第1章 土方工程.ppt

第1章土方工程 1 1概述 土方工程包括 土方的开挖 运输 填筑与弃土 平整与压实等主要施工过程 场地清理 测量放线 施工排水 降水和土壁支护等准备工作与辅助工作 特点 土方工程具有工程量大 劳动强度大 施工条件复杂等特点 在土木工程施工中占有重要地位 1 1 1土方工程的种类与特点1 场地平整场地平整是将天然地面改造成所要求的设计平面时所进行的土方施工全程 它往往具有工程量大 劳动繁重和施工条件复杂等特点 2 基坑 槽 及管沟开挖指开挖宽度在3m以内的基槽或开挖底面积在20m2以内的土方工程 是为浅基础 桩承台及管沟等施工而进行的土方开挖 其特点是 要求开挖的标高 断面 轴线准确 土方量少 受气候影响较大 如冰冻 下雨等影响 3 地下工程大型土方工程对人防工程 大型建筑物的地下室 深基础施工等而进行的地下大型土方开挖 它涉及到降低地下水位 边坡稳定与支护 地面沉降与位移 临近建筑物 构筑物 道路和各种管线等的安全与防护等一系列问题 4 土方填筑土方填筑是对低洼处用土方分层进行填平 建筑工程上有大型土方填筑和小型场地 基坑 基槽 管沟的回填 前者一般与场地平整施工同时进行 交叉施工 后者除小型场地回填外 一般在地下工程施工完毕后再进行 对填筑的土方 要求严格选择土质 分层回填压实 土方工程施工要求 标高 断面尺寸准确 土体有足够的强度和稳定性 1 1 2土的分类与现场鉴别方法土的种类很多 其分类方法也很多 如根据土的颗粒级配或塑性指数分类 根据土的沉积年代分类 根据土的工程特性分类等 在土方工程施工中土是按开挖的难易程度分为八类 按表1 1 以便选择施工方法和确定劳动量 为计算劳动力 确定施工机具及计算工程费用提供依据 表1 1土的工程分类及可松性系数表 注 KS 最初可松性系数 供计算装运车辆和挖土机械用 最终可松性系数 供计算填方所需挖土工程量用 1 1 3土的基本性质土的物理性质包括密度 含水量 孔隙比 透水性 摩擦系数 粘结力以及土的可松性等 土由固相 液相和气相三类物质组成 土粒间的间隙 由水和气体充填 图1 1土的三相示意图m 总重量 m ms mw ms 固体颗粒重量 mw 水的重量 V 总体积 V Va Vw Vs Va 空气体积 Vs 固体颗粒体积 Vw 水的体积 Vl 孔隙体积 Vl Va Vw 1 土的天然密度土在天然状态下单位体积的质量 称为土的天然密度 单位为g cm3 kg m3 式中 m 土的总质量 V 土的天然体积 2 土的干密度单位体积中土的固体颗粒的质量为土的干密度 单位为 kg m3 式中 ms 土中固体颗粒的质量 V 土的天然体积 土的干密度愈大 表示土愈密实 工程上常把干密度作为评定土体密实程度的标准 以控制填土工程的质量 3 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 仍不能恢复原来的体积 这种性质称为土的可松性 土的可松性程度用可松性系数表示 即 式中 Ks 土的最初可松性系数 土的最终可松性系数 V1 土在天然状态下的体积 V2 土被挖出后在松散状态下的体积 V3 土经压 夯 实后的体积 4 土的透水性土的透水性是指水流通过土中孔隙的难易程度 地下水的流动以及在土中的渗透速度都与土的透水性有关 地下水在土中渗流速度一般可按达西定律计算 其公式如下 v K I式中 v 水在土中的渗流速度 m d I 水力梯度 I h L 即两点水头差 h 与其水平距离 L 之比 K 土的渗透系数 m d 表1 2土的渗透系数 5 土的天然含水量土的含水量 w 是土中水的质量与固体颗粒质量之比 以百分数表示 即 式中 mw 土中的水的质量 kg ms 土中固体颗粒经温度为105 烘干后的质量 kg 含水量 5 为干土 在5 30 以内为潮湿土 30 称为湿土 在一定含水量的条件下 用同样的夯实机具 可使回填土达到最大的密实度 此含水量称为最佳含水量 各类土的最佳含水量如下 砂土为8 12 粉质粘土为12 15 粉土为16 22 粘土为19 23 1 2土方工程量的计算 1 2 1基坑 基槽土方量计算基坑土方量可按立体几何中的拟柱体 由两个平行的平面做底的一种多面体 体积公式计算 图1 2 即 基槽 管沟和路堤的土方量可以沿长度方向分段后 再用同样的方法计算 图1 3 1 2 2场地平整土石方工程量计算1 场地设计标高确定如图1 4所示 当场地设计标高为H0时 填挖方基本平衡 可将土方移挖作填 就地处理 当设计标高为H1时 填方大大超过挖方 则需从场地外大量取土回填 当设计标高为H2时 挖方大大超过填方 则要向场外大量弃土 因此 在确定场地设计标高时 应结合现场的具体条件 反复进行技术经济比较 选择其中最优方案 图1 4场地不同设计标高的比较 1 场地设计标高的影响因素1 应满足生产工艺和运输的要求 2 充分利用地形 如分区或分台阶布置 尽量使挖填方平衡 以减少土方量 使运费最少 3 要有一定泄水坡度 2 使之能满足排水要求 4 要考虑最高洪水位的影响 2 场地设计标高的确定场地设计标高确定步骤 1 初步计算场地设计标高 H0 初步计算场地设计标高的原则是场内挖填方平衡 即场内挖方总量等于填方总量 V挖 V填 在具有等高线的地形图上将施工区域划分为边长a 10m 50m的若干方格如图1 5所示 图1 5场地设计标高简图 a 