土木工程施工

土木工程施工第一章土方工程11概述预备知识1流体力学流线网；2土力学土压力、土的渗透性；3抽水设备井泵的扬程及扬程与真空度的关系。教学要求1土方工程的特点；2熟悉施工中土的工程分类及分类依据；2掌握土的可松性；3熟悉原状土压实后的沉降量。你问我答1工程中常见的土方工程有哪些2土方工程由那些种类3施工中土方一般是按照什么来分类4施工中分成哪八类土如何区分5土有哪些主要的工程性质6什么是土的可松性7什么场合要考虑土的可松性8原状土经机械压实后的沉降量如何计算11概述引言土方工程包括一切土的挖掘、填筑和运输等过程以及排水、降水、土壁支撑等准备工作和辅助工程。在土木工程中，最常见的土方工程有场地平整、基坑（槽）开挖、地坪填土、路基填筑及基坑回填土等。土方施工的特点土方工程施工往往具有工程量大、劳动繁重和施工条件复杂等特点；土方工程施工又受气候、水文、地质、地下障碍等因素的影响较大，不可确定的因素也较多，有时施工条件极为复杂。施工中土方分类方法松软土其开挖方法用锹、锄头挖掘。普通土一般用锹、锄头挖掘，少许用镐翻松后开挖。坚土主要用镐，少许用锹、锄头开挖，部分须用撬棍。沙砾坚土其开挖一般先用镐、撬棍，然后用锹挖掘，部分须用锲子及大锤。软石须用镐或撬棍、大锤，部分用爆破方法开挖。次坚石须用爆破方法开挖，部分用风镐。坚石、须用爆破方法进行开挖。特坚石须用爆破方法进行开挖。土的工程性质对土方工程施工有直接影响，也是进行土方施工设计必须掌握的基本资料。土的主要工程性质有土的可松性、渗透性、密实度、抗剪强度、土压力等。1土的可松性土具有可松性即自然状态下的土，经过开挖后，其体积因松散而增大，以后虽经回填压实，仍不能恢复。土的可松性程度用可松性系数表示，即（11）式中最初可松性系数；最终可松性系数；V1土在天然状态下的体积，M3；V2土经开挖后的松散体积，M3；V3土经回填压实后的体积，M3。由于土方工程量是以自然状态的体积来计算的，所以在土方调配、计算土方机械生产率及运输工具数量等的时候，必须考虑土的可松性。如在土方工程中，是计算土方施工机械及运土车辆等的重要参数，是计算场地平整标高及填方时所需挖土量等的重要参数。各类土的可松性系数见表11。土的可松性系数表11土的类别可松性系数KSKS第一类（松软土）108117101104第二类（普通土）114128102105第三类（坚土）124130104107第四类（砾砂坚土）126137106109第五类（软石）130145110120第六类（次坚石）130145110120第七类（坚石）130145110120第八类（特坚石）1451501201302土的渗透性土的渗透性是指土体被水透过的性质。土体孔隙中的自由水在重力作用下会发生流动，当基坑开挖至地下水位以下，地下水在土中渗透时受到土颗粒的阻力，其大小与土的渗透性及地下水渗流路线长短有关。法国学者达西根据下图中所示的砂土渗透试验，发现渗流速度V与水力坡度成正比，即水力坡度斜是A、B两点的水位差斜体与渗流路程长度斜体之比，即斜体。显然，渗流速度斜体与A、B两点水位差成正比，与渗流路程长度L成反比。比例系数K称土的渗透系数M/D。水力坡度斜是A、B两点的水位差斜体与渗流路程长度斜体之比，即斜体。显然，渗流速度斜体与A、B两点水位差成正比，与渗流路程长度L成反比。比例系数K称土的渗透系数M/D。土的渗透系数K应经试验确定，下表的数值可供参考。土壤渗透系数土壤的种类斜体M/D土壤的种类斜体M/D亚粘土、粘土亚粘土含亚粘土的粉砂纯粉砂含粘土的细砂土方工程量（M3）方格例11例12VT000、1、5、6所围方格VW2191834348VT03801、2、6、7所围方格VW428938955VT245657492、3、7、8所围方格VW37878142VT29968227333、4、8、9所围方格VW00VT641012345、6、10、11所围方格VW5205384VT1021832536、7、11、12所围方格VW00061345VT918327447、8、12、13所围方格VW0142VT956148118、9、13、14所围方格VW0007096VT19731207510、11、15、16所围方格VW00V12、16、17所围方格VW00VT9410521512、13、17、18所围方格VW00VT243879313、14、18、19所围方格VW4181233VT279182264815、16、20、21所围方格VW00VT9344606816、17、21、22所围方格VW364628VT96943817、18、22、23所围方格VW1145112730VT12106818、19、23、24所围方格VW3079430816总土方量297846191568由此可见，采用最佳设计平面设计方法所得到的设计平面其土方工程量比仅考虑土方挖填平衡的设计方法小得多。