《土木工程施工》第一章土方工程

1、?土木工程施工?第一章土方工程【学习要求】熟悉“土的可松性概念,掌握场地设计标高确实定,掌握土方工程量计算、调配,运用表上作业法求最优调配方案；了解影响土方边坡稳定的因素,熟悉土壁支护的形式及适用范围,了解施工降水的根本方法及适用范围,熟悉轻型井点设计与施工；了解常用土方机械的性能及适用范围,能正确合理地选用；了解土方填筑与压实的根本要求及对工程质量的影响.【重点难点】教学重点：场地设计标高确实定与调整、土方调配和施工、施工排水与降水.教学难点：表上作业法进行土方调配、轻型井点降水的计算.【时间分配】3次课、6课时.1 土方规划1.1 内容及施工要求1.1.1 常见的土方工程施工内容有：场地平

2、整包括障碍物撤除、场地清理、确定场地设计标高、计算挖填土量、合理进行土方平衡调配等.开挖沟槽、基坑、竖井、隧道、修筑路基、堤坝包括测量放线、施工排水降水、土方边坡和支护结构等.土方回填与压实包括土料选择、运输、填土压实的方法及密实度检验等.1.1.2 土方工程的施工要求： 要求标高、断面限制准确； 土体有足够的强度和稳定性； 土方量少、工期短、费用省； 因地制宜编制合理的施工方案,预防流砂、管涌、塌方等事故发生,确保平安； 应尽可能采用先进的施工工艺、施工组织和机械化施工.1.2 土的工程分类分类：在土方工程施工中,按开挖的难易程度分为八类,见教材表1-1注：在湖南省99单位估价表中,一二类土

3、统一划为普通土,三四类土统一划为坚土.不同类土的开挖费用和工效是不一样的,如基坑挖土石方的基价和台班产量：一一失三四类五类七类八类单价元/m37.6215.5519.9625.553.49109.97台班产量m3/工日2.581.270.980.770.370.181.3 土的工程性质士有各种工程性质物理指标,其中影响土方施工的有土的质量密度、含水量、渗透性和可松性等.土的质量密度一一分天然密度和干密度.土的天然密度是指土在天然状态下单位体积的质量,它影响土的承载力、土压力及边坡的稳定性.土的干密度是指单位体积中固体颗粒的质量,它是用以检验土压实质量的限制指标.土的含水量W一一是土中所含的水与

4、土的固体颗粒间的质量比,以百分数表示:(1.1)Gi含水状态时土的质量；G2土烘干后的质量. 土的含水量影响土方施工方法的选择、边坡的稳定和回填土的质量； 土的含水量超过2530%,那么机械化施工就困难,容易打滑、陷车； 回填土那么需有最正确含水量方能夯压密实,获得最大干密度.见教材表1.2土的渗透性一一是指水在土中渗流的性能,一般以渗透系数K表示.渗透系数K值将直接影响降水方案的选择和涌水量计算的准确性.一般土的渗透系数参考值见教材表1.3土的可松性一一即自然状态下的土,经过开挖后,具体积因松散而增加,以后虽经回填压实,仍不能恢复其原来的体积.土的可松性用可松性系数Ks表示.土的可松性对土方

5、量的平衡调配,确定运土机具的数量及弃土坑的容积,以及计算填方所需的挖方体积等均有很大的影响.不同分类的土的可松性系数可参考教材表1.41.4场地设计标高H0确实定场地设计标高是进行场地平整和土方量计算的依据,也是总图规划和竖向设计的依据.合理地确定场地的设计标高,对减少土方工程量、加速工程进度、降低工程造价有着重要的经济意义.确定场地设计标高应结合各类影响因素反复进行技术经济比拟,选择一个最正确方案.1.4.1 Ho确实定原那么： 满足生产工艺和运输的要求； 充分利用地形,分区或分台阶布置,分别确定不同的设计标高； 考虑挖填平衡,弃土运输或取土回填的土方量最少； 要有合理的泄水坡度(呈2%),