地形图上划分方格 b 设计标高示意图1 等高线 2 自然地坪 3 设计标高平面 4 自然地面与设计标高平面的交线 零线 图1 5场地设计标高简图 a 地形图上划分方格 b 设计标高示意图1 等高线 2 自然地坪 3 设计标高平面 4 自然地面与设计标高平面的交线 零线 确定各小方格的角点高程 a 当地形平坦时 根据地形图上相邻两等高线的高程 用插入法计算求得 也可用一张透明纸 上面画6根等距离的平行线 把该透明纸放到标有方格网的地形图上 将6根平行线的最外两根分别对准A B两点 这时6根等距离的平行线将A B之间的高差分成5等份 于是便可直接读得4点的地面标高 图1 6 图1 6图解法确定角点高程 b 在无地形图或地形不平坦时 可以在地面用木桩打好方格网 然后用仪器直接测出方格网角点标高 按填挖方平衡确定设计标高H0 2 调整场地设计标高 Hij 初步确定场地设计标高 H0 仅为一理论值 实际上 还需要考虑以下因素对初步场地设计标高 H0 值进行调整 土的可松性影响 由于土具有可松性 会造成填土的多余 需相应地提高设计标高 如图1 7所示 a b 图1 7设计标高调整计算示意 a 理论设计标高 b 调整设计标高 场内挖方和填方的影响 由于场地内大型基坑挖出的土方 修筑路堤填高的土方 以及从经济角度比较 将部分挖方就近弃于场外 简称弃土 或将部分填方就近取土于场外 简称借土 等 均会引起挖填土方量的变化 必要时 亦需重新调整设计标高 为简化计算 场地设计标高的调整可按下列近似公式确定 即 考虑泄水坡度对设计标高的影响 按调整后的同一设计标高进行场地平整时 整个场地表面均处同一水平面 但实际上由于排水的要求 场地表面需有一定的泄水坡度 平整场地的表面坡度应符合设计要求 如无设计要求时 排水沟方向的坡度不应小于2 因此 还需根据场地的泄水坡度的要求 单向泄水或双向泄水 计算出场内各方格角点实际施工所用的设计标高 单向泄水时设计标高计算 是将已调整的设计标高 H0 作为场地中心线的标高 图1 8 场地内任意一点的设计标高则为 图1 8场地具有单向泄水坡度 双向泄水时设计标高计算 是将已调整的设计标高 H0 作为场地方向的中心点 图1 9 场地内任一点的设计标高为 图1 9场地具有双向泄水坡度 3 场地土方量计算场地土方量计算方法常见的有方格网法 断面法及边坡计算法 1 方格网法大面积场地平整的土方量 通常采用方格网法计算 即根据方格网各方格的自然地面标高和实际采用的设计标高 算出相应的角点填挖高度 施工高度 然后计算每一方格的土方量 并算出场地边坡的土方量 这样便可得整个场地的填 挖土方总量 其步骤如下 计算场地各方格角点的施工高度各方格角点的施工高度按下式计算 hn Hn H 1 21 式中 hn 角点施工高度 即填挖高度 以 为填 为挖 Hn 角点的设计标高 若无泄水坡度时 即为场地的设计标高 H 角点的自然地面标高 确定 零线 如果一个方格中一部分角点的施工高度为 而另一部分为 时 此方格中的土方一部分为填方 一部分为挖方 计算此类方格的土方量需先确定填方与挖方的分界线 即 零线 零线 位置的确定方法有 a 解析法先求出有关方格边线 此边线一端为挖 一端为填 上的 零点 即不挖不填的点 然后将相邻的两个 零点 相连即为 零线 如图1 10所示 设h1为填方角点的填方高度 h2为挖方角点的挖方高度 0为零点位置 则可求得 b 图解法以有零点的方格边为纵轴 以有零点方格边两端的方格边为横轴 为折线 然后用直尺将有零点的方格边两端的施工高度按比例标于纵轴两侧的横轴上 若角点的施工高度为 时 其比例长度在纵轴的右侧量取 若角点的施工高度为 时 则比例长度应在纵轴的左侧量取 然后用直尺将两个比例长度的终点相连 直尺与纵轴的交点 即为该方格边上的零点 图1 11 用此法将方格网中所有零点找出 依次将相邻的零点连接起来 即得到零线 计算场地填挖土方量场地土方量计算可采用四方棱柱体法或三角棱柱体法 a 用四方棱柱体法计算时 依据方格角点的施工高度 分为三种类型 a 用三角棱柱体法计算场地土方量 是将每一方格顺地形的等高线沿对角线划分为两个三角形 然后分别计算每一三角棱柱 锥 体的土方量 a 全挖或全填 b 三角形有挖有填时 图1 15 则其零线将三角形分为两部分 一个是底面为三角形的锥体 V3 一个是底面为四边形的楔体 V1 2 其土方量分别为 b 有挖有填 2 断面法 各个断面面积求出后 设各断面面积分别为F1 F2 Fn 相邻两断面间的距离依次为l1 l2 ln 则所求的土方体积为 断面面积为 Fi f1 f2 fn 3 边坡计算法 图1 17场地边坡平面图 三角棱锥体 图中 部分 部分 的计算 三角棱柱体 如图中 部分 的计算 当三角棱柱体两端横断面面积相差较大时 则 例 某建筑场地形图和方格网 a 40m 如图1 18所示 土质为粉质粘土 场地设计泄水坡度ix 3 iy 2 泄水方向根据地形确定 试确定场地设计标高 不考虑土的可松性影响 如有余土 可用以加宽边坡 并计算填 挖土方量 不考虑边坡土方量 图1 18场地地形图 1 计算各方格角点的地面标高各方格角点的地面标高 可用插入法或6条线法求得见图1 19 图1 19方格网法计算简图 2 场地设计标高H0 根据要求的泄水坡度计算方格角点的设计标高以场地中心为H0 见图1 19 各方格角点设计标高可按式 