湖南某大学土木工程施工讲义之土方工程（PPT）

1、土方工程本章主要学习内容 土的工程性质 场地平整的基本原则和设计标高的确定 土方调配的基本原则和土方量的计算 流砂现象产生的条件和原因及治理措施 轻型井点的平面和高程布置及计算 边坡的稳定性和支护方法 土方机械的功能和选择 填土的土质要求，影响压实的主要影响因素等。 1 概述 1.1 特点 面广量大、施工条件复杂、工期长。 1.2 土的工程分类 根据开挖的难易程度 松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚石。 根据颗粒级配与塑性指数 岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土。 1.3 土的工程性质 土的构成：固体颗粒、水和气体三部分。 （1）土的体积：V=Vw+Va+VsVv

2、+Vs （式中：Vw水的体积，Vs土颗粒的体积， Va气体体积，Vv孔隙的体积。） （2）土的质量：M=Mw+Ms （式中：Mw水的质量，Ms土颗粒的质量。） （3）土的密度：M/V（4）土的重度：g （式中：g重力加速度。） （5）土的干重度：d（Ms/V）g （6）饱和重度： sat（Mw+Ms+Vaw）/V g （7）有效重度:=sat-wg=sat-w 土重度的比较： satd（8）孔隙比：eVv/Vs*100% （9）孔隙率：nVv/V*100% 孔隙比和孔隙率之间的换算关系： en/(1-n) n=e/(1+e) （10）饱和度：St=Vw/Vv*100% （11）土的含水量：W=

3、Mw/Ms （注：分母为固体颗粒的质量而不是土的总质量。）（12）土的可松性： V2V3V1 土的最初可松性系数： 土的最后可松性系数： 注：KsKs1.0 （式中：V1自然状态下土的体积；V2开挖后的松散体积；V3回填压实后的体积。） 问 *分类级别越小的土则可松性就越小？ *可松性越小的土就越好挖？ 见表1掌握概念（13）土的渗透性 土体孔隙中的自由水在重力作用下会透过土体运动，这种被水透过的性质称为土的渗透性。 掌握概念单位时间渗水量：渗流速度：(H-水头差; L-渗流路径长度; A-土体横截面积) 土渗透性比较： 粘土粉土砂土砾石2 场地平整土方量计算与调配 场地平整主要包含三个步骤：

4、 场地设计标高的确定 场地初步设计标高的计算 场地设计标高的调整 土方量计算 确定零线挖填方的分界线 计算各区格土方量 计算挖方和填方总工程量 土方调配的规划1 场地设计标高的确定 （1）场地设计标高的确定原则： 主要考虑因素: 满足工艺和运输的要求 尽量利用地形，减少挖填方量 场地内挖、填方平衡，土方运输总费用最少 有一定的泄水坡度（0.002），满足排水要求，并考虑最大洪水水位的影响。挖、填土方量平衡关键 （2）初步计算场地设计标高21 34 方格网满足挖填方平衡的平均高度 （3）场地设计标高的调整 1）土可松性的影响 问：*土的可松性导致场地设计标高的提高？ *调整场地设计标高应采用最后

5、可松性系数？ 2）场内和场外挖、填土的影响 问：以下四个因素，哪些导致场地设计标高提高？ 设计标高以上的填方工程 设计标高以下的挖方工程 就近从场外挖土 就近弃土于场外小结：填土量大，场地设计标高提高； 挖土量大，场地设计标高降低。 3）泄水坡度对场地设计标高的影响注：设计无要求时，泄水坡度0.002。 2 土方量计算 1）计算各角点的施工高度 施工高度：“+”填；“-”挖 2）确定“零线” “零点”方格边界上施工高 度为0的点。 “零线”“零点”所连成的线。 问：* “零线”是否是挖填区的分界线？ * “零线”是否是一条连续的线？ * 假设场地无限大，“零线”是否封闭？ * 在一个场地上是否

