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土方工程 1 概述土方工程是建筑工程施工过程中的第一道工序 土方工程是建筑工程施工中主要分部工程之一 土方工程主要包括 土 或石 方的场地平整 挖掘 运输 回填和压实等施工过程 排水 降低地下水位和土壁支撑等准备和辅助过程 2 土方工程施工工艺 场地平整基坑 槽 及管沟开挖或地下大型土方开挖土方运输土方回填压实土方工程施工的特点 面广量大 劳动繁重 大多为露天作业 施工条件复杂 施工易受地区气候及地质条件影响 对策 采用机械化施工做好施工组织设计 3 1 土的工程分类与鉴别 1 土的工程分类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 土的工程分类与现场鉴别方法见表1 1所示 4 表1 1土的工程分类与现场鉴别方法 5 6 2 土的现场鉴别包括 碎石土 砂土 粘性土 粉土 人工填土 淤泥 黄土 湿陷性 泥炭 7 2 土方工程量计算 1 土方边坡土方边坡大小应根据土质 开挖深度 开挖方法 施工工期 地下水位 坡顶荷载及气候条件等因素确定 8 土方边坡坡度 h b 1 b h 1 m m b h 称为边坡系数 土方边坡坡度一般在设计文件上有规定 若设计文件上无规定 可按照 建筑地基基础工程施工质量验收规范 GB50202 2002第6 2 3的规定执行如表2 3 m的确定原则 保证土体稳定 施工安全 又要节省土方 9 2 基槽 坑 土方量计算基槽开挖宽度 放线宽度 的计算 不放坡 不加挡土板支撑 不放坡 但要留工作面 见图1 13 留工作面并加支撑 d 基础放灰线宽 mm a 基础底宽 mm c 工作面宽 一般取300mm 10 放坡 11 基槽土方量计算 当基槽不放坡时 V h a 2c L当基槽放坡时 V h a 2c mh L若较长基槽 且断面变化较大 可分段计算 将各段土方量相加即得总土方量 中截面公式 12 基坑土方量计算 当基坑不放坡时 V h a 2c b 2c 当基坑放坡时 V h a 2c mh b 2c mh 1 3m2h3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 15 即 13 3 自然放坡与土壁支撑 1 放坡 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 造成土壁塌方的主要原因有 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 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 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 14 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 密实 中密的砂土和碎石类土 充填物为砂土 1 0m 硬塑 可塑的粉土及粉质粘土 1 25m 硬塑 可塑的粘土和碎石类土 充填物为粘性土 1 5m 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 15 深度在5m内的基坑 槽 管沟边坡的最陡坡度 16 2 浅基坑 槽 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 横撑式支撑 适用于宽度不大 深5m以内的浅沟槽 多用于地下管道 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 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2 4 17 18 3 深基坑支护基坑支护结构一般根据地质条件 基坑开挖深度以及对周边环境保护要求可以采取重力式水泥土墙 板式支护结构 土钉墙等形式 在支护结构的设计与施工中首先要考虑周边环境的保护 其次要满足本工程地下结构施工的要求 再则应尽可能降低造价 便于施工 支护结构包括 挡墙和支撑 拉锚 两部分 按受力不同分为 重力式支护结构 非重力式支护结构 柔性支护 19 重力式支护结构包括 深层搅拌水泥土桩挡墙和旋喷桩挡墙 深层搅拌水泥土桩挡墙 它是通过深层搅拌桩机将水泥与土进行搅拌 形成柱状的水泥加固土 搅拌桩 水泥土桩相互搭接硬化后而形成具有一定强度的壁状挡土墙 