第一章土方工程教材

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北京火车站（1959年）CCTV新总部大楼水立方北京奥运场馆——鸟巢一、课程的研究对象及任务建筑施工？建筑施工技术是研究工业与民用房屋建筑施工技术的学科。建筑施工是指工程建设实施阶段的生产活动，是各类建筑物的建造过程，也可以说是把设计图纸上的各种线条，在指定的地点，变成实物的过程。它包括基础工程施工、主体结构施工、屋面工程施工、装饰工程施工等。施工作业的场所称为“建筑施工现场”或叫“施工现场”，也叫工地。研究对象建筑施工分为：建筑施工技术，建筑施工组织，建筑工程预算。建筑施工技术：是一门研究建筑工程施工中各主要工种工程的施工规律，施工工艺，技术和方法的学科。它包括：土方工程、地基处理与桩基础工程、砌体工程、钢筋混凝土工程、预应力混凝土工程、结构安装工程、防水工程、装饰工程建筑工程组织：工程概况、施工方案、施工进度计划、施工平面图主要措施等内容

《建筑施工技术》第一章土方工程常见土方工程分类：场地平整、基坑(槽)开挖、运输和填筑、施工排水、降水、土壁支撑等准备工作和辅助工作。

1.1土的分类及性质1.1.1土的工程分类

土的工程分类方法主要有二种，其中，按照土的开挖难易程度可分为八类，见表1-11.1.2土的基本性质在学习土的基本性质之前，让我们先来了解“土的组成”。1.1.2.1土的组成表1.1土的工程分类与现场鉴别方法土的分类

土的名称

可松性系数

现场鉴别方法

KSK’s一类土(松软土)砂，亚砂土，冲积砂土层，种植土，泥炭(淤泥)1.08～1.171.01～1.03能用锹、锄头挖掘

二类土(普通土)亚粘土，潮湿的黄土，夹有碎石、卵石的砂，种植土，填筑土及亚砂土

1.14～1.281.02～1.05用锹、锄头挖掘，少许用镐翻松

三类土(坚土)软及中等密实粘土，重亚粘土，粗砾石，干黄土及含碎石、卵石的黄土、亚粘土，压实的填筑土

1.24～1.301.04～1.07要用镐，少许用锹、锄头挖掘，部分用撬棍

四类土(砂砾坚土)重粘土及含碎石、卵石的粘土，粗卵石，密实的黄土，天然级配砂石，软泥灰岩及蛋白石

1.26～1.321.06～1.09整个用镐、撬棍，然后用锹挖掘，部分用楔子及大锤

土的分类

土的名称

可松性系数

现场鉴别方法

KSK’s五类土(软石)硬石炭纪粘土，中等密实的页岩、泥灰岩、白垩土，胶结不紧的砾岩，软的石炭岩

1.30～1.451.10～1.20用镐或撬棍、大锤挖掘，部分使用爆破方法六类土(次坚石)泥岩，砂岩，砾岩，坚实的页岩，泥灰岩，密实的石灰岩，风化花岗岩，片麻岩1.30～1.451.10～1.20用爆破方法开挖,部分用风镐七类土(坚石)大理岩，辉绿岩，玢岩，粗、中粒花岗岩，坚实的白云岩、砂岩、砾岩、片麻岩、石灰岩，风化痕迹的安山岩、玄武岩

1.30～1.451.10～1.20用爆破方法开挖

八类土(特坚硬石))安山岩，玄武岩，花岗片麻岩，坚实的细粒花岗岩、闪长岩、石英岩、辉长岩、辉绿岩、玢岩1.45～1.501.20～1.30用爆破方法开挖1.1土的分类及性质土的组成-土颗粒，水，空气

m——土的总质量（m=ms=mw）(kg);m＇s——土中固体颗粒的质量（kg）;m＇w——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)；Vv——土中孔隙体积（Vv=Va+Vw）(m3)；

1.1土的分类及性质1.1.2.2土的物理性质

1.土的可松性与可松性系数最初可松性系数：KS=V2/V1；最终可松性系数：K‘S=V3/V1。2.土的天然含水量：ω=mw×100%/ms3.土的天然密度和干密度土的天然密度：ρ=m/V；土的干密度：ρd=ms/V

4.土的孔隙比和孔隙率孔隙比：e=Vv/Vs；孔隙率：n=Vv×100%/V

5.土的渗透系数： 土的渗透性系数表示土中的水在单位水力坡度作用下，单位时间内渗透的距离，即：K=v/i

。其取值见表1-2（1）土的可松性系数

土的可松性：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，土的这种性质称为土的可松性。土的可松性用可松性系数表示，即式中KS、KS′——土的最初、最终可松性系数；