6、会有多条“零线” ？ 3）计算方格网内的土方量 全挖全填 两个角点为挖，另两个角点为填： A. B. 一个角点为挖，另三个角点为填 A. B. 注：hi均为正值。4）计算场地边坡的土方量 坡度系数：m=b/h 3 土方调配 土方调配的原则 挖方和填方基本平衡，总运输量最小，即挖方量与运距的乘积之和尽可能最小。 近期施工和远期利用相结合。 分区调配和全场调配的协调，好土用于回填质量要求高的填方区。 尽可能与大型地下室结构的施工相结合，避免土方的重复挖、填 和运输。 案例场地平整土方量计算与调配步骤回顾计算场地设计标高调整场地设计标高确定零线计算各方格挖填土方量挖填方平衡划分网格根据土的可松性调整

7、根据泄水坡度调整等计算各角点施工高度后定零线土方调配 3 排水和降低地下水 主要内容：排除地面水和降低地下水 3.1 排除地面水 一般采用“疏”，“堵”，“挡”的办法。 “疏”设置排水沟； “堵”截水沟； “挡”修筑土堤。 3.2 降低地下水 主要方法：集水坑降水法和井点降水法。 3.1集水坑降水法（即明排水法）集水坑的设置要求 设置在基础范围以外，地下水走向的上游，以防止坑底的土颗粒流失。 直径或宽度：0.6-0.8m； 间距：20-40m。 深度：随挖土加深而加深， 低于挖土面0.7-1m，基坑底 面下1-2m。 构造：底部设300厚碎石滤 水层或100厚砾石上部100厚 粗砂。 主要抽水

8、设备 离心泵和潜水泵 集水坑降水 3.2 流砂及其防治 （1）流砂产生的条件 当土质为细砂或粉砂，又采用集水坑降水时，基坑一旦开挖到地下水位以下（约0.5米），坑底下的土有时会形成流动状态，随地下水一起涌入坑内，就形成流砂。重要概念后果： 施工条件恶化 地基完全丧失承载能力 附近建筑物沉降，倾斜。 流砂 （2）流砂形成原因 内因土质问题 均匀：颗粒级配中，土的不均匀系数小于5。 粘性差：土的颗粒组成中，粘粒含量10，粉粒含量75% 土松：天然空隙比0.75 水多：含水量30% 因此，流砂易在粉土、细砂、粉砂和淤泥土中发生。 外因与土重作用相反的动水压力 动水压力的性质： 作用方向与水流方向相同

9、； 与水力坡度和水头差成正比； 与渗透路径成反比。土的浸水容重动水压力 （3）管涌冒砂 定义基坑底位于不透水层，其下为承压蓄水层，当覆盖土的重力小于承压水的托力时，发生管涌冒砂现象。 （4）流砂的防治 原则：治砂必先治水 减小或平衡动水压力 强挖并抛大石块 水下挖土法 减小水位差，使动水压力作用方向向下 人工降低地下水位 截断地下水流。 设止水帷幕 加长渗透路径 打钢板桩 3.3 井点降水 （1）井点降水的类型和适用范围 在基坑开挖前，预先在基坑周围或在基坑内设置一定数量的滤水管（井），利用抽水设备从中抽水，使地下水位降至基坑以下并稳定后才开挖基坑。 （2）轻型井点设备 包括：管路系统和抽水设

10、备组成。 管路系统 包括：井点管、滤管、弯联管和总管等： 滤管3850， L=120mm钢管，上开直径为 1219的透水孔。 井点管直径为3850， L=57m 的无缝钢管，一般长 度为6m。 总管直径为100127， L=4m的无缝钢管，每隔0.8 或1.2m有一个连接孔。 弯连管一般用钢管，塑 料管，常用塑料管。 井点管总管弯连管轻型井点降水系统（2）轻型井点设备 抽水系统抽水原理 地下水（气）在真空度的作用下，进入水气分离器，然后水由抽水机抽出，气由真空泵抽出，不断循环，从而降低地下水位。 设备 真空泵、抽水机、水气分离器等。真空泵离心泵浮筒 （3） 轻型井点布置 一般按照：单排、双排、