作用 挡土 隔水 适用 软土地区4 6m深的基坑 最大可达7 8m 20 深层搅拌桩机的组成 由深层搅拌机 主机 机架及灰浆搅拌机 灰浆泵等配套机械组成 如下图所示 深层搅拌桩机机组1 主机 2 机架 3 灰浆拌制机 4 集料斗 5 灰浆泵 6 贮水池 7 冷却水泵 8 道轨 9 导向管 10 电缆 11 输浆管 12 水管 21 水泥土墙 搅拌桩 插筋 面板 22 23 施工工艺 搅拌桩成桩工艺可采用 一次喷浆 二次搅拌 或 二次喷浆 三次搅拌 工艺 主要依据水泥掺入比及土质情况而定 水泥掺量较小 土质较松时 可用前者 反之可用后者 a 定位 b 预埋下沉 c 提升喷浆搅拌 d 重复下沉搅拌 e 重复提升搅拌 f 成桩结束 24 25 质量要求 水泥土搅拌桩施工中应注意水泥浆配合比及搅拌制度 水泥浆喷射速率与提升速度的关系及每根桩的水泥浆喷注量 以保证注浆的均匀性与桩身强度 施工中还应注意控制桩的垂直度以及桩的搭接等 以保证水泥土墙的整体性与抗渗性 26 旋喷桩挡墙 它是利用旋喷机钻孔后将钻杆从地基土深处逐渐上提 同时利用插入钻杆端部的旋转喷嘴 将水泥浆固化剂喷入地基土中形成水泥土桩 桩体相连形成支护结构挡墙 27 非重力式支护结构 主要由两大系统组成 挡墙系统和锚撑系统 挡墙系统 常见的形式有H型钢支柱挡板 钢板桩 钢筋砼灌注桩排桩 地下连续墙等 支撑系统 分坑内支撑和坑外拉锚 顶部拉锚和土层锚杆 一般采用大型钢管 H型钢或格构式钢支撑 也可采用现浇钢筋混凝土支撑 土层锚杆多用于较深的基坑 拉锚的材料 一般用钢筋 钢索 型钢或土锚杆 根据基坑开挖的深度及挡墙系统的截面性能可设置一道或多道支点 形成锚撑支护结构 基坑较浅 挡墙具有一定刚度时 可不设支点而采用悬臂式支护结构 28 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 29 挡土灌注桩支护 桩的排列形式 间隔式 双排式和连接式 见图2 6 成孔方法 机械成孔和人工挖孔 桩径大于0 8m 适用范围 适用于粘性土 开挖面积较大 较深 大于6m 的基坑以及不允许邻近建筑物有较大下沉 位移时采用 30 土层锚杆支护 将受拉杆件的一端 锚固段 固定在边坡或地基的土层中 另一端与护壁桩 墙 连接 用以承受土压力 防止土壁坍塌或滑坡 如下图所示 适用于土质较好 非软土场地 基坑深度不大于12m的工程 类型 一般灌浆锚杆 扩孔灌浆锚杆 压力灌浆锚杆 预应力锚杆 重复灌浆锚杆 二次高压灌浆锚杆 支护形式 单锚和多锚支护 图2 7 31 土层锚杆构造 通常由锚头 锚头垫座 支护结构 钻孔 防护套管 拉杆 拉索 锚固体等组成 32 施工程序 分干作业和湿作业 包括 钻孔安放拉杆灌浆张拉锚固土层锚杆钻孔用的钻孔机械 按工作原理分 有螺旋式钻孔机 气动冲击式钻孔机和旋转冲击式钻孔机三类 主要根据土质 钻孔深度和地下水情况进行选择 安放拉杆 土层锚杆用的拉杆 常用的有钢管 粗钢筋 钢丝束和钢绞线 主要根据土层锚杆的承载能力和现有材料的情况来选择 承载能力较小时 多用粗钢筋 承载能力较大时 我国多用钢绞线 压力灌浆 灌浆的浆液为水泥砂浆 细砂 或水泥浆 灌浆用水泥浆水灰比宜为0 5 水泥砂浆 配合比宜为1 1 1 2 水灰比宜为0 38 灌浆方法有一次灌浆法和二次灌浆法两种 土层锚杆灌浆后 待锚固体强度达到80 设计强度以上 便可对锚杆进行张拉和锚固 张拉前先在支护结构上安装围檩 张拉用设备与预应力结构张拉所用者相同 33 地下连续墙 在地面上采用专用挖槽机械设备 按一个单元槽段长度 一般6 8m 沿着深基础或地下构筑物周边轴线 利用膨润土泥浆护壁开挖深槽 地下连续墙施工过程主要划分为三个阶段 准备工作阶段 成槽阶段和浇筑混凝土阶段 地下连续墙按单元槽段逐段施工 每段施工程序如下图所示 34 地下连续墙施工工艺 即在工程开挖土方之前 用特制的挖槽机械在泥浆护壁的情况下每次开挖一定长度 一个单元槽段 的沟槽 待开挖至设计深度并清除沉淀下来的泥渣后 将在地面上加工好的钢筋骨架 一般称为钢筋笼 用起重机械吊放入充满泥浆的沟槽内 用导管向沟槽内浇筑混凝土 由于混凝土是由沟槽底部开始逐渐向上浇筑 所以随着混凝土的浇筑即将泥浆置换出来 待混凝土浇至设计标高后 一个单元槽即施工完毕 各个单元槽之间由特制的接头连接 形成连续的地下钢筋混凝土墙 35 36 37 38 39 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 