灌注桩以钢筋砼灌注桩配合土锚杆或横向支撑以减少柱身弯距的挡土结构优点 可使用钻孔机械 按通常灌注柱施工缺点 整体性能较差 无防水能力 3 土层锚杆土层锚杆是一种埋入土层深部的受拉杆件 它一端与构筑物相连 另一端锚固在土层中 钻孔 安放拉杆 灌浆 养护 安装锚头 张拉锚固和挖土 4 土钉墙及土锚杆土钉墙由被加固土体 放置在土中的土钉体和喷射砼面板组成 形成一个以土挡土的重力式挡土墙 土钉墙自上而下施工 靠土钉的相互作用形成复合整体作用 土层锚杆适用于地下水低于土坡开挖段或降水措施后使地下水位低于开挖层的情况 但其失效影响较大 不适用于没有临时自稳能力的淤泥 饱和软弱土层 施工工艺 开挖工作面喷射砼设置土钉铺设钢筋网设置排水系统 土钉墙 四 施工排水为了保持基坑干燥 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 一 井点排水法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 二 流砂现象及其防治流砂 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 防治措施 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 人工降水法 井点降水法 在基坑开挖前 预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管 利用抽水设备连续不断的抽水 使地下水位降至基底以下 直至基础施工完毕为止 三 人工降低地下水位 人工降水法有 轻型井点 喷射井点 电渗井点 管井井点及渗井井点等 其中 轻型井点应用广泛 1 轻型井点的主要设备 1 管路系统 滤管 井点管 弯联管 总管 2 抽水设备 真空泵 离心泵 水气分离器 2 轻型井点的布置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 高程计算公式 h h1 h iL 基坑 槽 大于6m或土质不良的情况可以采用双排布置 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 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 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 3 轻型井点的计算 无压完整井 无压不完整井 有效深度H0 当H0 H时 仍取H S 井点管处水位降低值 S iL 承压完整井 H 含水层厚度 S 水位降低值 y0 环状井点的假想半径 A 环状井点包围的面积 4 轻型井点降水法的施工 轻型井点的施工分为准备工作及井点系统安装 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 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 井点管的埋设一般用水冲法施工 分为冲孔和埋管两个过程 轻型井点使用轻型井点运行后 应保证连续不断地抽水 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 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 1 4 1 1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 目前 我国生产的履带式推土机有东方32100 T 120 黄河220等 轮胎式推土机有TL160等 1 4土方机械化施工 1 4 1常用土方施工机械 1 4 1 1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 环形路线 8 字形路线 1 4 1 3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 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 液压式单斗挖土机的优点是能无级调速且调速范围大 快速作业时 惯性小 并能高速反转 转动平稳 可减少强烈的冲击和振动 结构简单 机身轻 尺寸小 附有不同的装置 能一机多用 操纵省力 易实现自动化 1 正铲挖土机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 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 侧向卸土正向挖土 反向卸土 2 反铲挖土机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 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 反铲挖土机停在沟端 向后退着挖土 沟侧开挖 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 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 1 4 2 1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 4 2土方机械的选择 1 4 2 2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 1 5土方回填与压实 1 5 1土料的选择 填土的土料应符合设计要求 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 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 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1 2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 5 2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 5 3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 1 5 3 1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 1 5 3 2含水量的影响填土含水量的大小直接影响碾压 或夯实 遍数和质量 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 各种土的最佳含水量和最大干密度见表1 7所示 表1 7土的最佳含水量和最大干密度参考表 1 5 3 3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 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1 8的规定 表1 8填土施工时的分层厚度及压实遍数 1 5 4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 检验标准应符合表1 9的规定 1 6爆破施工 起爆方法 火花起爆 电力起爆 导爆索起爆破坏作用圈 介质距爆破中心越近 破坏越大爆破方法 裸露药包爆破 浅孔爆破 药壶爆破 拆除爆破 1 7质量标