第1章 土方工程

第1章土方工程 建筑工程施工中主要的分部工程之一 常见的土方工程有场地平整 基坑 槽 与管沟开挖 路基开挖 人防工程开挖 地坪填土 路基填筑以及基坑回填等 何谓土方工程 1 2场地平整 1 3基坑工程 1 4土方回填与压实 1 5爆破技术 1 1土方工程的分类及工程技术 1 1 1土的工程分类与现场鉴别方法 土的种类繁多 其分类方法各异 土方工程施工中 按土的开挖难易程度分为八类 如下表 土的主要工程性质有 土的可松性 渗透性 密实度 抗剪强度和土压力等 1 土的天然含水量土的含水量 是土中水的质量与固体颗粒质量之比的百分率 即式中 mw 土中水的质量ms 土中固体颗粒的质量 1 1 2土的工程性质 2 土的天然密度和干密度土在天然状态下单位体积的质量 称为土的天然密度 土的天然密度用 表示 式中 m 土的总质量V 土的天然体积单位体积中土的固体颗粒的质量称为土的干密度 土的干密度用 d表示 式中 ms 土中固体颗粒的质量V 土的天然体积 3 土的可松性土具有可松性 即自然状态下的土经开挖后 其体积因松散而增大 以后虽经回填压实 仍不能恢复其原来的体积 土的可松性程度用可松性系数Ks或Ks 表示 即式中 Ks 土的最初可松性系数K s 土的最后可松性系数V原状 土在天然状态下的体积 m3 V松散 土开挖后在松散状态下的体积 m3 V压实 土经回填压 夯 实后的体积 m3 4 土的渗透性土的渗透性指水流通过土中孔隙的难易程度 水在单位时间内穿透土层的能力称为渗透系数 用k表示 单位为m d 土的渗透系数k应经试验确定 k值的大小反映土体透水性的强弱 影响施工降水与排水的速度 土方工程是建筑工程施工的主要工程之一 具有以下施工特点 工程量巨大 施工工期长 劳动强度大 施工范围广 施工条件复杂 施工有一定的危险性 1 1 3土方工程施工特点 1 场地设计标高的确定遵循原则 1 满足生产工艺和运输的要求 2 充分利用地形 尽量减少挖 填土方量 3 争取施工场区内的挖填土方量的平衡 以降低土方运输费 4 要有一定的泄水坡度 以满足排水要求 5 考虑历史最高洪水位的影响等 1 2场地平整 1 2 1场地竖向规划设计 如果原地形比较平缓 对场地设计标高无特殊要求时 可按填挖土方量平衡的原则确定 首先在地形图上将施工区域划分为若干个方格网 然后根据地形图将每个方格的角点标高标注在图上 角点标高可采用实地测量或利用地形图上等高线用插入法求得 见图 按照挖填方量相等的原则 场地设计标高H0可按下式计算 1 7 因此 1 8 式中N 方格网数A 方格边长 m H11 H22 任一个方格的4个角点的标高 m 式 1 8 可改写成以下形式 1 9 式中H1 一个方格独有的角点标高 m H2 两个方格共有的角点标高 m H3 三个方格共有的角点标高 m H4 四个方格共有的角点标高 m 2 场地设计标高的调整式 1 9 所计算的标高纯系理论数值 实际上还需考虑以下因素进行调整 土的可松性影响场内挖方和填方的影响场地泄水坡度的影响 用于地形平缓或台阶跨度较大的地段 计算方法较为复杂 但精度较高 计算步骤如下 1 划分横断面 画横断面图形 2 计算横断面面积 3 计算土方量及汇总土方量 1 2 2场地平整土方量的计算 横断面法 方格网法 将要计算的场地划分为若干个相互平行的横断面 然后依据横断面逐段计算土方量 最后将各段汇总 得出场地总挖 填土方量 方格网的画法与前面确定场地标高相同 在确定了场地各个角点的设计标高后 就可求得需平整场地各角点的填挖高度 施工高度 进而根据每个方格角点的施工高度算出填挖土方量 并求得整个场地的总填挖土方量 其具体步骤如下 1 计算场地各方格角点的施工高度 2 确定 零线 3 计算场地方格挖填土方量 