常采用的措施是集水井降水法和井点降水法 4 降低地下水位 集水坑降水法 集水坑降水法是一种设备简单 应用普遍的人工降低水位的方法 宜用于降水深度较小且为粗粒土层或粘性土时 40 41 42 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 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 43 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 产生的原因 动水压力等于或大于土的浸水重度 流砂现象 44 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 45 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 轻型井点 电渗井点 喷射井点 管井井点和深井井点 泵 对不同的土质应采用不同的降水形式 表2 4为常用的降水形式 井点降水法 46 表2 4降水类型及适用条件 47 1 轻型井点 轻型井点 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 1 50m d的土层中 降低水位深度 一级轻型井点3 6m 二级井点可达6 9m 48 49 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 滤管为进水设备 其构造是否合理对抽水设备影响很大 50 51 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 52 如宽度大于6m或土质不良 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 53 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 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 5 1 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 54 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 55 轻型井点的安装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 56 施工工艺程序 放线定位铺设总管冲孔安装井点管 填砂砾滤料 上部填黏土密封用弯连管将井点管与总管接通安装抽水设备开动设备试抽水测量观察井中地下水位变化 57 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 58 井点管数量与井距的确定单根井点管的最大出水量qd 管径l 滤管长K 渗透系数井点管最少根数nn 1 1井点管间距D 59 2 管井井点 由管井 滤管 吸水管和水泵组成 管井 可用钢管 混凝土管或塑料管 钢管管井的管身采用 200 250mm的钢管 混凝土管井可采用内径为400mm的实壁管 管井的下部为滤管 管井下部的滤管 可采用钢筋焊接骨架 密排螺旋箍筋 外包细 粗两层滤网 如一层铁丝网和一层细纱滤网 长度为2 3m 60 吸 出 水管 一般采用直径50一100mm的钢管或胶皮管 插入滤管内 吸水管下端应沉入管井抽吸时的最低水位以下 为了启动水泵和防止在水泵运转中突然停泵时发生水倒灌 在吸水管底应装逆止阀 61 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 5 常用土方施工机械及选用 62 2 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 环形路线见图 8 字形路线 见图 63 64 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 65 66 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 67 68 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 69 70 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 