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第一章土方工程 掌握土方工程施工的特点及土的性质 能进行土方工程量计算 能正确选用土方开挖时边坡的支护方法 能根据土方工程施工条件正确选择降 排水方法 能正确选择土方施工机械 正确选择地基回填土的填方土料及填筑压实方法 能分析影响填土压实的主要因素 掌握填土压实质量的检查方法 学习要求 主要施工过程 土的开挖或爆破 运输 填筑 平整和压实等 辅助施工过程 排水 降水和土壁支撑等 土方工程的施工过程 第一节概述 一 土方工程的施工特点 4 工程量大 1 2 3 施工工期长 施工条件复杂 劳动强度大的特点 土方工程施工前的准备工作 根据土的坚硬程度和开挖方法将土分为8类 表1 1 二 土的工程分类 注 土的工程性质对土方工程施工方法的选择 劳动量和机械台班的消耗及工程费用有较大的影响 土一般由土颗粒 固相 水 液相 和空气 气相 三部分组成 见图1 1 这三部分之间的比例关系随着周围条件的变化而变图1 1土的三相示意图化 三者相互间比例不同 反映出土的物理状态不同 三 土的基本性质 一 土的组成 m 土的总质量 m ms mw kg ms 土中固体颗粒的质量 kg mw 土中水的质量 kg V 土的总体积 V Va Vw Vs m3 Va 土中空气体积 m3 Vs 土中固体颗粒体积 m3 Vw 土中水所占的体积 m3 图1 1土的三项示意图 1 土的可松性与可松性系数 1 定义天然土经开挖后 其体积因松散而增加 虽经振动夯实 仍然不能完全复原 这种现象称为土的可松性 土的可松性用可松性系数表示 二 土的物理性质 2 计算式 2 土的天然含水量 1 定义在天然状态下 土中水的质量与固体颗粒质量之比的百分率叫土的天然含水量 反应了土的干湿程度 用 表示 2 计算式 3 土的天然密度和干密度 天然密度定义土在天然状态下单位体积的质量 简称密度 天然密度计算式 1 干密度定义干密度是土的固体颗粒重量与总体积的比值 干密度计算式 1 4 土的孔隙比和孔隙率 定义孔隙比是土的孔隙体积Vv与固体体积Vs的比值 孔隙率是土的孔隙体积Vv与总体积V的比值 用百分率表示 计算式 1 6 1 7 孔隙比和孔隙率反映了土的密实程度 孔隙比和孔隙率越小土越密实 5 土的渗透系数土的渗透性系数表示单位时间内水穿透土层的能力 以m d表示 一般土的渗透系数见表1 2 第二节土方工程量计算及土方调配 一 基坑 1 基坑土方量计算基坑土方量可按立体几何中的拟柱体体积公式计算 图1 2 即 1 8 2 基槽和路堤 管沟的土方量计算基槽和路堤管沟的土方量可以沿长度方向分段后 按下式计算 1 9 总土方量计算将各段土方量相加即得总土方量V总 二 场地平整土方量计算 1 工作内容场地平整前 首先要确定场地设计标高 计算挖 填土方工程量 确定土方平衡调配方案 2 任务根据工程规模 施工期限 土的性质及现有机械设备条件 选择土方机械 拟订施工方案 一 场地设计标高的确定 1 初步计算场地设计标高原则 使场地内挖填方平衡 即场地内挖方总量等于填方总量 方法 场地设计标高的计算方法一般采用方格网法 计算示意图见图 场地平整的步骤和方法确定 可按下式计算 即 1 10 1 11a 可简化为 场地设计标高计算式 2 场地设计标高的调整考虑以下因素进行调整 1 由于具有可松性 填土将有剩余 2 由于设计标高以上的填方工程用土量 或设计标高以下的挖方工程挖土量的影响 使设计标高降低或提高 3 由于边坡挖填方量不等 