6、满足排水要求； 考虑最高洪水位的影响.1.4.2 Ho确实定步骤按填挖平衡原那么确定场地设计标高,先计算出Ho;场地设计标高的调整(考虑土的可松性、工程余土或用土、场地泄水坡度的影响),计算出Hn；求各方格角点的施工高度hn；绘出零线；计场算地挖、填土方量.1.4.3 Ho确实定方法方格网的划分一般1050m,常用20m、40m；方格网角点高程可采用水准仪实地测量或利用地形图的等高线用插入法求得；按挖填平衡确定设计标高Ho的实用公式为：1LLLLH0=(H+2H2+3ZH3+4ZH4)(1-13)4n以P9页图1.14为例讲解1.4.4场地设计标高Ho的调整：按以上步骤求得的Ho仅为一理论值,

7、还应考虑以下因素进行调整,求出Ho： 土的可松性影响一一填方因土的可松性引起的填方体积增加； 考虑工程余土或工程用土,相应提升或降低设计标高； 场内挖方和填方的影响一一从经济观点出发,安排的挖方就近弃土和填方就近场外取土,引起的挖填土方量的变化；1.4.4.1 土的可松性影响1.4.4.2 场内挖方和填方的影响1.4.4.3 场内泄水坡度的影响任意点的设计标高Hi为：H,=%此乩(1-21)各角点的施工高度hi为：hj=Hi,-Hj(1-22)1.5 土方工程量的计算与调配1.5.1 土方工程量的根本方法：有平均高度法和平均断面法1.5.1.1 平均高度法四方棱柱体法：将施工区域划分为假设干个

8、边长等于a的方格网,每个方格网的土方体积V等于底面积a2乘四个角点高度的平均值,即：2V=(h1+h2+h3+h4)(1-14)4三角棱柱体法：将每一个方格顺地形的等高线沿对角线划分为两个三角形,然后分别计算每一个三角棱柱体的土方量.略1.5.1.2 平均断面法基坑、基槽、管沟、路堤的土方量计算可采用平均断面法.即：(1-13)V(F14FoF2)6角点编号1.5.2 场地平整土方量的计算-0.72求各方格角点的施工高度hn43.24自然地面标高Hi42.52设计标高Hihi=Hj-Hj假设hi为正值那么该点为填方,hi为负值那么为挖方.绘出“零线“零线位置确实定：在方格网中找出边线两端施工高

9、度有“+“的“零点,将两“零点连接起来即为“零线零点的位置按下式计算:hix1-ahih2h2x2-ahih2式中xi、x2角点至零点的距离mhi、h2相邻两角点的施工高度m,均用绝对值;a方格网的边长m;计算场地挖、填土方量便可按平均高度法计算“零线求出,也就划出了场地的挖方区和填方区,各方格的挖、填土方量了.计算各挖、填方调配区之间的平均运距先按下式求出各挖方或填方区土方重心坐标Xo、Yo：=2；y0=“Vi、Vi(1.27)式中xyii块方格的重心坐标；Vii块方格的土方量.那么填、挖方区之间的平均运距Lo为：0=,淅-xw*淅-yw1.28式中XOT、yOT填方区的重心坐标；Xow、y

10、ow挖方区的重心坐标.在实际工作中,亦可用作图法近似地求出调配区的形心位置O代替重心坐标,用比例尺量出每对调配区的平均运距.1.6 土方调配1.6.1 土方调配区的划分原那么：力求挖填平衡、运距最短、费用最省,考虑土方的利用,以减少土方的重复挖填和运输.1.6.2 土方调配的步骤：划分调配区绘出零线一计算调配区之间的平均运距即挖方区至填方区土方重心的距离一确定初始调配方案一优化方案判别一绘制土方调配图表.1.6.3土方调配的方法：下面以教材P11页的例子采用“表上作业法进行土方调配：用“最小元素法编制初始调配方案步骤1:将土方数及平均运距填入表中；步骤2：选定一个最小运距C43开始确定其土方调