1 20 计算 H1 44 00 1 5 40 2 40 3 44 24 m H2 44 00 0 5 40 2 40 3 44 16 m H5 44 00 1 5 40 2 44 12 m H11 44 00 0 5 40 2 40 3 44 24 m 其余角点设计标高详见图1 19 4 计算各角点的施工高度用式 1 21 计算 各角点的施工高度为 h1 44 24 45 80 1 56 m h4 44 00 43 00 1 00 m h5 44 12 44 80 0 68 m h12 43 76 42 20 1 56 m 其余角点的施工高度详见图1 19 5 确定零线确定零线 应首先求零点 零点位置由式 1 22 确定 相邻零点的连线即为零线 见图1 19 6 计算土方量 1 2 3土方调配土方工程量计算完成后即可进行土方调配 土方调配就是指对挖土的利用 堆弃和填土三者之间的关系进行综合协调处理 显然 土方调配是土方规划设计的一个重要内容 土方调配包括 划分调配区 计算土方调配区之间的平均运距 确定土方的最优调配方案 绘制土方调配图表 1 土方调配的原则 1 应该使土方总运输费用最小 2 分区调配应与全场调配相协调 避免只顾局部平衡 任意挖填而破坏全局平衡 3 便于机具调配 机械施工 土方工程施工应选择恰当的调配方向与运输路线 土方运输无对流和乱流现象 使土方机械和运输车辆的功效得到充分发挥 4 调配区划分应尽可能与大型地下建筑物的施工相结合 以避免土方重复开挖 5 考虑近期施工与后期利用相结合的原则 当工程分批施工时 先期工程的土方余额应结合后期工程的需要而考虑其利用数量和堆放位置 以便就近调配 堆放位置应尽可能为后期工程创造条件 力求避免重复挖运 先期工程有土方欠额时 也可由后期工程地点挖取 2 土方调配的方法和步骤 1 划分调配区 在平面图上先划出挖填区的分界线 并在挖方区和填方区适当划出若干调配区 其大小应满足土方机械的操作要求 2 计算各调配区的土方量 并标明在图上 3 确定调配区间平均运距 运距的计算一般是指挖方区重心到填方区重心之间的距离 再加上施工机械前进 后退和转弯必须的最短距离 要确定平均运距 先要确定土方重心 为了方便计算 一般假定调配区平面的几何中心即为其体积的重心 可取施工场地或方格网中纵横两边为坐标轴 分别按下式求出各区土方的重心位置 一般情况下 也可用作图法近似的求出调配区的形心位置代替重心坐标 用比例尺量出每对调配区的平均运距 土方调配区示意图如图1 20 图1 20土方调配区示意图 4 假设某工程有m个挖方区 用Wi i 1 2 m 表示 挖方量为ai 有n个填方区 用Tj j 1 2 n 表示 填方量为bj 挖方区Wi将土运输至填方区Tj的平均运距为Lij 如表1 3所示 5 确定土方最优调配方案 对于线性规划中的运输问题 可用 表上作业法 求解 使总土方运输量 Lij Xij分别为各调配区间的平均运距 各调配区的土方量 为最小值时 即为最优调配方案 6 绘制优化后的土方调配图 在土方调配图上标出调配方向 土方量及运距 平均运距再加施工机械前进 倒退和转弯必需的最短长度 3 土方调配示例用 表上作业法 求解平衡运输问题 首先给出一个初始方案 并求出该方案的目标函数值 经过检验 若此方案不是最优方案 则可对方案进行调整 改进 直到求得最优方案为止 图1 21所示是一矩形场地 现已知各调配区的土方量和各填 挖区相互之间的平均运距 试求最优土方调配方案 图1 21各调配区的土方量和平均运距 把上述场地相应的挖填方量和各对调配区的运距填入表1 4中 表1 4挖填方以及平均运距 表中可以看出 x11 x21 x31 x41 800 x11 x12 x13 500 利用 表上作业法 进行调配的步骤为 1 用 最小元素法 编制初始调配方案 2 最优方案的判别由于利用 最小元素法 编制初始调配方案 也就优先考虑了就近调配的原则 所以求得的总运输量是较小的 但这并不能保证其总运输量最小 因此还需要进行最优方案的判别 只要所有检验数 则初始方案即为最优解 表上作业法 中求检验数的方法有 闭回路法 和 位势法 其实质是一样的 都是求检验数来判别 位势法 较 闭回路法 简便 因此 这里只介绍用 位势法 求检验数 例如 本例两组位势数如表1 6所示 1 3土方施工机械化 1 3 1推土机施工推土机操纵灵活 运转方便 所需工作面较小 行驶速度快 易于转移 能爬30 左右的缓坡 因此应用范围较广 多用于场地清理和平整 开挖深度1 5m以内的基坑 填平沟坑 以及配合铲运机 挖土机工作等 此外 在推土机后面可安装松土装置 破松硬土和冻土 也可拖挂羊足辗进行土方压实工作 推土机可以推挖一 三类土 经济运距100m以内 效率最高为40m 60m 下坡推土推土机顺地面坡度方向切土与推土 以借助机械本身的重力作用 增加推土能力和缩短推土时间 一般可提高生产效率30 40 但推土坡度应在15 以内 并列推土平整场地的面积较大时 可用2 3台推土机并列作业 铲刀相距150mm 300mm 一般两机并列推土可增加推土量15 30 但平均运距不宜超过50m 70m 不宜小于20m 槽形推土推土机重复多次在一条作业线上切土和推土 使地面逐渐形成一条浅槽 以减少土从铲刀两侧流散 可以增加推土量10 30 多铲集运在硬质土中 切土深度不大 可以采用多次铲土 