而引起挖填土方量的变化 需相应地增减设计标高 场地平整的步骤和方法确定 3 泄水坡度对角点设计标高的影响 1 单向泄水场地各点设计标高的计算场地单向泄水时 场地内任意一点的设计标高为 2 双向泄水场地各点设计标高的计算场地双向泄水时 场地内任意一点的设计标高为 场地平整的步骤和方法确定 二 场地土方量计算 根据方格网计算场地的填 挖土方总量的步骤如下 1 划分方格网计算各方格角点的施工高度方格角点的施工高度按下式计算 2 计算零点位置 1 数解法计算零点位置 2 图解法计算零点的位置图解法直接求出零点方法如图1 8所示 用尺在各角上标出相应比例 用线相连 与方格相交点即为零点位置 图1 7零点位置计算示意图图1 8零点位置图解法 3 计算方格土方工程量按方格网底面积图形用表1 3所列公式 计算每个方格内的挖方或填方量 4 边坡土方量计算边坡的土方量可以划分为两种近似几何形体计算 1 三角棱锥体土方量计算式为 2 三角棱柱体 土方量计算式为 5 计算土方总量将挖方区 或填方区 的所有方格土方量和边坡土方量汇总后即得场地平整挖 填 方的工程量 6 例题某建筑场地地形图和方格网 a 20m 如图1 10所示 土质为亚黏土 场地设计泄水坡度ix 3 iy 2 试确定场地设计标高 不考虑土的可松性影响 并计算填 挖土方量 不考虑边坡土方量 图1 10某建筑场地地形图和方格网 1 计算各方格角点的地面标高各方格角点的地面标高 可根据地形图上所标等高线 用插入法求得 如求角点4的地面标高 h4 由图1 11有 将角点标高标在图上 2 计算场地设计标高H0 3 计算方格角点的设计标高以场地中心角点8为H0 图1 13 由已知泄水坡度lx和ly 各角点设计标高按式 1 13 计算 其余各角点设计标高算法同上 将计算值标在图1 13 4 计算角点的施工高度按式 1 14 计算 各角点的施工高度为 其余各角点施工高度详见图1 13中施工高度值 5 确定零线求零点 方格边线上零点的位置由式 1 15 确定 2 3角点连线零点距角点2的距离为 相邻零点的连线即为零线 6 计算土方量根据方格网挖填图形 计算土方工程量 方格1 1 1 3 1 4 2 1四角点全为挖 填 方 按正方形计算 其土方量为 同理有 两个角点为挖方 另两角点为填方方格1 2 2 3土方量为 同理 一个角点填方 或挖方 和三个角点挖方 或填方 方格网2 2 2 4为一个角点填方 或挖方 和三个角点挖方 或填方 其土方量为 同理 将计算出的土方量填入相应的方格中 图1 13 场地各方格土方量总计 挖方 548 75m3 填方 528 55m3 土方调配 就是对挖土的利用 堆弃和填土的取得三者之间的关系进行综合协调的处理 好的土方调配方案 应该是使土方运输量 或费用 达到最小 而且又能方便施工 三 土方调配 应力求达到挖方与填方基本平衡和就近调配 使土方运输量或费用最小 2 土方调配应考虑近期施工与后期利用相结合的原则 3 合理布置挖 填方分区线 选择恰当的调配方向 运输线路 4 好土用在回填质量要求高的地区 一 土方调配原则 土方调配图表的编制编制的方法如下 1 划分调配区 在划分调配区时应注意 调配区的划分应与房屋或构筑物的位置相协调 使近期施工与后期利用相结合 2 调配区的大小应使土方机械和运输车辆的功效得到充分发挥 3 当土方运距较大或场区内土方不平衡时 可根据附近地形 考虑就近借土或就近弃土 场地土方调配 需作成相应的土方调配图表 如图1 14所示 二 土方调配图表的编制 2 计算土方量按前述计算方法 