11、环形布置。 1）单排井点布置中部地下水上游大于基坑宽透水层6m降水6m降水5m轻型井点降水现场 真空泵3）二级轻型井点 南京*湖隧道施工城墙侧湖底段采用围堰挡水，二级轻型井点降水，辅以管井井点降水，放坡大开挖，挂网喷浆护坡。 第一级第二级 (4)轻型井点计算 主要计算内容：基坑涌水量（Q）、井点管数量(n)、 井距（D）等。 1)井的形式 掌握概念2）涌水量的计算 单井涌水量的计算达西线性渗透定律 涌水量=渗透系数过水断面积水力坡度 即：Q=KAI 对于无压完整井： 式中：H含水层厚度（m）；h井内水深（m） R抽水影响半径（m）；r水井半径（m）； S水井内水位降低值，SH-h。A圆柱表面积

12、群井x0 Rrx0 单井R群井涌水量的计算对于无压完整群井：环状轻型井点 假想半径0 有效影响深度无压非完整群井涌水量 完整井的公式 非完整井的公式注：H0H3）井点管数量（n）和间距（D）的确定 式中：q单根井点管最大出水量； d滤管直径。避免相邻井点管相互干扰问：渗透系数小，则井点管间距小？ 井点管间距越小，则降水效果越好？ 若计算结果D15d（应增大q，减小n，增大D，以满足D15d）（5）轻型井点抽水设备的选择 真空抽水设备：W5、W6 W5型：总管长度不大于100m W6型：总管长度不大于120m 真空泵抽水过程中的最低真空度 式中：h降水深度（m）； h水头损失，近似取1-1.5m

13、 射流泵设备 QJD-60、QJD-90、JS-45其排水量分别为：60m3/h,90m3/h,45m3/h,总管长度不大于50m。水泵 一般选用单级离心泵，其型号根据流量、吸水扬程、与总扬程确定。 水泵的流量应比基坑涌水量大10%-20%，水泵的吸水扬程，要大于降水深度和各项水头损失之和，总扬程应大于吸水扬程与出水扬程之和。 多层井点系统中，下层井点的水泵应比上层井点的总扬程要大，以免中途接力。 一般一台真空泵配一台水泵作业，当土的渗透系数和涌水量较大时，也可采用两台水泵。（6）轻型井点的施工 施工内容包括：准备工作、井点系统埋设、 使用与拆除。 准备工作 材料准备（井点设备、施工机具、动力

14、、水源、砂滤料等）； 排水沟的开挖； 标高观测及防止沉降的措施； 设置水位观测孔。 井点埋设 挖井点沟槽 排放总管 埋设井点管 用弯连管与总管相连，安排抽水设备，试抽水。井点管埋设的方法冲水管冲孔 钻孔 直接利用井点管水冲下沉； 以带套管的水冲法或振动水冲法成孔后沉设井点管。 每根井点管沉没后应检验其渗水性能：井点管与孔壁之间填砂滤料时，管口应有泥浆水冒出，或向管内灌水时，能很快下渗。 第一组井点系统安装完毕后应进行抽水试验，检查管路接头质量、井点出水状况、抽水设备运转情况等。 降水过程中应对建筑物进行沉降观测，必要时采取防护措施 4 土方边坡和支护 土壁稳定主要依靠土体的抗剪强度来维持平衡。

15、 土体抗剪强度来源于土体的内摩擦力和粘结力（内聚力）。 土体塌方的本质剪应力抗剪强度 其主要原因开挖过深、土质较差、放坡太小，水的侵入以及支护较弱等综合原因。 防止土体塌方的主要措施放坡及支撑等。 4.1 土方边坡坡度和边坡稳定 1）土方边坡 即放坡宽度b=坡度系数m开挖深度h 确定坡度的大小应考虑：土质情况、包括地下水、开挖深度、使用情况（堆载）、使用时间等。2）边坡稳定 边坡稳定抗剪强度剪应力 土体塌方剪应力抗剪强度 剪应力的增加外力 边缘堆土或机械； 水侵入边坡，使土的含水量增加； 地下水产生的动水压力； 土体内水的静压力等。 抗剪强度降低外因转换为内因 由于受风化作用使土质变松； 土受