V1——土在天然状态下的体积，m3；V2——土挖出后在松散状态下的体积，m3；V3——土经压(夯)实后的体积，m3。(1.1)(1.2)土的最初可松性系数KS是计算车辆装运土方体积及挖土机械的主要参数；土的最终可松性系数是计算填方所需挖土工程量的主要参数，各类土的可松性系数见表1.1所示。

两个系数的关系土的含水量：土中水的质量与固体颗粒质量之比的百分率。

（2）土的含水量式中：m湿——含水状态土的质量，kg；m干——烘干后土的质量，kg；

mW

——土中水的质量，kg；

mS—固体颗粒的质量，kg。

土的含水量随气候条件、雨雪和地下水的影响而变化，对土方施工方法的选择，土方边坡的稳定性及填方密实程度有直接的影响。(1.3)土的天然密度:在天然状态下，单位体积土的质量。它与土的密实程度和含水量有关。土的天然密度按下式计算：

（3）土的天然密度和干密度

式中p——土的天然密度，kg/m3；m——土的总质量，kg；

V—

土的体积，m3。

(1.4)干密度:土的固体颗粒质量与总体积的比值，用下式表示：

式中ρd——土的干密度，kg/m3；

mS

——固体颗粒质量，kg；

V—

土的体积，m3。

在一定程度上，土的干密度反映了土的颗粒排列紧密程度。土的干密度愈大，表示土愈密实。土的密实程度主要通过检验填方土的干密度和含水量来控制。

(1.5)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。

（4）.土的孔隙比和孔隙率

（5）.土的渗透系数土的渗透性：指水在土体中渗流的性质。土的渗透性用渗透系数K表示。渗透系数：表示单位时间内水穿透土层的能力，K=v/i,表示单位时间内渗透的距离，以m/d表示；它同土的颗粒级配、密实程度等有关，是人工降低地下水位及选择各类井点的主要参数。土的渗透系数见表1.2所示。

表1.2土的渗透系数参考表

土的名称

渗透系数(m/d)土的名称渗透系数(m/d)粘土

＜0.005中砂

5.00～20.00亚

粘

土

0.005～0.10均质中砂

35～50轻亚粘土

0.10～0.50粗砂

20～50黄土

0.25～0.50圆

砾

石

50～100粉砂

0.50～1.00卵石

100～500细砂

1.00～5.001.2场地平整

场地平整：将天然地面改造成所要求的设计平面时所进行的土石方施工全过程。（厚度在300mm以内的挖填和找平工作）特点：工作量大、劳动繁重和施工条件复杂。施工准备：详细分析核对各项技术资料―实测地形图、工程地质、水文地质勘察资料；原有地下管道、电缆和地下构筑物资料；土石方施工图。1.2场地平整1.2.1确定场地平整后的设计标高确定场地设计标高时应考虑以下因素：①满足建筑规划和生产工艺及运输的要求；②尽量利用地形，减少挖填方数量；③场地内的挖、填土方量力求平衡，使土方运输费用最少；④有一定的排水坡度，满足排水要求；⑤要考虑最高洪水位的影响；⑥要与已有建筑标高相适应。计算场地平整的土方量：划分方格网；汇总。1.2.2场地平整施工准备——包含3项工作内容1）场地清理；2）排除地面水；3）测量放线；(1)

在场地平整施工前，应利用原场地上已有各类控制点，或已有建筑物、构筑物的位置、标高，测设平场范围线和标高。(2)对施工区域内障碍物要调查清楚，制订方案，并征得主管部门意见和同意，拆除影响施工的建筑物、构筑物，如旧房，古墓；拆除和改造通讯和电力设施、自来水管道、煤气管道和地下管道；迁移树木。(3)尽可能利用自然地形和永久性排水设施，采用排水沟、截水沟或挡水坝措施，把施工区域内的雨雪自然水、低洼地区的积水及时排除，使场地保持干燥,便于土方工程施工。排水沟的位置-施工场地的边缘，道路两旁。(4)对于大型平整场地，利用经纬仪、水准仪，将场地设计平面图的方格网在地面上测设固定下来，各角点用木桩定位，并在桩上注明桩号、施工高度数值,以便施工。(5)

修好临时道路、电力、通讯及供水设施，以及生活和生产用临时房屋。做好材料，机具及土方机械的进场工作。更具土方施工设计做好土方工程的辅助工作，如边坡稳定，基坑（槽）支护，降低地下水等。

一、施工机械简介

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，施工时应按照施工机械的特点正确选用，并按照现场条件选择正确的施工方法，以加快施工进度。