11、配数,并使调配数X43尽可能大；无土方调入的区打X；步骤3:按运距由小至大依次按步骤2的方法进行,就得到表1.8的初始方案计算结果.最优方案的判别步骤1:引入假想价格系数Cij,有调配土方的Cij=Cij,将数据填入表格1.8中；步骤2:按任一矩形的四个方格内对角线上的Cij之和相等公式1-23计算无调配土方的Cij,也将数据填入表格1.8中；步骤3:引入检验数%=Cj-Cj即将无土方调配的方格右边两小格上下数字相减,出现负数就说明初始方案不是最优方案,需要进一步调整.方案的调整步骤1:选定一个负检验数入12对应的变量X12作为调整对象；步骤2:找出X12的闭回路；步骤3：在奇数次转角点的数字

12、中找出一个最小的X32的100将其调入X12中；步骤4:将闭回路上其它的奇数次转角点的数字都减去100,偶数次转角点的数字都加上100,使得填挖方区的土方量仍保持平衡.见表1.12.2土方工程施工要点2.1 土方边坡合理地选择基坑、沟槽、路基、堤坝的断面和留设边坡,是减少土方量的有效举措.H11土万边坡坡度=-=1-25BB/Hm式中m=b/h,称为坡度系数.其意义为：当边坡高度为h时,其边坡宽度那么等于mho既要保证土体稳定和施工平安,又要节省土方临时性挖方边坡应按使用时间临时或永久性、土的种类、土的工程性质、水文情况确定,表1.5和1.6仅供参考,工作实践中应查阅专业的施工手册；挖方中有不

13、同土层,且深度较大时8m以上,其边坡可做成折线形或台阶形,以减少土方；永久性挖方或填方边坡那么应按设计要求施工.2.2土壁稳定2.2.1 影响边坡坡度的因素有： 挖填高度一一高度大那么坡度系数大,高度小那么坡度系数小,甚至不放坡； 土的工程性质一一土的类别、含水量,有无地下水等.土的类别低密度小、含水量大,那么坡度系数大；土的类别高密度大、含水量小,那么坡度系数小； 施工的特点一一坡顶是否有荷载？施工期长短？施工季节？人工作业还是机械作业？应对坡顶有荷载尤其是有动荷载、使用时间长、且跨越冬雨季施工的边坡留有充足的平安系数.土壁的稳定主要是由土体内磨擦阻力和粘结力来保持平衡的.一但土体失去平衡,

14、土体就会塌方,这不仅会造成人身平安事故、影响工期,有时还会危及附近的建构筑物.2.2.2 造成土壁塌方的原因：边坡过陡；雨水、地下水渗入基坑；基坑上口边缘堆载过大；土方开挖顺序、方法未遵守“从上至下、分层开挖；开槽支撑、先撑后挖的原那么.2.2.3 防治塌方的举措：放足边坡； 设置支撑；见教材P14-17页表1.13; 做好施工排水,预防产生流砂现象； 对可能产生滑坡的地段,不宜在雨期挖方,并应遵循先整治后开挖和由上至下的开挖顺序,严禁先切除坡脚或在滑坡体上弃土； 基坑边坡有危岩、孤石、崩塌体等不稳定的迹象时要先做妥善处理. 边坡稳定：开挖后对软土土坡和极易风化的软质岩石边坡,应对坡脚、坡面采

15、取喷浆、抹面、嵌补、砌石等保护举措,并作好坡顶、坡脚排水； 挖方上边缘至土堆坡脚的距离：应根据挖方深度、边坡高度和土的类别确定,当土质枯燥密实时不小于3米,当土质松软地不小于5米.应在土堆坡脚设置排水沟,预防雨水流入挖方场地.2.2.4 边坡开挖场地边坡开挖应采取沿等高线自上而下、分层、分段依次进行.在边坡上采取多台阶同时进行开挖时,上台阶应比下台阶开挖进深不少于30米,以防塌方；边坡台阶开挖,应作成一定坡势以利泄水.边坡下部设有护脚及排水沟时,在边坡修完后,应立即进行护脚矮墙和排水沟的砌筑和疏通,以保证坡面不被冲刷和坡脚范围内不积水.2.2.5 基坑槽和管沟开挖基坑开挖,上部应有排水举措,预