4 计算场地边坡土方量 土方调配是土方规划设计的一项重要内容 其目的是使土方运输量或运输成本最低的条件下 确定填 挖方区土方的调配方向和数量 从而达到缩短工期和提高经济效益的目的 其步骤是 1 划分调配区 2 计算土方调配区之间的平均运距 3 确定土方最优调配方案 4 绘制土方调配图表 1 2 3土方调配 由于土方开挖与填筑工程量巨大 因此尽量采用机械化施工 以减轻繁重的体力劳动 提高劳动生产率 常用的施工机械有 1 推土机 1 2 4场地平整土方机械的施工 2 铲运机铲运机是一种能独立完成铲土 运土 卸土 填筑 整平的土方机械 3 挖掘机挖掘机按传动方式分为机械传动和液压传动两种 按行走方式有履带式和轮胎式两种 按工作装置不同分为正铲挖掘机 反铲挖掘机 拉铲挖掘机 如图所示 1 正铲挖掘机 2 反铲挖掘机 3 拉铲挖掘机 4 抓铲挖掘机抓铲挖掘机是在挖掘机的悬臂端用钢丝绳悬吊一个抓斗而组成 其外形见图 1 3基坑工程 基坑支护 降水 土方开挖和运输 土方回填等工程的总称 地下水控制包括 降水 和 截水 基坑降低地下水位的方法 通常有集水井降水法和井点降水法 1 集水井降水法集水井降水法是在基坑开挖过程中 沿坑底四周设置排水沟和集水坑 使水流入集水井中 然后用水泵抽走 可应用于除细砂 淤泥外的各种土质的场合 主要适用于面积较小 降水深度不大的基坑开挖工程 其装置如下图 1 3 1地下水控制 2 流砂现象与防治 1 流砂现象及危害采用集水坑降水 如果土质为细砂或粉砂 当基坑挖到地下水位0 5m以下时 坑底下的土有时会成流动状态 随地下水一起涌入坑内 这种现象称为流砂 发生流砂现象时 土壤完全丧失承载力 工人难以立足 施工条件恶化 土边挖边冒 很难达到设计深度 流砂严重时会引起基坑边坡塌方 若附近有建筑物 会因地基被掏空而下沉 倾斜甚至倒塌 因此 流砂现象对土方施工和附近建筑物都有很大危害 2 流砂防治防治流砂的途径主要有三个方面 一是减小或平衡动水压力 二是截住地下水流 三是改变动水压力的方向 具体措施见表 3 井点降水井点降水是在基坑开挖前 预先在基坑四周埋设一定数量滤水管 利用抽水设备抽水 使地下水位降低到坑底以下 直至基础工程施工完毕 它能防止坑底管涌和流砂现象 稳定基坑边坡 加速土的固结 增加地基土承载能力 按系统的设置 吸水方法和原理不同 井点降水方法有轻型井点 喷射井点 电渗井点 管井井点 深井井点等 1 轻型井点轻型井点是沿基坑四周 将井管埋入地下蓄水层内 井点管上端经弯联管与总管相连接 利用抽水设备将地下水从井点管内抽出 使原有地下水位降至开挖基坑坑底以下 如图所示 2 轻型井点的施工 轻型井点的施工包括准备工作 井点系统的安装 使用及拆除等过程 准备工作包括井点设备 动力 水源及必要材料的准备 开挖排水沟 降水影响范围内建筑物 管线等沉降观测点设置以及制订防止附近建筑物 管线沉降的措施等 轻型井点系统安装程序为 排放总管 埋设井点管 用弯联管将井点管和总管连接起来 最后再安装抽水设备 利用粘土的电渗现象和电泳作用特性 对透水性差的土起到疏干作用 使软土地基排水得到解决 其示意图如下 在土方工程施工中 基坑 槽 的土壁必须保证稳定 否则 土体在外力作用下失去平衡 土壁会产生塌方 不仅影响工程施工 甚至会造成人员伤亡 危及附近建筑物 道路及地下设施的安全 产生严重的后果 因此 要根据不同的地质条件和深度 在挖方或填方的边缘 需要做成一定坡度的边坡 1 3 2土方边坡稳定 土方边坡的稳定 主要是由于土体内土颗粒间存在摩阻力和内聚力 从而使土体具有一定的抗剪强度 因此 为防止边坡塌方 应采取措施保证施工安全 在条件允许情况下放足边坡 及时排除雨水 地面水 并合理安排土方运输车辆行走路线及弃土地点 