分批集中 一次推送的方法 以便有效地利用推土机的功率 缩短运土时间 此外 还可以在铲刀两侧附加侧板 以增加铲刀前的推土量 1 3 2铲运机施工铲运机对行驶的道路要求较低 操纵灵活 行驶速度快 生产率高 且费用低 在土方工程中常应用于大面积场地平整 开挖大型基坑 填筑堤坝和路基等 最宜于开挖含水量不超过27 的一 三类土 对于硬土需用松土机预松后才能开挖 自行式铲运机适用于运距800m 3500m的大型土方工程施工 以运距在800m 1500m的范围内生产效率最高 拖式铲运机适用于运距在80m 800m的土方工程施工 而运距在200m 350m时 效率最高 图1 24自行式铲运机外形 1 铲运机的运行路线 环形路线 8 字形路线 图1 25铲运机开行路线 a b 环形路线 c 大环形路线 d 字形路线 e 铲运机路线 2 提高铲运机生产率的措施 1 下坡铲土法铲运机利用地形进行下坡铲土 借助铲运机的重力 加深铲斗切土深度 缩短铲土时间 2 跨铲法铲运机间隔铲土 预留土埂 这样 在间隔铲土时由于形成一个土槽 减少向外撒土量 铲土埂时 铲土阻力减少 一般土埂高不大于300mm 宽度不大于拖拉机两履带间的净距 3 助铲法地势平坦 土质较坚硬时 可用推土机在铲土机后面顶推 以加大铲刀切土能力 缩短铲土时间 提高生产率 推土机在助铲的空隙可兼作松土或平整工作 为铲运机创造作业条件 1 3 3单斗挖土机施工单斗挖土机是大型基坑开挖中最常用的一种土方机械 根据其工作装置的不同 分为正铲 反铲 抓铲 和拉铲四种 图1 26 常用斗容量为0 5 2 0m3 根据操纵方式 分为液压传动和机械传动两种 图1 26挖掘机工作简图 a 正铲 b 反铲 c 拉铲 d 抓铲 1 正铲挖土机它挖掘能力大 生产效率高 一般用于开挖停机面以上一 四类土 正铲挖土机的挖土特点是 前进向上 强制切土 图1 27正铲挖掘机外形 正铲挖土和卸土方式有两种 正向挖土 侧向卸土 正向挖土 后方卸土 a 侧向卸土 b 后方卸土图1 28正铲挖掘机开挖方式 a 正向开挖 后方装土 b 正向开挖 侧向装土1 正铲挖掘机 2 运输工具 2 反铲挖土机施工反铲挖土机 如图1 29 的挖土特点是 后退向下 强制切土 其挖掘力比正铲小 能开挖停机面以下的一 三类土 如开挖基坑 基槽 管沟等 亦可用于地下水位较高的土方开挖 反铲挖土机的作业方式有沟端开挖和沟侧开挖两种 如图1 30所示 a 沟端开挖 b 沟侧开挖图1 30反铲挖掘机的开挖方式 a 沟端开挖 b 沟侧开挖 3 拉铲挖土机施工拉铲挖土机 如图1 31 的土斗用钢丝绳挂在挖土机长臂上 挖土时土斗在自重作用下落到地面切入土中 其挖土特点是 后退向下 自重切土 其挖土深度和挖土半径均较大 能开挖停机面以下的一 二类土 但不如反铲动作灵活准确 适用于开挖大型基坑及水下挖土 填筑路基 修筑堤坝等 图1 31拉铲挖土方式 4 抓铲挖土机施工抓铲挖土机 如图1 32 是在挖土机臂端用钢丝绳吊装一个抓斗 其挖土特点是 直上直下 自重切土 其挖掘力较小 只能开挖停机面以下一 二类土 如挖窄而深的基坑 疏通旧有渠道以及挖取水中淤泥等 或用于装卸碎石 矿渣等松散材料 在软土地基的地区 常用于开挖基坑 沉井 特别适宜于水下挖土 1 3 4挖土机与运土车辆配套计算为使挖土机充分发挥生产能力 运土车辆的载重量应与挖土机的每斗土重保持一定倍率关系 一般情况下 运土车辆载重量宜为每斗土重的3 5倍 并应有足够数量的运土车辆以保证挖土机连续工作 1 挖土机数量确定挖土机的数量N 应根据土方量大小和工期要求来确定 可按下式计算 单斗挖土机的生产率P 可按下式计算 式中Q 土方量 m3 P 挖土机生产率 m3 台班 T 工期 工作日 C 每天工作班数 1 3 K 时间利用系数 0 8 0 9 m3 台班 式中t 挖土机每次作业循环延续时间 s 如W1 100正铲挖土机为25 40s q 挖土机斗容量 m3 Kc 土斗的充盈系数 0 8 1 1 Ks 土的最初可松性系数 见第一节 KB 工作时间利用系数 0 7 0 9 在实际施工中 若挖土机的数量已定时 也可利用公式 1 43 来计算工期T 2 运土车辆配套计算运土车辆的数量N1 应保证挖土机连续作业 可按下式计算 式中T1 运土车辆每一工作循环延续时间 min t1 运土车辆每次装车时间 min n 运土车辆每车装土次数 挖土机装土次数 Q1 运土车辆的载重量 t r 实土容重 t m3 一般取1 7t m3 l 运土距离 m Vc 重车与空车的平均速度 m min 一般取20 30km h t2 卸土时间 一般为1min t3 操纵时间 包括停放待装 等车 让车等 一般取2 3min 例1 1 某厂房基坑土方开挖 土方量为10000m3 选用一台W1 100正铲挖土机 斗容量为1m3 两班制作业 采用载重量4t的自卸汽车配合运土 要求运土车辆数能保证挖土机连续作业 已知Kc 0 9 Ks 1 15 K KB 0 85 t 40s l 2km Vc 20km h 试求 1 挖土工期T2 运土车辆数N1 解 1 挖土工期T 挖土机生产率P 则挖土工期 2 运土车辆数N1 每车装土次数 每次装车时间t1 n t 3 40 120s 2min运土车辆每一个工作循环延续时间 则运土车辆数量 辆 1 3 5压实机械压实机械 如图1 