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第1章土方工程 本章应掌握 土的工程性质 基坑土方量计算 土方的回填与压实 熟悉土方工程施工的内容 基坑工程的降排水的方法 了解土的分类 地下水等 1 做好土方工程的意义 随着科学 经济及人口的发展 节约占用土地资源 发展越来越多的高层和超高层的建筑 在基础工程施工中 特别是大型高层 超高层工程基础施工中 土方工程尤为重要 影响工期和投资的重要因素 例如 津汇广场 土方量15万m3 工期44天 挖掘机6辆 运土车60辆 2 场地平整基坑 基槽及管沟 隧道和路堤的开挖与填筑 1 1概述 1 1 1施工内容 1 1 2施工特点 面大量广 劳动繁重 尽量采用机械化施工 施工条件复杂 露天作业 气候影响大工程地质和水文条件影响大 3 1 1 3土的分类 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 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 土的工程分类与开挖方法见表1 1所示 4 表1 1土的工程分类与开挖方法 5 6 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 4土的工程性质 1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 7 2土的可松性系数 土的可松性 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 1 4 1 5 8 理解 思考 V1 V2 V3的关系 应用 1 土的最初可松性系数是计算现场存土 车辆装运土方体积及挖土机械的主要参数 2 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 9 3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 V KI K h L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 10 表1 2土的渗透系数参考表 11 定义 天然状态下的土 能够保持倾斜的能力 表示方式 令B H m 则边坡的坡度 1 m影响因素 土质 深度 开挖方法 边坡留置时间长短等 4土方的边坡坡度 12 1 2土方计算 1 2 1基坑与基槽土方量计算 基坑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 1 6 13 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 将各段土方量相加即得总土方量 1 7 1 8 14 某建筑物基础的垫层尺寸为40 20m 自然地面标高为 0 4m 垫层底皮标高为 4 4m 场地土为二类土 Ks 1 20 Ks 1 02 开挖时允许四面放坡 放坡坡度为1 0 5 地下静止水位标高为 1 4m 试问 土方开挖量是多少 a 0 b 0 4 c 0 3 若自然地坪以下基础体积为1000m3 其余空间用原土回填 应预留多少回填土 3 若多余土方外运 采用15m3运输车 须运多少趟 例题 15 作业 某建筑物基础的垫层尺寸为50 30m 自然地面标高为 0 4m 垫层底皮标高为 2 4m 场地土为二类土 Ks KS 自己确定 开挖时允许四面放坡 放坡坡度为1 0 5 地下静止水位标高为 1 4m 试问 土方开挖量是多少 a b c 1 0m 若建筑物 0 00至自然地面高度范围内外形轮廓尺寸为48 8 28 8m 0 00以下建筑物体积为1000m3 其余空间用原土回填 应预留多少回填土 16 1 2 2场地平整土方计算 大纲不要求 对于在地形起伏的山区 丘陵地带修建较大厂房 体育场 车站等占地广阔工程的平整场地 主要是削凸填凹 移挖方作填方 将自然地面改造平整为场地设计要求的平面 场地挖填土方量计算有方格网法和横截面法两种 对于地形较平坦地区 一般采用方格网法 17 1 3土方开挖 1 3 1土方开挖前的准备工作场地清理地面水排除临时设施临时道路设备施工组织设计 1 3土方开挖 18 1 3 2基坑降水 1 流砂及防治1 地下水 19 2 动水压力 动水压力的形成 地下水存在水位差 h 地下水流动 动水压力 大小 与 h成正比 与l成反比 方向 与水流方向一致 20 流砂 非常严重的工程事故 流砂 当动水压力大于或等于土的浸水容重时 土颗粒失去自重 处于悬浮状态 土的抗剪强度等于0 土颗粒随渗流的水一起涌入基坑 21 1 2 22 对于砂砾2 动水压力GD使其不稳定 思考 如果当GD w时 即GD mg F浮 砂砾2失去自重 处于悬浮状态 抗剪强度为0 可随水一起流动 对于砂砾1 动水压力GD使其更加趋于稳定 23 总结流砂的产生条件 1 土质为砂性土 细砂 粉砂 粉质砂土 2 动水压力的大小GD w 方向流向坑内 与流砂类似的另一种现象 管涌 24 流砂的防治 流砂的两个产生条件 土的性质 砂性土 动水压力的大小和方向 改善土质 25 1 流砂防治的原则 流砂处理 改善土质 减小或平衡动水压力 h l 使坑内动水压力方向向下 26 2 流砂防治的具体方法 a 向土中压力注浆或注入 水玻璃 凝胶 改善土质 b 枯水期挖土 减小动水压力 c 水中挖土 平衡动水压力 d 蒸汽法或冻结法 减小动水压力 e 向地下打入挡土挡水的结构 减小动水压力 f 人工降低地下水位 坑外降水 改变动水压力方向 27 l l 28 29 如何处理流砂 轻微的 抢挖法一般的 密闭抽水法严重的 回填 稳定后采用人工降水 30 2明沟排水法 集水井法 构造 排水沟300 400 400 500 i 0 2 0 3 集水井600 800 深1m 20m 31 优点 设备简单 排水方便 经济 应用 