（2）三角棱柱体法三角棱柱体的体积计算方法计算时先把方格网顺地形等高线，将各个方格划分成三角形（图16）。图16按地形将方格划分成三角形每个三角形的三个角点的填挖施工高度，用H1，H2，H3表示。三角棱柱体的体积计算方法也分两种情况1三角形三个角点全部为挖或全部为填（图17A）（115）式中A方格边长，M；H1，H2，H3三角形各角点的施工高度，M，用绝对值代入。2三角形三个角点有填有挖当三角形三个角点有填有挖时，零线将三角形分成两部分，一个是底面为三角形的锥体，一个是底面为四边形的楔体（图17B）。其中锥体部分的体积为（116）楔体部分的体积为（117）式中H1，H2，H3一分别为三角形各角点的施工高度，M，取绝对值，其中H3指的是锥体顶点的施工高度。A）全填或全挖；B）锥体部分为填方图17三角棱柱体的体积计算基坑（槽）土方工程量计算基坑（槽）土方施工前，同样需要进行土方工程量计算，基坑（槽）开挖的土方量可按拟柱体积的公式计算（图115），即（118）式中V土方工程量，M3；H，F1，F2如图所示。F0F1与F2之间的中截面面积，M2。工程施工中路堤的填筑的土方工程量与基槽类似，也可按此公式计算。对基坑而言，H为基坑的深度，F1，F2分别为基坑的上下底面积（M2），对基槽或路堤，H为基槽或路堤的长度（M），F1，F2为两端的面积（M2）；A）基坑土方量计算；B）基槽、路堤土方量计算图115土方量计算基槽与路堤通常根据其形状（曲线、折线、变截面等）划分成若干计算段，分段计算土方量,然后再累加求得总的土方工程量。如果基槽、路堤是等截面的，则F1F2F0，由式（118）计算VHF1。14土方施工机械预备知识1机械原理的基本知识；2有关机械作业生产率的计算方法；3土的可送性教学要求各种土方机械的性能和作业特点；2各种土方机械的适用性；3土方机械的选择；4挖掘机与运土车辆的配合你问我答基坑开挖常用的土方机械有哪几类2场地平整常用的土方机械有哪几类3推土机的性能如何，它适用于哪些土方工程4铲运机的性能如何，它适用于哪些土方工程5正铲挖掘机的性能如何，它适用于哪些土方工程6反铲挖掘机的性能如何，它适用于哪些土方工程7抓铲挖掘机的性能如何，它适用于哪些土方工程8拉铲挖掘机的性能如何，它适用于哪些土方工程9挖掘机与运土车辆配合应考虑哪些因素引言场地平整土方施工机械主要为推土机、铲运机，有时也使用挖掘机及装载机。推土机推土机是一种在拖拉机前端悬装上推土刀的铲土运输机械。作业时，机械向前开行，放下推土刀切削土壤，碎土堆积在刀前，待逐渐积满以后，略提起推土刀，使刀刃贴着地面推移碎土，推到指定地点以后，提刀卸土，然后调头或倒车返回铲掘地点。由于推土机牵引力大，生产率高，工作装置简单牢固，操纵灵便，能进行多种作业，应用甚为广泛。1适用性推土机适于推挖一至三类土。用于平整场地，移挖作填，回填土方，堆筑堤坝以及配合挖土机集中土方、修路开道等。推土机的作业效率与运距有很大关系，表13列有直铲作业时的经济运距。推土机的经济运距表13行走装置机型经济运距（M）备注履带式大型中型小型50L00（最远L50）60100（最远120）50上坡用小值下坡用大值轮胎式5080（最远150）2型号及作业方式推土机按照推土刀安装形式分固定推土刀（图18A）和回转推土刀（图18B）两种。固定推土刀装成垂直于拖拉机纵轴线，只能作上下升降动作和向前推土，故又称直铲推土机。回转推土刀，推土刀可装成在水平面内与拖拉机纵轴线倾斜一个角度（025），还可在垂直面内倾侧一个角度（一般为09）。推土刀在水平面内倾斜作业时，刀前碎土沿着推土刀表面斜向移动而卸于一侧，故称斜铲推土机，其铲、运、卸三个过程同时进行。