33 是一种利用机械力使土 碎石等松散物料密实 以提高承载力的土方机械 主要用于地基 路基 堤坝等工程中压实土方 以提高土方的密实度 不透水性 强度和稳定性 图1 33碾压机械a 自行式三轮光面碾b 自行式二轴串联光面碾c 拖式羊足碾d 自行式四轮凸块碾e 自行式轮胎碾f 拖式轮胎碾g 铰接式轮胎驱动振动碾h 拖式振动碾 1 碾压式压实机械碾压式压实机械利用碾轮的重力作用 迫使被压土或碎石层产生永久变形而密实 碾轮表面分光面碾 槽纹碾 羊足碾和轮胎碾等 如图1 33 2 振动压实机械振动压实机械是利用机械产生的振动 使土颗粒在振动中重新排列而密实 振动压路机按照碾轮形状分光轮和羊足碾两种 振动压路机按照行走方式 有拖式 自行式和手扶式三种 3 冲击式压实机械冲击式压实机械利用机械的冲击力压实土 其特点是夯实厚度大 适用于狭小面积及基坑的夯实 爆炸夯爆炸夯是一种小型夯土机具 它利用冲程内燃机原理进行工作 适用于建筑 筑路 水利等工程的辅助性土的夯实工作 工作时 可燃气体进入上活塞的上面并燃爆 爆炸夯在燃爆力的作用下向上跃起 再在自重的作用下坠落地面 夯击土 机械由人工操纵移位 爆炸夯对各种土均有较好的夯实效果 尤其是对砂质粘土和灰土效果更佳 蛙式打夯机蛙式打夯机 如图1 34 是利用旋转惯性离心力的原理进行工作的 由于其结构简单 轻便灵活 广泛应用于夯实地基土和小面积土方 对灰土和粘土地坪的工作效果较好 图1 34蛙式打夯机1 夯头 2 夯架 3 三角胶带 4 底盘 表面振动器表面振动器又称平板振动器 如图1 35 它将一个带有偏心块的电动振动器安装在一块平板 一般为铁板 上 通过平板与土表面接触而将振动力传给土而达到压实的目的 平板式振动夯实机作业效率高 夯实质量好 对各种土有较好的适应性 尤其是对砂质粘土 砾石 碎石等非粘性土 夯实效果更好 图1 35平板振动机 1 4土方工程施工准备与辅助工作 1 4 1施工准备工作1 现场踏勘2 清理场地3 排除地面水4 修筑临时设施5 设置测量控制网 1 4 2降水施工技术1 明排水法 1 明排水施工要点明排水法系采用截 疏 抽的方法来进行排水 即在开挖基坑时 沿坑底周围或中央开挖排水沟 再在沟底设集水井 使基坑内的水经排水沟流向集水井内 然后用水泵抽出坑外 如图1 36所示 如果基坑较深 可采用分层明沟排水法 如图1 37 一层一层地加深排水沟和集水井 逐步达到设计要求的基坑断面和坑底标高 图1 36明沟 集水井排水方法1 排水明沟 2 集水井 3 离心式水泵 4 设备基础或建筑物基础边线 5 原地下水位线 6 降低后地下水位线 图1 37分层明沟 集水井排水法1 底层排水沟 2 底层集水井 3 二层排水沟 4 二层集水井 5 水泵 6 原地下水位线 7 降低后地下水位线 为了防止基底土的颗粒随水流失而使土结构受到破坏 集水井应设置于基础范围之外 地下水走向的上游 根据地下水量 基坑平面形状及水泵的抽水能力 每隔20 40m设置一个集水井 集水井的直径或宽度一般为0 6 0 8m 其深度随着挖土的加深而加深 并保持低于挖土面0 8 1 0m 井壁可用竹木等简易加固 当基坑挖至设计标高后 井底应低于坑底1 2m 并铺设0 3m碎石滤水层 以免由于抽水时间较长而将泥砂抽出 并防止井底的土被搅动 2 水泵及选用水泵的种类很多 在建筑上最常用有离心水泵 图1 38 和潜水泵 图1 39 常用离心泵技术性能见表1 12 选择离心水泵的要点有 1 正确确定水泵安装高度由于水经过管有阻力而引起水头 扬程 损失 通常实际吸水扬程可按表1 17中吸水扬程减去0 8 无底阀 1 2m 有底阀 来进行估算 2 水泵流量应大于基坑内的涌水量一般选用口径为2 4in 5 08 10 16cm 的排水管 能满足水泵流量的要求 3 吸水扬程应与降水深度保持一致若不能保持一致时 可另选离心水泵 亦可将离心水泵安装位置降低至基坑放线土壁台阶或坑底上 图1 38离心水泵工作示意图1 泵壳 2 泵轴 3 叶轮 4 底阀及滤网 5 吸水管 6 出水管 图1 39潜水泵构造及工作原理简图1 叶轮 2 轴 3 电动机 4 进水口 5 出水胶管 6 电缆 2 流砂的形成及其防治用明排水法降水开挖土方 当开挖到地下水位以下时 有时坑底下的土会成流动状态 随地下水一起涌进坑内 这种现象称为流砂 发生流砂时 土完全丧失承载力 砂土边挖边冒 难以开挖到设计深度 流砂严重时会引起基坑倒塌 附近建筑物会因地基被流空而下沉 倾斜 甚至倒塌 因此 施工中要十分重视流砂现象 当水由高水位处流向低水位的处时 水在土中渗流过程中受到土颗粒的阻力 同时水对土颗粒也作用一个压力 这个压力叫做动水压力GD 动水压力与水的重力密度和水力坡度有关 式中GD 动水压力 kN m3 w 水的重力密度 I 水力坡度 等于水位差除以渗流路线长度 由于动水压力与水流方向一致 当水流从上向下 则动水压力与重力方向相同 加大土粒间压力 当水流从下向上 则动水压力与重力方向相反 减小土粒间的压力 也就是土粒除了受水的浮力外 还受到动水压力向上举的趋势 如果动水压力等于或大于土的浸水容重 w 即 则土颗粒失去自重 处于悬浮状态 土的抗剪强度等于零 土颗粒能随着渗流的水一起流动 这时 就产生了 流砂 现象 在一定的动水压力作用下 细颗粒 颗粒均匀 松散而饱和的土容易产生流砂现象 据上所述 