求得各调配区的挖填方量 并标写在图上 3 计算调配区之间的平均运距平均运距计算方法 1 重心坐标计算 1 19 也可用作图法近似地求出形心位置以代替重心位置 2 量取平均运距重心求出后 标于相应的调配区图上 然后用比例尺量出每对调配区之间的平均运距 4 确定土方最优调配方案最优调配方案的确定 是以线性规划为理论基础的 常用 表上作业法 求得 5 绘制土方调配图根据表上作业法求得最优调配方案 在地形图上绘出土方调配图如图1 14 注 箭头上面数量表示土方调配量 m3 箭头下面数量表示平均运距 m W为挖方区 T为填方区 土方开挖前需做好下列主要准备工作 1 场地清理 2 排除地面水 3 修筑临时设施 第三节施工准备与辅助工作 一 施工准备 1 土方边坡土方边坡的坡度是以土方挖方深度H与放坡宽度B之比表示 见图1 15 即基坑 槽 H式中m B H 称为边坡系数B图1 15边坡的表示方法 二 土方边坡与土壁支撑 土方边坡的确定 土方边坡的大小主要与土质 开挖深度 开挖方法 边坡留置时间的长短 边坡附近的各种荷载状况及排水情况有关 放坡深度起点规定深度超过下列规定既应放坡 密实 中密的砂土和碎石类土 充填物为砂土 1 0m 硬塑 可塑的粉土及粉质黏土1 25m 硬塑 可塑的黏土和碎石类土 充填物为黏性土 1 5m 坚硬的黏土2m 挖方深度超过上述规定时 应考虑放坡或作成直立壁加支撑 1 边坡放坡坡度规定当地质条件良好 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以内不加支持的边坡的最陡坡度应符合表1 5规定 注 1 静载指堆土或材料等 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 堆土或材料应距挖方边缘0 8m以外 高度不超过1 5m 2 当有成熟施工经验时 可不受本表限制 深度在5m内的基坑 槽 管沟边坡的最陡坡度 不加支撑 表1 5 2 临时性挖方边坡值规定永久性挖方边坡应按设计要求放坡 对临时性挖方边坡值应符合表1 6规定 临时性挖方边坡值表1 6 2 土壁支撑 1 横撑式土壁支撑的分类及适用范围1 分类 分为水平挡土板 图1 16a 和垂直挡土板 图1 16b 两类 2 适用范围 2 横撑式土壁支撑的布置1 采用横撑式支撑时 应随挖随撑 支撑要牢固 2 施工中应经常检查 如有松动 变形等现象时 应及时加固或更换 3 支撑的拆除应按回填顺序依次进行 多层支撑应自下而上逐层拆除 随拆随填 目的 1 防止地下水渗入 地面水流入基坑 为了保证施工的正常进行 2 防止边坡塌方和地基承载能力的下降 方法 分为明排水法和人工降低地下位法两类 三 土方工程施工排水与降低地下水位 基坑开挖时 沿坑底周围或中央开挖排水沟 在沟底设集水井 使基坑内的水经排水沟流向集水井后用水泵抽走 见图1 17 排水沟的纵坡宜控制在1 2 集水井每隔20 40m设置一个 集水井的直径或宽度 一般为0 7 0 8m 其深度随着挖土的加深而加深 要始终低于挖土面0 8 1 0m 井壁可用竹 木等简易加固 一 明沟排水法 优点 设备简单 排水方便 采用较为普通 缺点 当开挖深度大 地下水位较高而土质又不好时 容易产生流砂现象 开挖土质不好 地下水位较高的基坑时 当挖至地下水水位以下 由于地下水压力的作用 坑底下面的土会随地下水涌入基坑 这种现象称为流砂现象 流沙现象的危害 发生流砂时 土完全丧失承载能力 使施工条件恶化 难以达到开挖设计深度 严重时会造成边坡塌方及附近建筑物下沉 倾斜 倒塌等 