推土刀在垂直面内倾侧作业时，可以对坚实地面铲掘。A）固定推土刀；B）回转推土刀图18履带式推土机按照行走装置形式，分履带式和轮胎式两种。履带式推土机的履带板有多种形式，以适应不同地面上行走，按照履带接地比压大小，又分为高比压推土机（接地比压100KPA以上），适用于石质地面上行走，中比压推土机（接地比压60100KPA），称为普通推土机、低比压推土机（接地比压1030KPA），称为湿地或沼泽地推土机。轮胎式推土机大多采用宽基轮胎，全轮驱动，以提高牵引性能并改善通过性能，其接地比压为200350KPA。由于履带式推土机后端一般可以装松土齿耙、绞盘和反铲装置等，还可以作其他机械的牵引车或铲运机的助铲机，故目前应用广泛。按照工作装置操纵系统分液压操纵和机械操纵等。液压操纵式利用液压缸来操纵推土刀的升降，可以借助整机的部分重力，强制推土刀切土，切土力大，操纵轻便，广泛用于中、小型推土机上；机械操纵式依靠钢丝绳滑轮组操纵，只能利用推土刀的自重切土，效率较低，一般用于大型和特大型推土机上。此外，推土机按照发动机功率分小、中、大、特大四种等级，常用推土机功率有45KW、75KW、90KW、120KW等数种。国产推土机大多是中型和大型。目前世界上最大型的推土机功率可达到735KW。推土机作业以切土和推运土方为主，切土时应根据土质情况，尽量采用最大切土深度在最短距离（610M）内完成，以便缩短低速行进的时间，然后直接推运到预定地点。上下坡坡度不得超过35B，横坡不得超过10B。几台推土机同时作业时，前后距离应大于8M。推土机经济运距在100M以内，效率最高的运距为60M。为提高生产率，可采用下坡推土（图19）、槽形推土以及并列推土等方法（图110）。图19下坡推土法A）槽形推土法；B）并列推土法图110槽形推土法与并列推土法铲运机铲运机是种利用铲斗铲削土壤，并将碎土装入铲斗进行运送的铲土运输机械，能够完成铲土、装土、运土、卸土和分层填土、局部碾实的综合作业。适用于铁路，道路、水利、电力等工程平整场地工作。铲运机具有操纵简单，不受地形限制，能独立工作，行驶速度快，生产效率高等优点。其适用一至三类土，如铲削三类以上土壤时，需要预先松土。铲运机由铲斗（工作装置）、行走装置、操纵机构和牵引机等组成，铲运其工作过程包括放下铲斗，打开斗门，向前开行，斗前刀片切削土壤，碎土进入铲斗并装满（图111A），提起铲斗，关上斗门，进行运土（图111B）；到卸土地点后打开斗门，卸土，并调节斗的位置，利用刀片刮平土层（图111C）；卸土完毕，返回。A）铲土；B）运土；C）卸土图111铲运机的作业过程1斗门；2斗体铲运机1适用性2型号及作业方式铲运机分自行式和拖式两种。自行式铲运机（图112）由牵引车和铲斗车两部分合成整体，中间用铰销连接，牵引车和铲斗车均为单轴，其经济运距可达1500M以上，具有结构紧凑、机动性大、行驶速度高等优点，得到广泛的应用。拖式铲运机需要有拖拉机牵引作业，装有宽基低压轮胎，适用于土质松软的丘陵地带，其经济运距一般为50500M，由于机动性差，工程中较少应用。A）自行式；B）拖式图112铲运机外形图按照铲斗卸土方法，分强制卸土、半强制卸土和自由卸土三种（图113）。强制卸土依靠活动的铲斗后壁向前推移，将土强制推出，卸土干净，但动力消耗大，半强制卸土的后斗壁与斗底连成整体，卸土时，斗底与后斗壁一起向前翻转，碎土在推力与重力双重作用下卸出，能够卸净两侧壁之间的土；自由卸土依靠整个铲斗向前翻转将碎土倒出，不能保证土的卸净，但动力消耗低，用于小型铲运机。A）强制卸土；B）半强制卸土；C）自由卸土图113卸土方式铲运机按照铲斗容量分小、中、大、特大四种型式，中型的铲斗容量一般为615M3，大型的一般为1530M3，特大型的可达30M3以上。铲运机运行路线和施工方法视工程大小、运距长短、土的性质和地形条件等而定。其运行线路可采用环形路线或8字路线（图114）。采用下坡铲土、跨铲法、推土机助铲法等，可缩短装土时间，提高土斗装土量，以充分发挥其效率。A）环形路线；B）环形路线；C）大环形路线；D）8字型路线图114铲运机开行路线挖掘机如平整的场地上有土堆或土丘，或需要向下挖掘或填筑土方时可用挖掘机进行挖掘。