当地下水位愈高 坑内外水位差愈大时 动水压力也就愈大 愈容易发生流砂现象 实践经验是 在可能发生流砂的土质处 基坑挖深超过地下水位线0 5m左右 就要注意防止流砂的发生 此外当基坑坑底位于不透水层内 而其下面为承压水的透水层 基坑不透水层的覆盖厚度的重量小于承压水的顶托力时 基坑底部便可能发生管涌现象 图1 40 即 式中H 压力水头 m h 坑底不透水层厚度 m rw 水的容重 1000kg m3 r 土的容重 kg m3 图1 40管涌冒砂1 不透水层 2 透水层 3 压力水位线 4 承压水的顶托力 是否出现流砂现象的重要条件是动水压力的大小和方向 因此 在基坑施工中要设法减小动水压力和使动水压力向下 其具体措施是 1 水下挖土法采用不排水施工 使坑内水压与地下水压平衡 从而防止流砂产生 此法在沉井挖土下沉过程中常采用 2 打板桩法将板桩 常用钢板桩 沿基坑外围打入坑底下面一定深度 增加地下水从坑外流入坑内的渗流长度 从而减小动水压力 防止流砂产生 3 抢挖法此法是组织分段抢挖 使挖土速度超过冒砂速度 挖到设计标高后立即铺竹筏 芦席 并抛大石块以平衡动水压力 压住流砂 此法用以解决局部或轻微的流砂现象是有效的 4 人工降低地下水位一般采用井点降水方法 使地下水的渗流向下 水不致渗入坑内 动水压力的方向朝下 因而可以有效地治服流砂现象 此法实用性较广 也较可靠 5 地下连续墙法此法是在基坑周围先灌筑一道混凝土或钢筋混凝土的连续墙 以支承土壁 截水并防止流砂产生 6 冻结法在含有大量地下水的土层或沼泽地区施工时 采用冻结土的方法防止流砂产生 对于易发生流砂现象的地区的基础工程 应尽可能用桩基础或沉井施工 以节约防治流砂所增加的费用 3 井点降低地下水位 1 井点降水工艺原理及作用井点降低地下水位 就是在基坑开挖前 预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管 井 利用抽水设备从中抽水 使地下水位降落在坑底以下 直至施工结束为止 这样 可使所挖的土始终保持干燥状态 改善施工条件 同时还使动力水压力方向向下 从根本上防止流砂发生 降低地下水位后 土中有效应力增加 土体固结 提高了土的强度 图1 41井点降水的作用 a 杜绝漏水 b 阻止塌方 c 防止管涌 d 减小水平荷载 e 消除流砂 2 井点降水的方法井点降低地下水位的方法有 轻型井点 喷射井点 电渗井点 管井井点及深井泵等 各种方法的选用 视土的渗透系数 降低水位的深度 工程特点 设备条件及经济比较等具体条件参照表1 13选用 其中以轻型井点采用较广 表1 13各种井点的适用范围 3 轻型井点降水轻型井点降低地下水位 是沿基坑周围以一定的间距埋入井点管 下端为滤管 在地面上用集水总管将各井点管连接起来 并在一定位置设置抽水设备 利用真空泵和离心泵的真空吸力作用 使地下水经滤管进入井管 然后经总管排出 从而降低地下水位 1 轻型井点设备轻型井点设备由管路系统和抽水设备组成 如图1 42所示 管路系统由滤管 井点管 弯联管及总管等组成 图1 42轻型井点法降低地下水位全貌图1 地面 2 水泵 3 总管 4 井点管 5 滤管 6 降落后的地下水位 7 原地下水位 8 基坑底面 滤管 图1 43 是长1 0 1 2m 外径为38 50 的无缝钢管 管壁上钻有直径为12 19 的星棋状排列的滤孔 滤孔面积为滤管表面的20 25 滤管外面包括两层孔径不同的滤网 内层为细滤网 采用30 40眼 cm2的铜丝布或尼龙丝布 外层为粗滤网 采用5 10眼 cm2的塑料纱布 为使水流畅通 管壁与滤网之间用塑料管或铁丝绕成螺旋形隔开 滤管外面再绕一层粗铁丝保护 滤管下端为一铸铁头 图1 43滤管构造1 钢管 2 滤孔 3 缠绕的塑料管 4 细滤网 5 粗滤网 6 粗铁丝保网 7 井点管 8 铸铁头 井点管用直径38 55 长5 7m的无缝钢管或焊接钢管制成 集水总管为直径100 127 的无缝钢管 每节长4m 各节间用橡皮套管联结 并用钢箍拉紧 防止漏水 总管上装有与井点管联结的短接头 间距为0 8m 1 2m或1 6m 抽水设备由真空泵 离心泵和水气分离器 又称为集水箱 等组成 2 轻型井点的布置轻型井点的布置 应根据基坑大小与深度 土质 地下水位高低与流向 降水深度要求等而定 平面布置 当基坑或沟槽宽度小于6m 水位降低值不大于5m时 可用单排线状井点 应布置在地下水流的上游一侧 两端延伸长度以不小于槽宽为宜 如图1 45所示 如宽度大于6m或土质不良 则用双排线状井点 如图1 46所示 面积较大的基坑宜用环状井点 如图1 47所示 有时也可布置为U形 以利挖土机械和运输车辆出入基坑 井点管距离基坑壁一般为1 0 1 5m 以防止局部发生漏气 井点管间距一般为0 8m 1 2m 1 6m由计算或经验确定 井点管在总管四角部分应适当加密 图1 45单排线状井点的布置 a 平面布置 b 高程布置1 总管 2 井点管 图1 46双排线状井点布置 a 平面布置 b 高程布置1 井点管 2 抽水总管 3 抽水设备 图1 47环状井点布置 a 平面布置 b 高程布置1 抽水总管 2 井点管 3 抽水设备 高程布置 井点降水深度 考虑抽水设备的水头损失以后 一般不超过6m 井点管理设深度H按下式计算 H H1 h IL 1 52 式中 H1 井点管埋设面至基坑底面的距离 