16、地下水的侵蚀而产生润滑作用； 饱和细，粉沙受振动而液化。 4.2 基坑无支护开挖 常用于深度不大且土质较好的基坑，应是施工条件允许时首选的开挖方式。无支护开挖 直立壁开挖 放坡开挖天然自立边坡开挖 人工加固边坡开挖深度5m 无支撑边坡 4.3 人工加固边坡 为保护土质边坡的稳定、坚固，常对开挖坡面采取一定的加固措施进行护坡。 常用的边坡加固方法 水泥砂浆抹面、浆砌片石护坡、堆置砂(土)包护坡、塑料膜覆盖，喷浆或挂网喷射混凝土等。经以上边坡加固方法处理过的边坡即称为人工加固边坡。 水泥砂浆抹面常用于保护易风化的软质岩石、老粘性土及破碎岩石边坡坡面的稳定，一般作3050mm厚水泥砂浆抹面。如用于一

17、般土质边坡，常沿坡面打入双向间距1.0m左右长11.5m的级螺纹钢筋(直径1016mm)以加强砂浆面层与坡面土体的连结。 浆砌片石护坡对各种土质或岩石边坡，为防止风化剥落或滑坍，可采用浆砌片石护坡，坡度应小于 10.5，竖直边坡也可采用红砖砌筑。也可在坡脚处砌筑一定高度的浆砌片石或红砖墙，用于反压及挡土。 叠置砂(土)袋护坡对已发生或将要发生滑坍失稳或变形较大的边坡，常用叠置砂袋或土袋(草袋或土工织物袋)，置于坡脚或坡面，具有排水反压，抗滑稳定的作用。 塑料薄膜覆盖护坡在坡面铺设抗拉或防水的塑料薄膜(土工布)，其上覆盖素土、砂土、砂浆抹面等，对坡面进行防水、防风化、防坡面土流失的加固处理。 4

18、.4 土壁支护 工程特点、开挖深度 采用土壁支护应根据 地质条件、地下水位 临近建筑物的情况 施工方法 要求：牢固可靠；经济合理；确保安全 钢（木）支撑 板桩 常用方法： 灌注桩 深层搅拌桩 地下连续墙 （1）板桩支护 作用连续板桩既可挡土，又可挡水。当开挖的基坑较深，地下水位较高且有可能发生流砂时，如果未采用井点降水方法，则宜采用连续板桩支护结构 类型：木板桩；钢筋混凝土板桩；钢板桩等。 1）钢木混合式板桩 适用埋深较浅的黏土，沙土层，地下水位较浅； 注意-软土地基要慎用。2)工字钢(H型钢)衬板支护结构适用于粘性土、砂土等土质较好且地下水位较低的基坑，水位高时要先降水。在软土地基中要慎用，

19、卵石地基中较难施工。 挖深25m。 传力机理： 土的侧压力衬板工字钢桩导梁（或顶撑或拉锚）。3）钢板桩支护 由带锁口或钳口的热轧型钢制成，既能挡土又能挡水。适用于较弱地基土及地下水位较高，水量较多的深基坑工程，在砂砾及密实砂土中施工困难。 挖深15m。问：哪个截面刚度最大，哪个最小？最小最大4）钢板桩支护 特点打设方便，重复使用，承载力大，既可挡土，又可挡水等； 分类 无锚板桩(悬臂式板桩)悬臂长度一般不超过5m； 有锚板桩-板桩上部用拉锚或顶撑加以固定,又分为单锚和多锚，常用单锚板桩。 单锚板桩设计要素：入土深度、截面弯距、锚杆拉力。 主要破坏形式：入土深度不够本身强度、刚度不够拉锚承载力或

20、长度不够5）钢筋混凝土板桩传统支护结构，企口榫接有较好防水作用。厚可达500mm，总费用低。已向薄壁工字形方向发展大截面如500500mm以上，壁厚100120mm，腹板预制后在现场浇成整体。在两工字形板桩间钻孔注浆堵漏。 挖深10m。 适用软土、一般粘性土。（2）灌注桩支护结构应用日趋广泛。可在平面上采取不同的排列方式形成桩墙式支护结构，以抵抗不同条件下侧向水、土压力。一般桩顶设置连续的钢筋混凝土压顶地圈梁(帽梁)，使支护桩共同工作，提高整体性。 1）稀疏排桩仅挡土,不可挡水 应采取可靠降水措施以防止管涌和流砂现象发生。 2）稀疏排桩加水泥砂浆抹面可挡土、挡水 稀疏排桩间距S较大时用。桩净距