挖掘机根据工作装置不同分为正铲、反铲、抓铲，机械传动挖掘机还有拉铲。施工中须有运土汽车进行配合作业。基坑土方开挖一般均采用挖掘机施工，对大型的、较浅的基坑有时也可采用堆土机。挖掘机按行走方式分为履带式和轮胎式两种。按传动方式分为机械传动和液压传动两种。斗容量有02M3、04M3、10M3、15M3、25M3等多种。挖掘机利用土斗直接挖土，因此也称为单斗挖土机，按土斗作业装置分为正铲、反铲、抓铲及拉铲，使用较多的是前三种。1正铲正铲挖掘机外型如图136所示。它适用于开挖停机面以上的土方，且需与汽车配合完成整个挖运工作。正铲挖掘机挖掘力大，适用于开挖含水量较小的一类土和经爆破的岩石及冻土。一般用于大型基坑工程，也可用于场地平整施工。图136正铲挖掘机外形（1）适用性正铲挖掘机挖掘力大，适用于开挖含水量较小的一类土和经爆破的岩石及冻土。一般用于大型基坑工程，也可用于场地平整施工。（2）作业方式正铲的开挖方式根据开挖路线与汽车相对位置的不同分为正向开挖、侧向装土以及正向开挖、后方装土两种（图137）。前者生产率较高。A）正向开挖、侧向装土；B）正向开挖、后方装土图137正铲开挖方式正铲的生产率主要决定于每斗作业的循环延续时间。为了提高其生产率，除了工作面高度必须满足装满土斗的要求之外，还要考虑开挖方式和与运土机械配合。尽量减少回转角度，缩短每个循环的延续时间。2反铲图138液压反铲挖掘机外形加长臂反铲式挖土机（1）适用性反铲适用于开挖一至三类的砂土或粘土。主要用于开挖停机面以下的土方，一般反铲的最大挖土深度为46M的基坑，经济合理的挖土深度为35M。反铲也需要配备运土汽车进行运输。（2）作业方式反铲的开挖方式可以采用沟端开挖法，即反铲停于沟端，后退挖土，向沟一侧弃土或装汽车运走（图139A），也可采用沟侧开挖法，即反铲停于沟侧，沿沟边开挖，它可将土弃于距沟较远的地方，如装车则回转角度较小，但边坡不易控制（图139B）。A沟端开挖；B沟侧开挖图139反铲开挖方式3抓铲机械传动抓铲外形如图140所示。它适用于开挖较松软的土。图140抓铲挖掘机外形（1）适用性对施工面狭窄而深的基坑、深槽、深井采用抓铲可取得理想效果，也可用于场地平整中的土堆与土丘的挖掘。抓铲还可用于挖取水中淤泥、装卸碎石、矿碴等松散材料。抓铲也有采用液压传动操纵抓斗作业。（2）作业方式抓铲挖土时，通常立于基坑一侧进行，对较宽的基坑则在两侧或四侧抓土。抓挖淤泥时，抓斗易被淤泥“吸住”，应避免起吊用力过猛，以防翻车。4拉铲拉铲挖掘机的外形及工作状况如图141所示。图141拉铲挖掘机外形及工作状况（1）适用性拉铲适用于一至三类的土，可开挖停机面以下的土方，如较大基坑（槽）和沟渠，挖取水下泥土，也可用于大型场地平整、填筑路基、堤坝等。（2）作业方式拉铲挖土时，依靠土斗自重及拉索拉力切土，卸土时斗齿朝下，利用惯性，较湿的粘土也能卸净。但其开挖的边坡及坑底平整度较差，需更多的人工修坡（底）。它的开挖方式也有沟端开挖和沟侧开挖两种。挖掘机与运土车辆的配合当挖掘机挖出的土方需要运土车辆运走时，挖掘机的生产率不仅取决于本身的技术性能，而且还决定于所选的运输工具是否与之协调。由技术性能，可按下式算出挖掘机的生产率P（M3/台班）（135）式中T挖掘机每次作业循环延续时间,S；Q挖掘机斗容量,M3KS土的最初可松性系数，见表11；KC土斗的充盈系数，可取0811；KB工作时间利用系数，一般为0608。为了使挖掘机充分发挥生产能力，应使运土车辆的载重量Q与挖掘机的每斗土重保持一定的倍率关系，并有足够数量车辆以保证挖掘机连续工作。从挖掘机方面考虑，汽车的载重量越大越好，可以减少等待车辆调头的时间。从车辆方面考虑，载重量小台班费便宜但使用数量多；载重量大，则台班费高但数量可减少。最适合的车辆载重量应当是使土方施工单价为最低，可以通过核算确定。一般情况下，汽车的载重量以每斗土重的35倍为宜。运土车辆的数量N，可按下式计算（136）式中T运输车辆每一工作循环延续时间（S），由装车、重车运输、卸车、空车开回及等待时间组成；T1运输车辆调头而使挖掘机等待的时间，S；T2运输车辆装满一车土的时间，S；（137）式中N运土车辆每车装土次数；Q运土车辆的载重量，T；Q挖掘机斗容量，M3；土的重度，KN/M3。为了减少车辆的调头、等待和装土时间，装土