m h 基坑底面至降低后的地下水位线的最小距离 一般取0 5m 1 0m I 水力坡度 根据实测 双排和环状井点为1 10 单排井点为1 4 1 5 L 井点管至基坑中心的水平距离 单排井点为井点管至基坑另一边的距离 m 当一级井点达不到降水深度的要求时 可视土质情况 采用其他方法 如先用明排法挖去一层土再布置井点系统 或采用二级井点 即先挖去第一级井点所疏干的土 然后再布置第二级井点 使降水深度增加 图1 48 图1 48二级轻型井点1 第一级井点管 2 第二级井点管 3 轻型井点计算轻型井点的计算包括 涌水量计算 井点管数量与井距确定 以及抽水设备的选用等 井点计算由于受水文地质条件和井点设备等许多不易确定的因素影响 目前计算出的数值只是近似值 井点系统的涌水量按水井理论进行计算 井点系统涌水量计算 井点系统的涌水量是以水井理论进行计算的 根据地下水有无压力 水井分为无压井和承压井 如图1 49 水井布置在含水土层中 当地下表面为自由水压时 称为无压井 当含水层处于两不透水层之间 地下水表面具有一定压时 称为承压井 当水井底部达到不透水层时 称为完整井 否则称为非完整井 图1 49水井的分类a 无压完整井b 无压非完整井c 承压完整井d 承压非完整井 a 无压完整井单井涌水量计算 式中Q 涌水量 m3 d H 含水层厚度 m R 抽水影响半径 m r 水井半径 m h 井内水深 m K 渗透系数 m d 设水井水位降低值S H h 代入式 1 4 5 后则得无压完整井单井涌水量计算公式 m3 d b 对于无压完整井环状井点系统 式中 Q 井点系统的涌水量 m3 d K 土的渗透系数 m d 最好通过现场扬水试验确定 H 含水层厚度 m S 水位降低值 m R 抽水影响半径 m 常按下式计算 m 环状井点系统的假想半径 m 当矩形基坑的长宽比不大于4 可按下式计算 m 式中 F 环状井点系统所包围的面积 c 无压非完整井环状井点系统地下潜水不仅从井的侧面流入 还从井点底部渗入 因此涌水量较完整井大 为了简化计算 仍可采用下式 但此时式中H应换成有效抽水影响深度H0 H0值可按表1 14确定 当算得H0大于实际含水层厚度H时 仍取H值 表1 14有效抽水影响深度H0值 注 S 为井点管中水位降落值 l为滤管长度 4 轻型井点的安装与使用井点系统的安装顺序是 挖井点沟槽 敷设集水总管 冲孔 沉设井点管 灌填砂滤料 用弯联管将井点管与集水总管连接 安装抽水设备 试抽 井点管的埋设利用水冲法进行 可分为冲孔与埋管两个过程 如图1 50所示 图1 50冲水管冲孔法沉设井点管 a 冲孔 b 埋管1 冲管 2 冲嘴 3 胶皮管 4 高压水泵 5 压力表 6 起重机吊勾7 井点管 8 滤管 9 填砂 10 粘土封口 井点系统全部安装完毕后 应接通总管与抽水设备进行试抽 检查有无漏气 漏水现象 轻型井点使用时 应该连续抽水 以免引起滤孔堵塞和边坡塌方等事故 抽吸排水要保持均匀 达到细水长流 正常的出水规律是 先大后小 先浊后清 使用中如发现异常情况 应及时检修完好后再使用 井点降水时 由于地下水流失造成井点周围的地下水位下降 往往会影响到周围建筑物基础下沉或房屋开裂 要有防止措施 一般采用在井点降水区域和原有建筑之间的土层中设置一道固体抗渗屏幕 以及用回灌井点补充地下水的办法来保持地下水位 从而达到不影响周围建筑物的目的 例1 2 某工程基坑开挖 图1 51 坑底平面尺寸为20 15m2 天然地面标高为 0 00 基坑底标高为 4 2m 基坑边坡坡度为1 0 5 土质为 地面至 1 5m为杂填土 1 5m至 6 8m为细砂层 细砂层以下为不透水层 地下水位标高为 0 70m 经扬水试验 细砂层渗透系数K 18m d 采用轻型井点降低地下水位 图1 51轻型井点系统布置图 试求 1 轻型井点系统的布置 2 轻型井点的计算及抽水设备选用 解 1 轻型井点系统布置总管的直径选用127mm 布置在 0 00标高上 基坑底平面尺寸为20 15m2 上口平面尺寸为 长 20 4 2 0 5 2 24 2 宽 15 2 4 2 0 5 19 2 井点管布置距离基坑壁为1 0m 采用环形井点布置 则总管长度 L 2 26 2 21 2 94 8m井点管长度选用6m 直径为50mm 滤管长为1 0m 井点管露出地面为0 2m 基坑中心要求降水深度 S 4 2 0 7 0 5 4m 采用单层轻型井点 井点管所需埋设深度 H1 H2 h1 I l1 4 2 0 5 0 1 10 6 5 76m 6m 符合埋深要求 井点管加滤管总长为7m 井管外露地面0 2m 则滤管底部埋深在 6 8m标高处 正好埋设至不透水层上 基坑长宽比小于5 因此 可按无压完整井环形井点系统计算 轻型井点系统布置见图1 51 2 基坑涌水量计算按无压完整井环形井点系统涌水量计算公式 其中 含水层厚度H 6 8 0 7 6 1m基坑中心降水深度S 4m 抽水影响半径 环形井点假想半径 3 井点管数量与间距计算单根井点出水量 井点管数量 n 1 1 Q q 1 1 1020 9 26 7 42 1 根 井点管间距 D L n 94 8 42 2 2取1 6m则实际井点管数量为 94 8 1 6 60根 4 抽水设备选用根据总管长度为94 8m 井点管数量60根 水泵所需流量Q1 1 1 1020 