防止坡顶集中卸载及振动 必要时应根据土质情况和实际条件采取保护措施 1 基坑土方机械与开挖首先 根据土方工程的类型及规模 地质 水文及气候条件 机械设备条件及工期要求来选取土方机械 然后确定挖掘机数量 并减少车辆的调头 等待和装土时间 装土场地必须考虑调头方法及停车位置等措施通过提高挖掘机的成产率 1 3 3基坑开挖与支护 2 支护结构的类型 选型及其施工要根据施工现场的条件和施工要求的不同 选取相应的支护方式来施工 1 横撑式支护水平挡土板支撑垂直挡土板支撑 2 水泥土桩墙支护结构水泥土桩墙按施工工艺不同分为深层水泥土搅拌桩和高压旋喷桩 搅拌桩成桩工艺可采用 一次喷浆 二次搅拌 工艺 其施工工艺流程如图所示 3 钢板支护结构钢板桩支护结构施工速度快 可重复使用 但价格昂贵一次投资性高 适用于柔软地基及地下水位较高的深基坑支护 根据不同的需要选取不同的钢板桩打设方式 其中围檩插桩法需用围檩支架作板桩打设导向装置 施工中可以采用封闭打入法和分段复打法 其中分段复打法如图所示 4 钢筋混凝土灌注桩支护结构灌注桩按施工工艺有钻孔灌注桩和人工挖孔灌注桩两种 下图为钻孔灌注桩排围护墙 5 土钉墙支护结构土钉墙是由被加固土和放置于原位土体中细长金属件 土钉 及附着于坡面的混凝土面板组成其构造如图所示 6 锚杆支护结构土层锚杆又称拉锚 一端与支护结构连接 另一端锚固在土体中 将支护结构所受荷载 通过拉杆传递到土层中 在水中开挖基坑时 通常需预先修筑临时性的挡水结构物 称为围堰 围堰的结构形式和材料要根据水深 流速 地质情况 基础形式以及通航要求等条件确定 常用的围堰形式包括土石围堰 土袋围堰 木 竹 笼围堰 钢板桩围堰等 1 3 4围堰类型及其施工 基础土方回填 土方回填碾压 1 4土方回填与压实 建筑工程的回填土主要有地基 基坑 室内地坪 室外场地 管沟 散水等土的回天 回填土是一项重要的工作 一般要求回填土应有一定的密实性 使回填土不致产生较大的沉陷 一些建筑物沉降过大 室内地坪和散水大面积开裂 主要原因之一就是由于回填压实未达到设计规范要求的缘故 土方回填过程中 应注意选取回填土料 须注意的是 填方应尽量采用同类土填筑 含水量大的粘土不宜做填土用 基底的处理也要根据场地情况来决定 而填方的边坡坡度则应根据填方高度 土的种类和其重要性在设计中加以规定 1 4 1土方回填 填土可采用人工填土和机械填土 人工填土应从场地最低部分开始 由一端向另一端自上而下分层铺填 深浅坑 槽 相连时 应先填深坑 槽 相平后与浅坑全面分层夯实 机械填土则可选用推土机填土 铲运机填土或自卸汽车填土 填方压实后 应达到一定的密实度和含水量要求 填土压实方法有碾压法 夯实法及振动压实法 1 碾压法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 碾压机械有平碾 羊足碾及气胎碾等 碾压法主要用于大面积的填土 如场地平整 路基 堤坝等工程 1 4 2填土的压实 平碾又称光碾压路机 右上图 是一种以内燃机为动力的自行式压路机 羊足碾 右下图 只能用来压实粘性土 不适于砂性土 因在砂土中碾压时 土的颗粒受到羊足较大的单位压力后会向四面移动而使土的结构破坏 气胎碾又称轮胎压路机 在压实过程中 轮胎与土料的接触应力分布 适用于压实粘性土料 也适用于压实非粘性土料 都可以获得较好的压实效果 用碾压法压实填土时 铺土应均匀一致 碾压遍数要一样 碾压方向应从填土区的两边逐渐压向中心 每次碾压应有15 20cm的重叠 松土碾压宜先用轻碾压实 再用重碾压实 较好效果 碾压机械压实填方时 行驶速度不宜过快 一般平碾不应超过2km h 羊足碾不应超过3km h 如直接用重型平碾碾压松土 则由于强烈的起伏现象 其碾压效果较差 