明沟排水法的特点 流砂现象 1 流砂防治的途径在基坑开挖中 防治流砂的主要途径有 消除 减少或平衡动水压力 2 流砂防治的方法 1 抢挖法 2 打板桩法 3 水下挖土法 4 人工降低地下水位 5 地下连续墙法 流砂的防治办法 人工降低地下水位 在基坑开挖前 预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管 井 利用抽水设备将水抽走 使地下水位降落在坑底以下 直至施工结束为止 特点 使所挖的土始终保持干燥状态 改善施工条件 防止流砂现象发生 提高土的强度或密实度 可适当改陡边坡以减少挖土数量注意事项 但在降水过程中 基坑附近的地基土壤会有一定的沉降 施工时应加以注意 人工降低地下水位的方法 轻型井点 喷射井点 电渗井点 管井井点及深井泵法等 二 人工降低地下水位 1 轻型井点降低地下水位 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 见图1 20 管路系统包括 滤管 井点管 弯联管及总管等 2 轻型井点系统的布置原则根据基坑大小与深度 土质 地下水位高低与流向 降水深度要求在平面与竖向进行布置 1 平面布置方法 单排线状井点布置 见图1 23 双排井点布置 见图1 24 环状井点布置 见图1 25 2 高程布置 3 轻型井点的计算 4 抽水设备的选择 5 井点管的安装程序 2 喷射井点降低地下水位当基坑开挖较深或降水深度超过6m 使用多级轻型井点降水不经济 在土层渗透系数为0 1 2 0m d的弱透水层时 采用喷射井点降水比较合适 其降水深度可达20m 1 喷射井点的主要设备 喷射井点设备主要由喷射井管 高压水泵 或空气压缩机 和管路系统组成 图1 31a 2 喷射井点的平面布置 3 深井井点降低地下水位 1 管井井点系统的组成及设备 深井井点系统主要由井管和水泵组成 见图1 32 2 深井布置 深井井点系统总涌水量可按无压完整井环形井点系统公式计算 一般沿基坑四周每隔15 30m设一个深井井点 3 深井井点的埋设 深井井点施工程序 井位放样 做井口 安护筒 钻机就位 钻孔 回填井底砂垫层 吊放井管 回填管壁与孔壁间的过滤层 安装抽水控制电路 试抽 降水井正常工作 土方工程的施工过程主要包括 土方开挖 运输 填筑与压实等 常用的施工机械有 推土机 铲运机 单斗挖土机 装载机等 施工时应正确选用施工机械 加快施工进度 第四节土方机械化施工 特点 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 适用范围 主要用于场地清理和平整 开挖深度1 5m以内的基坑 填平沟坑 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60m 一 常用土方施工机械的施工特点 一 推土机施工 1 作业方法及提高生产率的措施推土机提高生产率的措施有 下坡推土 并列推土 多刀送土和利用前次推土的槽推土等 2 推土机生产率计算 1 推土机小时生产率Ph 按下式计算 2 推土机台班生产率Pd 按下式计算 铲运机按行走方式分拖式和自行式两种 特点 铲运机能综合完成挖土 运土 平土或填土等全部土方施工工序 对行驶道路要求较低 操纵灵活 运转方便 生产率高 适用范围 主要用于大面积土方场地平整 开挖大基坑 沟槽以及填筑路基 堤坝等工程铲运含水量不的松土和普通土 不适于在砾石层和冻土地带及沼泽区工作 自行式铲运机的经济运距为800 1500m 拖式铲运机的运距以600m内 