9 1123m3 d 46 8m3 h 水泵的流量应比基坑涌水量增大10 20 水泵的吸水扬程HS 6 0 1 0 7 0m 根据Q1 HS查表1 12得知可选3B33型离心泵 1 4 3基坑土方放坡土体边坡度是指为保持土体施工阶段的稳定性而放坡的程度 用土方边坡高度h与边坡底宽b之比来表示 即 土方开挖或填筑的边坡可以做成直线形 折线形及阶梯形 图1 52 边坡的大小与土质 开挖深度 开挖方法 边坡留置时间的长短 边坡附近的震动和有无荷载 排水情况等有关 雨水 地下水或施工用水渗入边坡 往往是造成边坡塌方的主要原因 基坑边坡坡度 1 m 式中 m b h 称为坡度系数 图1 52土方边坡 a 直线形 b 折线形 c 阶梯形 当地质条件良好 土质均匀且地下水位低于基坑 槽 或管底面标高时 挖方边坡可做成直立壁不加支撑 但不宜超过下列规定 密实 中密的砂土和碎石类土 充填物为砂土 不超过1 0m 硬塑 可塑的轻亚粘土及亚粘土 不超过1 25m 硬塑 可塑的粘土和碎石类土 充填物为粘性土 不超过1 5m 坚硬的粘土 不超过2m 挖方深度超过上述规定时 应考虑放坡或做直立壁加支撑 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 挖方深度在5m以内不加支撑边坡的最陡坡度应符合表1 16的规定 表1 16深度在5m内的基坑 槽 管沟边坡的最陡坡度 不加支撑 注 静载指堆土或堆放材料等 动载指机械挖土或汽车运输作业等 静载或动载距挖方边缘的距离应保证边坡和直立壁的稳定 应距挖方边缘0 8m以外 且高度不超过1 5m 1 4 4基坑边坡支护1 悬臂式护坡桩 无锚板桩 对于粘土 砂土及地下水位较低的地基 用桩锤将工字钢桩打入土中 嵌入土层足够的深度保持稳定 其顶端设有支撑或锚杆 开挖时在桩间加插横板以挡土 2 支撑 拉锚 护坡桩 1 水平拉锚护坡桩基坑开挖较深施工时 在基坑附近的土体稳定区内先打设锚桩 然后开挖基坑1m左右装上横撑 围檩 在护坡桩背面挖沟槽拉上锚杆 其一端与挡土桩上的围檩 墙 连接 另一端与锚桩 锚梁 连接 用花篮螺栓连接并拉紧固定在锚桩上 基坑则可继续挖土至设计深度 如图1 53 a 所示 1 4 4基坑边坡支护 2 支护护坡桩基坑附近无法拉锚时 或在地质较差 不宜采用锚杆支护的软土地区 可在基坑内进行支撑 支撑一般采用型钢或钢管制成 支撑主要支顶挡土结构 以克服水土所产生的侧压力 支撑形式可分为水平支撑和斜向支撑 水平支撑见图1 53 b 斜向支撑见图1 53 c 3 土层锚杆土层锚杆 亦称土锚 它的一端与支护结构联结 另一端锚固在土体中 将支护结构所承受的荷载 侧向的土压力 水压力以及水上浮力和风力带来的倾覆力等 通过拉杆传递到处于稳定土层中的锚固体上 再由锚固体将传来的荷载分散到周围稳定的土层中去 土层锚杆一般由拉杆 锚头 腰梁 自由段保护套管和锚固体等组成 如图1 54所示 4 土钉墙土钉墙是采用土钉加固的基坑侧壁土体与护面等组成的结构 它是将拉筋插入土体内部全长度与土粘结 并在坡面上挂钢筋网并喷射混凝土 从而形成加筋土体加固区段 用以提高整个原位土体的强度并限制其位移 并增强基坑边坡坡体的自身稳定性 如图1 55所示 图1 55土钉支护示意 土钉体 支护面层 基坑底面 支护土体图 1 5基槽 坑 施工工艺 基槽 坑 施工包括定位 放灰线 抄平 降排水 土方挖运 验槽及地基的局部处理等 1 5 1定位与放线1 建筑的定位 2 放线放线是根据定位确定的轴线位置 用石灰划出开挖的边线 图1 57放线示意图1 墙 柱 轴线 2 龙门板 3 白灰线 基槽边线 4 基槽宽度 1 不放坡也不加挡土支撑当基础埋置不深 土质较均匀且地下水低于基底 见表1 15规定的范围内的各类土可不放坡 不加支撑 此时 基础底边尺寸即是放线尺寸 2 不放坡留工作面浇灌基础混凝土时 有时需要在基底尺寸外边立模板 要占用一定的坑底面积 这部分面积工作面 对于钢筋混凝土柱基 基坑底在地下水以上时 每边应留出工作面的宽度一般为300mm 放线尺寸为 式中 d 基础放线宽度 mm a 基础宽度 mm c 工作面宽度 mm 3 留工作面和加支撑当基础埋置较深 场地又狭窄 不能放坡 必须加挡土支撑 以防止土壁坍塌发生事故 支撑的方法很多 此时 放线尺寸除考虑基础宽度 工作面宽外 还需加上支撑所需尺寸 一般为100mm 4 放坡如果基槽 坑 深度超过规范规定时 要按照坡度系数要求进行放坡 图1 58 放线尺寸为 式中 m 坡度系数 H 基槽 坑 开挖深度 m 图1 58放坡基槽留工作面示意图 3 开挖中的深度控制基础开挖前 根据轴线控制桩 或龙门板 的轴线位置和基础宽度 并顾及到基础挖深应放坡的尺寸 在地面上用白灰放出基槽边线 或称基础开挖线 开挖基槽时 不得超挖基底 要随时注意挖土的深度 当基槽挖到离槽底0 300 0 500m时 用水准仪在槽壁上每隔2 3m和拐角处钉一个水平桩 用以控制挖槽深度及作为清理槽底和铺设垫层的依据 基槽深度施工测量见图1 59所示 1 5 2土方开挖1 无支护结构的开挖在地下水位以上的粘性土层中开挖基坑时 可考虑垂直挖土或采用放坡 其他情况应进行边坡稳定验算 2 有支护结构的基坑开挖基坑开挖前 应熟悉支护结构支撑系统的设计图纸 掌握支撑设置方法 支撑的刚度 第一道支撑的位置 预加应力的大小