1 4 2填土的压实 2 夯实法夯实法是利用夯锤自由下落的冲击力来夯实土壤 主要用于小面积的回填土或作业面受到限制的环境下 夯实法分人工夯实和机械夯实两种 人工夯实所用的工具有木夯 石夯等 机械夯实常用的有夯锤 内然夯土机 见右图 蛙式打夯机和利用挖土机或起重机装上夯板后的夯土机等 内燃式冲击夯 蛙式打夯机 3 振动压实法振动压实法是将振动压实机放在土层表面 借助振动机构使压实机振动土颗粒 一种震动和碾压同时作用的高效能压实机械 比一般平碾提高功效1 2倍 可节省动力30 采用的机械主要是振动压路机 平板振动器 如又图 等 振动压路机 振动平板夯 3 填土压实的影响因素影响填土压实的主要因素有含水量 压实功 铺土厚度和土料的土质等的影响 1 压实功填土压实后的重度与压实机械在其上所施加的功有一定的关系 压实后的土的重度与所耗的功的关系 实际施工中 对不同的土应根据选择的压实机械和密实度要求选择合理的压实遍数 2 含水量在同一压实功条件下 填土的含水量对压实质量有直接影响 较为干燥的土 由于土颗粒之间的摩阻力较大而不易压实 当土具有适当含水量时 水起了润滑作用 土颗粒之间的摩阻力减小 从而易压实 每种土壤都有其最佳含水量 土在这种含水量的条件下 使用同样的压实功 所得到的重度最大 见图1 50 施工中 土的含水量与最佳含水量之差可控制在 4 2 范围内 3 铺土厚度在压实功的作用下 土压应力随深度增加而逐渐减小 如图1 51所示 其影响深度与压实机械 土的性质和含水量等有关 铺土厚度应小于压实机械压土时的有效作用深度 而且还应考虑最优土层厚度 最优的铺土厚度应能使土方压实而机械的功耗费最少 1 路堤填底土石材料 巨粒土和工业废渣均可以作为路堤的填料 土方路堤填筑常用方法有水平分层填筑法 纵向分层填筑法 横向填筑法 联合填筑法 见右图 1 4 3路堤填底与路堑挖底 3 填石路基施工技术填筑方法包括竖向填筑法 倾填法 分层压实法 碾压法 冲击压实法 强力夯实法等 竖向填筑法 倾填法 主要用于二级及二级以下且铺设低级路面的公路在陡峻山坡施工特别困难或大量爆破以挖作填路段 以及无法自下而上分层填筑的陡坡 断岩 泥沼地区和水中作业的填石路堤 该方法施工路基压实 稳定问题较多 分层压实法 碾压法 是普遍采用并能保证填石路堤质量的方法 高速公路 一级公路和铺设高级路面的其他等级公路的填石路堤采用此方法 冲击压实法是利用冲击压实机对路基填料进行冲击 压密填方 它具有分层法连续性的优点 又具有强力夯实法压实厚度深的优点 缺点是在周围有建筑物时 使用受到限制 强力夯实法用起重机吊起夯锤从高处自由落下 利用强大的动力冲击 迫使岩土颗粒位移 提高填筑层的密实度和地基强度 该方法机械设备简单 击实效果显著 施工中不需铺撒细粒料 施工速度快 有效解决了大块石填筑地基厚层施工的夯实难题 对强夯施工后的表层松动层 采用振动碾压法进行压实 4 土石路堤施工技术土石路堤不得采用倾填方法 只能采用分层填筑 分层压实 并很据土石混合料中石料含量的含量选取铺填方法 5 高填方路堤施工技术水田或常年积水地带 用细粒土填筑路堤高度在6m以上 其他地带填土或填石路堤高度在20m以上时 称为高填方路堤 高填方路堤应采用分层填筑 分层压实的方法施工 6 粉煤灰路堤施工技术粉煤灰路堤可用于高速公路 由于是轻质材料 可减轻土体结构自重 减少软土路堤沉降 提高土体抗剪强度 粉煤灰路堤一般由路堤主体部分 护坡和封顶层以及隔离层 排水系统等组成 其施工步骤与填土路堤施工方法相类似 仅增加了包边土和设置边坡盲沟等工序 2 路堑修筑在地质条件良好 土质均匀的情况下 路堑边坡坡度及其最大高度可参照表数据 1 土质路堑施工技术土质路堑开挖方法有横向挖掘法 纵向挖掘法 混合式挖掘法 1 