16、防地表水流入坑内冲刷边坡,造成塌方和破坏基土；基坑开挖,应进行测量定位、抄平放线,定出开挖宽度,根据土质和水文情况确定在四侧或两侧、直立或放坡开挖,坑底宽度应注意预留施工操作面；应根据开挖深度、土体类别及工程性质等综合因素确定保持土壁稳定的方法和举措；基坑开挖的一般程序：测量放线-切线分层开挖-排降水-修坡-整平-留足预留土层等.相邻基坑开挖时应遵循先深后浅或同时进行的施工程序,挖士应自上而下水平分段分层进行,每层30cm左右,边挖边检查坑底宽度及坡度,每3m左右修一次坡,至设计标高再统一进行一次修坡清底；基坑开挖应预防对根底持力层土壤的扰动,基坑挖好后不能立即进入下道工序,应预留15人工30

17、cm机械一层土不挖,待下道工序开始后再挖至设计标高,以预防基底持力层土壤被阳光曝晒或雨水浸泡；在地下水位以下挖土,应在基坑四侧或两侧设置排水沟或集水井,或考虑施工降水举措,降水工作应持续到根底施工完成；雨季施工时基坑槽应分段开挖,挖好一段浇筑一段垫层；弃土应及时运出,在基坑槽边缘上侧临时堆土、材料或移动施工机械时,应与基坑上边缘保持1m以上的距离,以保证坑壁或边坡的稳定；基坑挖完后,应组织有业主、设计、勘察、监理四方参与的基坑验槽,并报质监站验证.符合要求方可进入下一道工序.2.2.6土壁支护主要是撑、挡、拉、锚、固等手段支挡结构设计除进行强度计算外,一般还要进行整体稳定、抗倾覆、抗滑移和位移

18、验算.2.3施工排水和降水2.3.1 明排水法：采用截、疏、抽的方法.截：设置截水沟,截住水流；疏：疏通、排干积水；抽：在坑底设置集水井,沿坑底四周挖排水沟,使水流入集水井,然后用抽水机抽走.2.3.2 人工降低地下水位：原理：是在基坑开挖前,先在基坑周围埋设一定数量的滤水管井,利用抽水设备抽水,使地下水位降落到坑底以下,使基坑土壤始终保持枯燥状态,直至根底工程施工结束.降水施工前,应考虑降水影响范围内的已有建构筑物可能产生的附加沉降、位移,预防发生开裂、倾斜和倒塌,或引起地面塌陷,必要时应事先采取有效的保护举措.井点降水的作用分别用图表示 预防地下水涌入坑内； 预防边坡由于地下水的渗流而引起

19、的塌方； 使坑底的土层消除了地下水位差引起的压力,因此预防了坑底的管涌； 降水后,使板桩减少了横向荷载； 消除了地下水的渗流,也就预防了流砂现象； 降低地下水位后,还能使土壤固结,增加地基土的承载水平.人工降低地下水位的方法：有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点及深井泵井点等. 轻型井点设备：见教材P19页图1.20 轻型井点平面布置：P1920页图1.211.22 当基坑槽宽度小于6m降水深度不超过5m时,可采用单排井点； 当基坑槽宽度大于6m降水深度超过5m时,可采用双排井点; 当基坑面积较大时,那么应采用环型井点.轻型井点高程布置：井点管埋置深度h-h1hiL1-39hi井点管埋设面

20、至坑底面的距离m；h降低后地下水位至基坑中央底面的距离,一般为0.51mi水力坡度,环型井点为1/10,单排井点为1/4;图LE3二笔井点l井点管至基坑中央的水平距离m如H值小于降水深度6m时,可用一级井点；当一级井点达不到降水深度要求时,可采取二级井点.轻型井点的计算：轻型井点降水方案的设计内容主要是确定井点的数量、间距、井点设备的选择等.介绍教材P20页图1.24水井的分类其它井点 喷射井点适用于降水深度较大10m以上； 电渗井点适用于淤泥排水； 管井井点：沿基坑每隔2050m设置一个管井,每个管井用一台离心泵地面或潜水泵井内抽水,使用深井泵时降水深度可大于15m简单、经济,推荐使用轻型井