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 71 6 土方开挖与验槽 基槽 坑 开挖有人工开挖和液压挖土机开挖两种形式 开挖基槽 坑 应按规定的尺寸 合理安排开挖顺序和分层进行 且连续施工 土方开挖的顺序 方法必须与设计工况一致 并遵循 开槽支撑 先撑后挖 分层开挖 严禁超挖 的原则 在无内支撑的基坑中 土方开挖中应遵循 土方分层开挖 垫层随挖随浇 的原则 基坑 槽 土方开挖时应对支护结构 周围环境进行观察和监测 如出现异常情况应及时处理 待恢复正常后方可继续施工 72 土方开挖方案基坑工程开挖常用的方法有直接分层开挖 有内支撑分层开挖 盆式开挖 岛式开挖及逆作法开挖等 工程中可根据具体条件选用 1 直接分层开挖 包括放坡开挖及无支撑的基坑开挖 放坡开挖 适合于基坑四周空旷 有足够的放坡场地 周围没有建筑设施或地下管线的情况 在软弱地基条件下 不宜挖深过大 一般控制在6 7m左右 在坚硬土中 则不受此限制 无内支撑支护开挖 可分为悬臂式 图a 拉锚式 图b c 重力式 图d 土钉墙 e 等几种 无内支撑支护的土壁可垂直向下开挖 因此 不需在基坑边留出很大的场地 便于在基坑边较狭小 土质又较差的条件下施工 同时 在地下结构完成后 其坑边回填土方工作量小 73 a 悬臂式 b 拉锚式 c 土锚杆 d 重力式 e 土钉墙无内支撑支护的基坑开挖 74 2 有内支撑支护的基坑开挖 在基坑较深 土质较差的情况下 一般支护结构需在基坑内设置支撑 有内支撑支护的基坑土方开挖比较困难 其土方分层开挖主要考虑与支撑施工相协调 下图是一个2道支撑的基坑工程土方开挖及支撑设置的施工过程示意图 从中可见在有内支撑支护的基坑中进行土方开挖 其施工较复杂 a 浅层挖土 设置第一层支撑 b 第二层挖土 c 设置第二层支撑 d 开挖第三层土 75 盆式开挖 盆式开挖适合于基坑面积大 支撑或拉锚作业困难且无法放坡的基坑 a 中心开挖 b 中心地下结构施工 c 边缘土方开挖及支撑设置 d 边缘地下结构施工1 边坡留土 2 基础底板 3 支护墙 4 支撑 5 坑底 岛式开挖 当基坑面积较大 而且地下室底板设计有后浇带或可以留设施工缝时 还可采用岛式开挖的方法 如下图所示 岛式开挖方法 76 基槽 坑 开挖中注意事项 在开挖基槽 坑 之前 应检查龙门板 轴线桩有无走动现象 并根据设计图纸校核基础轴线的位置 尺寸及水准点的标高等 基槽 坑 管沟的挖土应分层进行 在施工过程中 基槽 坑 管沟边堆置土方不应超过设计荷载 基槽 坑 土方施工中及雨后 应对支护结构 周围环境进行观察和监测 如出现异常情况应及时处理 待恢复正常后方可继续施工 77 基槽 坑 开挖时 要加强垂直高度方向的测量 防止超挖 防止搅动基底土层 对特大型基坑 应分区分块挖至设计标高 分区分块及时浇筑垫层 土方开挖施工中 若发现古墓及文物等 要保护好现场 并立即通知文物管理部门 经查看处理后方可施工 注意对邻近建筑物及地下设施的保护 78 验槽 基槽 坑 开挖完毕并清理好以后 在垫层施工以前 施工单位应会同勘察 设计单位 监理单位 建设单位一起进行现场检查并验收基槽 通常称为验槽 79 验槽 坑 的主要内容和方法如下 核对基槽 坑 的位置 平面尺寸 坑底标高 核对基槽 坑 土质和地下水情况 空穴 古墓 古井 防空掩体及地下埋设物的位置 深度 形状 对整个基槽 坑 底进行全面观察 注意土的颜色是否一致 土的坚硬程度是否一样 有无软硬不一或弱土层 局部的含水量有无异常现象 走上去有无颤动的感觉等 验槽的重点应选择在桩基 承重墙或其他受力较大部位 80 1观察 表面 验槽法 验槽观察内容 81 钎探验槽法钎探方法 将一定长度的钢钎打入槽底以下的土层内 根据每打入一定深度的锤击次数 间接的判断地基土质的情况 打钎分人工和机械两种方法 钎孔布置见表2 6 人工打钎时 钢钎用直径为22 25毫米的钢筋制成 钎尖为600尖锥状 钎长为1 8 2 0米 见图所示 打钎用的锤重为3 6 4 5Kg 举锤高度约50 70厘米 将钢钎垂直打入土中 并记录每打入土层30厘米的锤击数 用打钎机打钎时 其锤重约10千克 锤的落距为50厘米 钢钎为直径25毫米 长1 8米 82 洛阳铲探验槽法 见表2 7 钎探记录表 83 1 填土的要求 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 7 回填与压实 84 填土应按整个宽度水平分层进行 当填方位