运距为200 300m时效率最高 二 铲运机施工 1 铲运机的开行路线铲运机的开行路线有环形路线和8字形路线开行两种形式 见图1 37 应根据填方 挖方区的分布情况并结合当地具体条件进行合理选择 2 铲运机施工方法及特点铲运机施工方法应根据施工条件选择 常用的有 1 下坡铲 土铲运机可以借助其重力来加大铲土能力 缩短装土时间 提高生产率 2 跨铲法 采用预留土埂间隔铲土的方法减少向外撒土量 挖土埂时增加了两个自由面 阻力减小 达到 铲土快 铲斗满 的效果 3 助铲法 在坚硬的土层中铲土时 另配一台推土机在铲运机的后拖杆上进行顶推 协助铲土 以缩短铲土的时间 分类 按其行走装置的不同 分为履带式和轮胎式两类 按其工作装置的不同 分为正铲 反铲 拉铲和抓铲 按其操纵机械的不同 分为机械式和液压式两类 机械式现使用较少 液压式单斗挖土机如图1 38所示 三 单斗挖土机施工 1 正铲挖土机挖土特点 向进向上 强制切土 其挖掘能力大 生产率高 适用范围 用于开挖停机面以上的一 三类土 它与运土汽车配合能完成整个挖运任务 可用于开挖大型干燥基坑以及土丘等 性能 正铲挖土机性能见表1 9 开挖方式根据挖土机的开挖路线与运输工具的相对位置不同 分为正向挖土侧向卸土和正向挖土后方卸土两种 见图1 40 1 正向挖土侧向卸土 2 正向挖土后方卸土 2 工作面工作面是指挖土机一次开行中进行挖土时的工作范围1 工作面布置原则 2 工作面布置方式 2 反铲挖土机挖土特点 后退向下 强制切土 适用范围 其挖掘力比正铲小 能开挖停机面以下的一 三类土 适用于挖基坑 基槽和管沟 有地下水的土壤或泥泞土壤 性能 液压反铲挖土机技术性能见表1 10 挖土布置方式 反铲挖土机挖土时可采用沟端开挖和沟侧开挖两种方式 如图1 44所示 1 沟端开挖 2 沟侧开挖 3 拉铲挖掘机挖土特点 拉铲挖土机的挖土特点是 后退向下 自重切土 适用范围 用于开挖停机面以下的一 二类土 可用于开挖大而深的基坑或水下挖土 挖土布置方式 拉铲挖土机的开挖方式与反铲挖土机的开挖方式相似 可沟侧开挖也可沟端开挖 见图1 45 4 抓铲挖土机抓铲挖土机的挖土特点 直上直下 自重切土 适用范围 挖掘力较小 适用于开挖停机面以下的一 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 常用于开挖基坑等 分类 按行走方式分履带式和轮胎式两种 按工作方式分单斗式装载机 链式和轮斗式装载机 土方工程主要使用单斗铰接式轮胎装载机 具有操作轻便 灵活 转运方便 快速等特点 适用范围 用于装卸土方和散料 也可用于松软土的表层剥离 地面平整和场地清理等工作 性能 常用国产铰接式轮胎装载机主要技术性能及规格见表1 11 四 装载机 压实机械根据压实原理分为冲击式 碾压式和振动压实机械三大类 1 冲击式压实机械分类 冲击式压实机械主要有蛙式打夯机和内燃式打夯机两类 蛙式打夯机一般以电为动力 适用范围 冲击式打夯机适用于狭小的场地和沟槽作业 也可用于室内地面的夯实及大型机械无法到达的边角的夯实 五 压实机械 2 碾压式压实机械分类 碾压式压实机械按行走方式分自行式压路机和牵引式压路机两类 自行式压路机常用的有光轮压路机 轮胎压路机 适用范围 自行式压路机主要用于土方 砾石 碎石的回填压实及沥青混凝土路面的施工 牵引式压路机的行走动力一般采用推土机牵引 3 振动压实机械工作原理 振动压实机械是利用机械的高频振动 把能量传给被压土壤 降低土壤颗粒间的摩擦力 在压实能量的作用下 达到较大的密实度 