21、一般1.0m以内，以0.60.8m为宜。基坑挖土、钢丝网水泥砂浆抹面均分层施工。工程实例 *火车站综合楼地下室两层，采用稀疏排桩方案，挖深9m。 基坑支护 3）连续排桩 灌注桩连续排列。排列方式有多种，图中黑色桩为素混凝土桩，或砂桩注入砂浆、化学浆液等形成无筋桩。 问：能否既可挡土，又可挡水？挡水挡土4）双排式(或框架式)灌注桩支护仅挡土 灌注桩双排布置，用盖板连接形成门式刚架结构。5）连拱式支护结构仅可挡土 新型的大直径与小直径桩的组合结构，拱的矢高f=(1/41/2)L。 桩顶用钢筋混凝土圈梁(即盖板)相连接，基坑较深时可加12道横肋梁以增强拱截面的整体性，可省去内支撑或土层锚杆。6）挡土

22、与阻水组合排桩支护结构可分为深层搅拌桩、粉喷水泥搅拌桩和高压旋喷桩等，既可挡土又可止水，其中深层搅拌水泥土挡墙广泛用于软土地区（淤泥质土，地基承载力120kPa粘性土）的深基坑工程，挖深8m。（3）重力式水泥土挡墙格栅式水泥土挡墙构造要求 墙体纵向相邻拉结格构墙沿纵向的总厚度不应小于纵向长度的1/4； 挡墙的转角处宜采用圆弧形实墙(实体式)。 纵向墙体与拉结格构墙搭接均应不小于150mm，作为止水结构的纵向搭接应不小于200mm。 挡墙宽度一般取开挖深度的0.60.8倍，墙体在基坑底面下的嵌固深度取开挖深度的0.81倍。 根据基坑条件可做成变阶宽度和深度，也可成拱。 为加强整体性，挡墙可插入毛

23、竹(大头直径不小于100mm，长度4m左右)，墙顶应设置钢筋混凝土压顶(地圈梁)，厚度取200mm，配12200双层双向。 在可能的情况下，宜将压顶与基坑周围的混凝土路面或地面连成一体。（4）深层搅拌桩深层搅拌桩施工质量要求 桩位准确、桩体垂直 放线误差20mm 就位误差50mm 成桩误差100mm 水泥浆不得离析 水灰比0.4-0.6，水泥浆停置时间不超过2h，不得离析 确保水泥搅拌桩的强度与均匀性 搅拌下沉速度不超过0.7m/min 喷浆提升速度不超过0.5m/min 确保加固体的连续性 相邻桩间施工间隔不超过24h*市级机关33层住宅楼，地下室一层，挖深6m，采用水泥土搅拌桩支护技术。

24、工程实例 （5）土层锚杆 1）土层锚杆构造 锚头 一般由锚具、台座和腰梁等组成。 自由段 位于土体主动滑裂面内的部分。 由锚筋、隔离套、定位板(器)及水泥 砂浆等构成。定位板(器)一般用硬塑料或铁板 、钢筋等制成。 锚固段 位于土体主动滑裂面以外，由锚筋、定位器、锚固体构成。锚固段是用水泥砂浆或水泥浆将锚筋与土体粘结在一起的锚固体。锚头自由段锚固段 *电网调度中心土层锚杆支护工程实例土层锚杆2)土层锚杆的分类 类型普通锚杆；高压灌浆锚杆；预应力锚杆。 锚固段圆柱型、端部扩大头型和连续球体型。 c 圆柱型锚杆端部扩大头型适用于锚固于砂质土、硬粘土层且要求较高抗拔力。 连续球体型适用于锚固于淤泥土、淤泥质土土层，且要求较高抗拔力。3）土层锚杆的施工灌浆材料要求： 水泥砂浆：灰砂比1：11：2；水灰比0.380.45。 纯水泥浆：水灰比0.40.45。 （6）土钉墙支护结构 土钉墙由被加固土体、土钉群和喷射混凝土面板组成，形成一个以土挡土的类似重力式的挡土墙。全段锚固挡土墙土钉墙类型 土钉可分为：不注浆和钻孔注浆两种。 不注浆土钉 又分为打入型和射入型。 前者是用气动土钉