21、点、喷射井点、电渗井点的施工已陆续为专业施工队伍来承当,管井井点的施工那么仍由土建单位应用较多.2.3.3流砂的防治流砂现象：粒径很小、无塑性的土壤在动力水压推动下失去稳定,随地下水一起涌入坑内的现象称为流砂现象.危害：土完全失去承载力,流砂边挖边冒,土方开挖无法到达设计深度,极易引起土体塌方,严重者附近建筑物下沉、倾斜,甚至倒塌,拖延工期、增加费用.产生流砂的原因流砂现象经常发生在细砂、粉砂、亚砂土中,但是否发生流砂现象,那么取决于地下水及其产生的动水压力的大小.动水压力Gd为:Gd=I.=Lw(1.39)式中,I水力坡度(I=(h2)/L)；hi-h2水差;L地下水渗流长度；w水的重度.一

22、般当Gd丫(土的浮重)时,就会形成流砂现象.防治流砂的方法 枯水期施工工期不紧、丰水位和枯水位相差较大时可考虑 打板桩一一常用施工方法 水中挖土江中、湖中施工常用 人工降低地下水位一一常用施工方法,如井点降水 地下连续墙法一一造价稍高 抛大石块、抢速度施工已发生流砂时的抢险施工方法3 土方工程的机械化施工3.1 推土机施工推土机操纵灵活、运转方便、所需工作面小、行驶速度快,能爬300左右的坡,适用于场地平整、开挖深度1.5m左右的基坑、移挖作填、填筑堤坝、回填基坑和基槽土方、为铲运机助铲、为挖掘机清理集中余土和创造工作面,修路开道、牵引其它无动力土方施工机械,大马力推土机还可犁松坚岩.推土机以

23、切土和推运土方为主,推土经济运距在100m以内,效率最高的经济运距为4060m提升推土机生产效率的方法： 下坡推土：顺地面坡势沿下坡方向推土,可增大铲刀切土深度和运土数量,提升推土机水平和缩短推土时间,提升生产率约3040% 并列推土：大面积的施工区,可采用23台推土机并列推土,两铲刀相距1530cm可减少土的散失量而增大推土量,提升生产率约1530% 分批集中、一次推送：当运距较运又土质较坚硬时,宜采用屡次铲土,一次推送. 槽型推土：当土层较厚时,可利用前次推土的槽形推土,可减少土的散失,增大推土量.3.2 铲运机施工铲运机操纵简单、运转方便、行驶速度快、生产效率高,能独立完成铲土、运土、卸

24、土、填筑、压实等全部土方施工工序的施工机械.适用于坡度为200以内的大面积场地平整、大型基坑开挖、填筑路基堤坝.铲运机的斗容量为28n3,自行式铲运机的经济运距为8001500m拖式铲运机的经济运距为600m效率最高的经济运距为200350m如采用双联铲运或挂大斗铲运时,其经济运距可增加至1000m运距愈长、生产效率愈低,超过经济运距时应考虑汽车运输.3.2.1 铲运机的运行路线环形路线：在地形起伏不大、施工地段较短、填方不高1.5m的路堤宜采用环形路线.采用环形路线时,应每隔一定时间变换铲运机行驶方向,以免机械单侧磨损.“8字形路线：在地形起伏较大、施工地段狭长的情况下,宜采用“8字形路线.