横向挖掘法 土质路堑横向挖掘可采用人工作业 也可机械作业 单层横向全宽挖掘法 从开挖路堑的一端或两端按断面全宽一次性挖到设计标高 逐渐向纵深挖掘 挖出的土方一般是向两侧运送 该方法适用于挖掘浅且短的路堑 多层横向全宽挖掘法 从开挖路堑的一端或两端按断面分层挖到设计标高 适用于挖掘深且短的路堑 2 纵向挖掘法 土质路堑纵向挖掘多采用机械作业 分层纵挖法是沿路堑全宽 以深度不大纵向分层进行挖掘 适用于较长的路堑开挖 通道纵挖法是先沿路堑纵向挖掘一通道 然后将通道向两侧拓宽以扩大工作面 并利用该通道作为运土路线及场内排水的出路 该层通道拓宽至路堑边坡后 再挖下层通道 如此向纵深开挖至路基标高 该法适用于较长 较深 两端地面纵坡较小路堑开挖 2 石质路堑施工技术石质路堑施工应符合以下基本要求 保证开挖质量和施工安全 符合施工工期和开挖强度的要求 有利于维护岩体完整和边坡稳定性 可以充分发挥施工机械的生产能力 辅助工程量少 开挖方式则可根据施工条件和需求选取爆破开挖 直接应用机械开挖或静态爆破法 在一些特殊情况下 往往需要使用爆破的办法施工 如 类以上的土方开挖 石方开挖 施工现场树根和障碍物的清除 冻土开挖 场地平整等 都需要采用爆破 以大大加快施工进度 若采用爆破拆除旧的建 构筑物 不仅可以节省人力 缩短工期 而且较人工拆除更为安全 爆破作业要由专业队伍施工 1 5爆破技术 炸药在极短的时间内 由固体状态转变为气体状态 体积增加数百倍甚至数千倍 同时产生很高的温度和巨大的冲击力 使周围的介质受到不同程度的破坏 爆破就是炸药引爆后在极短时间内产生激烈的化学反应 建筑施工中 利用炸药的这种性质来为施工服务 达到工程建设的需要要 因其速度快 费用低而被广泛应用于四类以上的石质土和冻土的开挖及旧建筑的拆除等 1 5 1爆破的应用原理 爆破时距离爆破中心近的 受到的破坏就大 远的 受到的破坏就小 通常将爆破影响的范围分为几个爆破作用圈 爆破作用圈如图所示 爆破工程的方法有 裸露爆破法 炮孔爆破法 深孔爆破法 药壶爆破法 硐室爆破法 水下爆破法 水压爆破法 预裂与光面爆破法 拆除爆破及特殊爆破法等几种 1 5 2主要爆破方法 光面爆破是在开挖限界的周边 适当排列一定间隔的炮孔 在有侧向临空面的情况下进行爆破 使之形成一个光滑平整的边坡 预裂爆破是在开挖限界处按适当间隔排列炮孔 在没有侧向临空面的情况下 用控制炸药的方法 预先炸出一条裂缝 使拟爆体与山体分开 作为隔震减震带 起保护和减弱开挖限界以外山体或建筑物的震动破坏作用 见右图 光面爆破 深孔预裂爆破后的风化石岩壁 爆破作业的施工程序比较复杂 其工艺流程如下 检查爆破器材 清理表层土选择炮位钻炮眼装炸药堵塞炮眼敷设起爆网络 设置警戒线起爆炸药瞎炮处理清理落方 1 5 3爆破施工工艺 1 爆破安全距离的确定爆破施工中发生的安全事故 主要是由于爆炸引起的飞石导致的安全事故 确定爆破的安全距离就显得特别的重要 如在大部分为露天爆破的公路施工中处理不当 会有些岩块飞散很远 对人员 牲畜 机具 建筑物和构筑物造成危害 1 5 4爆破安全技术 2 爆破事故的预防措施 1 严格按照爆破操作规程进行施工 爆破作业人员须由经过爆破专业培训并取得爆破从业资格的人员实施 2 装药 充填 装药前必须对炮孔进行清理和验收 3 设立警戒线 4 点火 连线 起爆 5 爆破检查 6 盲炮处理 3 爆破器材的安全运送与储存雷管和炸药必须分开运送 运输汽车 相距不小于50m 中途停车地点须离开民房 桥梁 铁路200m以上 搬运人员须彼此相距10m以上 严禁把雷管放在口袋内 爆破器材仓库须远离 800m以上 生产和生活区 要有专人保卫 库内必须干燥 通风 备有消防设备 温度保持在18 30 之间 仓库周围清除一切树木和