分类 振动压实机械按行走方式分为手扶平板式振动压实机和振动压路机两类 适用范围 手扶平板式振动压实机主要用于小面积的地基夯实 振动压路机是效率高 经济的振动压实机械 主要用在工程量大的大型土石方工程中 技术性能 常用压路机主要技术性能参数见表1 12 土方机械的选择原则 根据工程特点和技术条件 进行技术经济比较 选择效率高 费用低的机械 土方机械选择要点 1 地形起伏不大 坡度在20 以内 挖填平整土方的面积较大 土的含水量适当 平均运距短 可选铲运机 2 地形起伏较大的丘陵地带 当挖土高度在3m以上 运输距离超过1km 工程量较大且又集中时 可采用下述三种方式进行挖土和运土 1 正铲挖土机配合自卸汽车进行施工 2 用推土机将土推入漏斗 并用自卸汽车在漏斗下承土并运走 3 用推土机预先把土推成一堆 用装载机把土装到汽车上运走 二 土方挖运机械的选择及配套计算 一 土方机械的选择 3 开挖基坑时根据下述原则选择机械1 土的含水量较小 可结合运距长短 挖掘深浅 分别采用推土机 铲运机或正铲挖土机配合自卸汽车进行施工 2 如地下水位较高 则采用反铲 拉铲或抓铲挖土机配合自卸汽车较为合适 4 移挖作填或基坑 管沟的回填土方施工 运距在60 100m内宜选用推土机 土方机械配套计算时 应先确定主导施工机械 其它机械应按主导机械的性能进行配套选用 当用挖土机挖土 汽车运土时 应以挖土机为主导机械 二 挖土机与运土车辆的配套计算原则 填筑前的准备工作 在土方填筑前 应清除基底上的垃圾 树根及坑穴中的水 淤泥和杂物等 在建筑物或构筑物地面下的填方或厚度小于0 5m的填方 应清除基底上的草皮 垃圾和软弱土层 在稳定山坡上填方 当山坡坡度为1 10 1 15时 应清除基底上的草皮 坡度陡于1 5时 应将基底挖成阶梯形 阶宽不小于1m 当填方基底为耕植土或松土时 应将基底辗压密实 第五节土方的填筑与压实 1 正确选择填土的种类和填筑方法 2 填方土料应符合设计要求 一 填筑的要求 填土的压实方法一般有碾压法 夯实法和振动压实法 原理 碾压法是利用机械滚轮的压力压实土壤 使之达到所需的密实度 碾压机械有光面碾 压路机 羊足碾和气胎碾 特点及适用范围 光面碾 光面碾对砂土 粘性土匀可压实 羊足碾 羊足碾需要较大的牵引力 且只宜压实粘性土 气胎碾 气胎碾在工作时是弹性体 其压力均匀 填土质量较好 二 填土压实方法 一 碾压法 原理 夯实法是利用夯锤自由下落的冲击力来夯实土壤 用于小面积回填 夯实方法 夯实法分人工夯实和机械夯实两种 夯实机械 夯实机械有夯锤 内燃夯土机和蛙式打夯机 人工夯土用的工具有木夯 石夯 飞硪等 原理 振动压实法是将振动压实机放在土层表面 借助振动机械使压实机械振动 土颗粒在振动力的作用下发生相对位移而达到紧密状态 适用范围 如使用振动碾进行碾压 可使土受振动和碾压两种作用 碾压效率高 适用于大面积填方工程 二 夯实法 三 振动压实法 填土压实的影响因素较多 主要有压实功 土的含水量以及每层铺土厚度 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的功有一定的关系 土的密度与所耗的功的关系见图1 46 2 含水量的影响在同一压实功条件下 较为干燥的土颗粒之间的摩阻力较大 因而不易压实 当含水量超过一定限度时 土颗料之间孔隙由水填充而呈饱和状态 也不能压实 最佳含水量 压实功一定时 使回填土达到最大干密度的含水量 见图1 47 各种土的最佳含水量和最大干密度可参考表1 14 工地简单检验粘性土含水量的方法一般