25、这种运行路线的一个循环完成两次铲土和卸土,减少了转弯次数和空驶距离,铲运机在上下坡时是斜向行驶,坡度平缓,可缩短行驶时间,提升生产率.同时一个循环中两次转弯方向不同,铲运机机械磨损均匀.3.2.2 提升铲运机生产效率的方法 下坡铲土：利用机械重力的水平分力来加大切土深度并缩短铲时间. 挖近填远、挖远填近：挖土先从距离填土区最近一端开始,由近而远,填土那么从距挖土区最远一端开始,由远而近,既可使铲运机始终在合理的经济运距内工作,又可创造下坡铲土的条件. 推土机助铲：在较坚硬的土层中用推土机助铲,可加大铲刀切削力、切土深度和铲土速度.助铲间隙可兼作松土、平整工作. 双联铲运法：拖式铲运机的动力有充

26、裕时,可在拖拉机后串连两个铲斗进行双联铲运.对坚硬土层,可先铲满一个斗,再铲另一个斗,即双联单铲；对松软土层,可两个斗同时铲土,即双联双铲. 挂大斗铲运：在土质松软地区,可改挂大型土斗,以充分利用拖拉机的牵引力提升工效. 跨铲法：即预留土硬、间隔铲土.3.3 挖掘机施工挖掘机按行走方式分为履带式和轮胎式,按工作装置分有正铲、反铲、抓铲、拉铲,斗容量0.12.5m3,主要用于挖掘基坑、沟槽、清理和平整场地,更换工作装置后还可进行装卸、起重、打桩等其它作业,能一机多用,工效高、经济效果好,是工程建设中的常用机械.常用的挖掘机是正铲和反铲挖掘机.3.3.1 正铲挖掘机正铲适用于开挖含水量较小的一类土

27、和经爆破的岩石及冻土.主要用于开挖停机面以上的土方,且需与汽车配合完成土方的挖运工作.采用正铲开挖大型基坑,应考虑工作面的大小、形状和开行通道的设置.正铲的开挖方式正向开挖、侧向装土：即挖土机向前进方向挖土,汽车停在侧面装土.此法因挖土机卸土时回转角小、运输方便、生产效率高而应用较广.正向开挖、前方装土：挖土机向前进方向挖土,汽车停在后面装土.此法挖土工作面较大,但挖土机卸土时回转角大、汽车需倒车开入,运输不方便.只适用于基坑宽度较小、深度较大的情况.3.3.2 反铲挖掘机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,经济合理的挖土深度为35

28、ml反铲也需要配备运土汽车进行运输.反铲的外型如图1-46所示.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1-47a,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,如装车那么回转角度较小,但边坡不易限制图1-47b03.4 土方机械的选择按工程量大小、土质条件、工期要求、运距及场地来合理配备施工机械,实现机械化施工.如运距8001500米的大型土石方以铲运机为主；大型基坑整体开挖以正铲为主；小型基坑及管沟开挖以反铲为主；土方运距在1500米以上时以汽车运输为主；土质坚硬时,要配备大马力推土机或松土机；汽车运输要考虑装载机装

29、土等.4 土方的填筑与压实4.1 填土的要求4.1.1 土料要求填方土料应符合设计要求,设计无规定时应符合以下规定：碎石类土、砂土和爆破石渣粒径不大于每层铺厚的2/3,可用于表层以下的填料；含水量符合压实要求的粘性土,可用作各层填料；含有大量有机物的土壤、石膏或水溶性硫酸盐含量大于2%勺土壤、冻结或液化状态的土壤不能作填土之用.4.1.2 最正确含水量回填土含水量过大过小都难以夯压密实,当土壤在最正确含水量的条件下压实时,能获得最大的密实度.土壤的最正确含水量在专业的施工手册上能查找到土壤过湿时,可先晒干或掺入干土；土壤过干时,那么应洒水湿润以求取得较佳的含水量.4.1.3 分层厚度填方工程应分层铺土压实.分层厚度根据压实机具而定:压实机具每层铺土厚度mm每层压实遍数20030068羊足碾200350815振动压实机20035034柴油打夯机20025034人工打夯20034考前须知：斜坡上的土方回填应将斜坡改成阶梯形,以防填方滑动；填方区如有积水、杂物和软弱土层等,必须进行换土回填,换土回填亦分层进行；回填基坑和管沟时,应从四周或两侧分层、均匀、对称进行,以防根底和管道在土压力下产生偏移和变形.4.2 填土的压实方法碾压法：适用于大面积的场地平整和路基、堤坝工程,铺土厚度应均匀一致、碾压遍