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 32 3人工降低地下水位 原理 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 方法 轻型井点 喷射井点 电渗井点 管井点 深大口井 应用 对不同的土质应采用不同的降水形式 表1 3为常用的降水形式 33 表1 3降水类型及适用条件 34 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 20m 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 35 36 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1 18 为进水设备 其构造是否合理对抽水设备影响很大 37 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 图1 19 38 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 39 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1 19 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 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 1 14 40 轻型井点的计算 基坑用水量的计算Q 根据井的类型 计算单个井的出水量q初步确定井的个数n 1 1Q q确定井的间距D L n 0 8 2 0确定井的个数N L D 2 41 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1 21 42 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 图1 22 a 和埋管 图1 22 b 两个过程 43 44 基坑降水 45 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 46 3 电渗井点 应用 47 4 管井井点 48 1 3 3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 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 49 1 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1 11 即 土方边坡坡度 h b 1 b h 1 m 式中 m b h 称为边坡系数 图1 36放坡形式 50 2 影响边坡稳定的因素 当外界因素发生变化 土体的抗剪强度降低或剪应力增加时 就破坏土体的平衡状态 边坡失稳造成塌方 具体因素有 1 风化 气候影响使土质变得松软 水 2 粘土中的夹层因浸水而产生润滑作用 水 3 细砂 粉砂因受振动而液化 4 边坡附近有荷载 特别是动载 5 下雨使土中含水量增大 因而使土体自重增大 水 6 水的渗流产生的动水压力 水 7 水浸入土体的裂缝中产生的静水压力 水 51 2 土壁支撑 52 53 某基坑支护情况 54 土钉墙护坡 钢支撑护坡 55 灌注桩基坑边坡护壁 56 水泥土墙护壁 57 58 59 60 61 62 63 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 3 4土方机械化施工 1常用土方施工机械 64 65 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1 23 8 字形路线 见图1 24 66 67 68 69 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 图1 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 70 71 72 73 1 正铲挖土机正铲挖土机的工作特点是前进向上 强制切土 开挖停机面以上的土 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1 26 b 正向挖土 反向卸土 图1 26 a 74 75 2 反铲挖土机反铲挖土机的工作特点是后退向下 强制切土 开挖停机面一下的土 可挖带水的地下土壤 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1 28 a 反铲挖土机停在沟端 向后退着挖土 沟侧开挖 图1 28 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 76 77 78 79 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 80 1 3 5基坑验曹 1 钎探 天然基础 2 观察 81 1 4填土与压实 1 4 1填土的要求 土料的选择 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 82 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 施工要求 83 1 4 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 84 图1 46填土压实方法 85 86 87 1 4 3填土压实的影响因素 填土压实的主要影响因素为 含水量 铺土厚度 压实功 单位压力 土壤级配 土壤的性质 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 88 2含水量的影响填土含水量的大小直接影响碾