1.2.3土方工程的机械化施工

1、推土机施工分类

履带式推土机和轮胎式推土机特点

集铲、运、平、填于一身操作灵活、运转方便、速度快、能缓缓爬坡适用

场地平整、清理、平沟坑、挖浅基坑1一3类土、经济运距100米以内、效率最高为60米。作业方法

为了提高推土机的生产率，可采取下坡推土、并列推土如图所示、多刀送土和利用前次推土的槽推土等方法来提高推土效率，缩短推土时间和减少土的失散。

1）下坡推土

2）并列推土

2一3台机平排，增大推土量适用于大面积场地3）多刀送土多次铲土，一次推送，缩短运时，硬质土4）槽形推土一条作业线重复运行，增大推土量

借自重，增加推土能力适用于狭长场地

2、单斗挖土机施工正铲挖掘机外形(a)正向挖土、反向卸土(b)正向挖土、侧向卸土正铲挖土机卸土方式反铲挖掘机外形(a)沟端开挖

(b)沟侧开挖

抓铲挖掘机直上直下，自重切土拉铲挖掘机后退向下，自重切土

单斗挖土机在土方工程中应用较广，种类很多，按其行走装置的不同，分为履带式和轮胎式两类。单斗挖土机还可根据工作的需要，更换其工作装置。按其工作装置的不同，分为正铲、反铲、拉铲和抓铲等。按其操纵机械的不同，可分为机械式和液压式两类。

(1）正铲挖土机施工

1）特点及适用范围

正铲挖土机的挖土特点是：“向前向上，强制切土”。其挖掘能力大，生产率高，:于开挖停机面以上的一一三类土，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。

2）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，可分为正向挖土侧向卸土和挖土后方卸土两种。

正向挖土侧向卸土。挖土机沿前进方向挖土，运输工具停在侧面装土。正向挖土后方卸土。挖土机沿前进方向挖土，运输工具停在挖土机后方装土。在基坑窄而深时使用。

(2）反铲挖土机施工

1）特点及适用范围

反铲挖土机的挖土特点是：“后退向下，强制切土”。其挖掘力比正铲小，能开把面以下的一～三类土。

适用于挖深度为4m左右的基坑、基槽和管沟、下水的土壤或泥泞土壤。

2）开挖方式

反铲挖土机挖土时可采用沟端开挖和沟侧开挖两种方式。

3．铲运机施工

(1）特点及适用范围铲运机的特点是能综合完成挖土、运土、平土和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，在土方工程中常应用于大面积场地平整，开挖大基坑、沟槽及填筑路基、堤坝等工程。适宜于铲运含水量不大于27％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，当铲运三、四类较坚硬的土时，宜用推土机助铲或用松土机配合将土翻松0.2一0.4m，以减少机械磨损，提高生产率。常用的铲运机斗容量为2m3、5m3、6m3、7m3等数种

(2）铲运机的开行路线

铲运机的开行路线主要有环形路线和8字形路线开行两种形式。

自行式铲运机外形图

(3）铲运机施工方法

为了提高铲运机的生产率，除了合理确定开行路线外，还应根据施工条件选择施工方法。常用的施工方法有：下坡铲土—借自重跨铲法—形成土槽，增加铲量助铲法—与推土机协作作业

4．装载机施工装载机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。它具有操作轻便、灵活、转运方便、快速等特点。适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。压实机械

1、冲击式压实机械蛙式打夯机、内燃打夯机

碾压式压实机械自行式：光轮压路机、轮胎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：光面碾、羊足碾施工技术振动压实机械：手扶平板式主要用于小面积的地基夯实；振动压路机主要用于工程量大的大型土方工程

1.2场地平整4、土方机械的选择（1）当地形起伏坡度在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（一般在1km以内）时，采用铲运机较为合适。（2）地形起伏较大的丘陵地带，一般挖土高度在3m以上，运输距离超过1km，工程量较大且又集中时，有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，并在弃土区配备推土机平整土堆；

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。基槽开挖宽度的计算：

(1)不放坡，不加挡土板支撑(2)不放坡，但要留工作面

一般，当基槽(坑)底在地下水位以上时，每边留出工作面宽度为300mm(图1.31)，基槽放灰线尺寸为：

式中d——基础放灰线宽，mm；a——基础底宽，mm；

c—工作面宽(一般取300mm)1.3基坑（槽）开挖1.3.1确定开挖尺寸(3)留工作面并加支撑

当基础埋置较深，场地又狭窄不能放坡时，为防止土壁坍塌，必须设置支撑。此时，放灰线尺寸除考虑基础底宽、工作面宽外，还需加上支撑所需尺寸(一般为100mm)。(4)放坡

如果基槽深度超过《土方和爆破工程施工及验收规范》的规定时，即使土质良好且无地下水，亦需根据挖土深度和土质情况，参照表1.5放坡。放灰线尺寸为(图1.32)：式中b——放坡宽度，b=mh；m——坡度系数；h—基槽开挖深度。

基槽开挖深度的确定：根据设计基础埋深、已确定的室内地坪标高及地基持力层位置，进行综合分析确定。

土壁稳定，主要是由土体内摩阻力和粘结力保持平衡，一旦失去平衡，土壁就会塌方。造成土壁塌方的主要原因有：

边坡过陡，使土体本身稳定性不够，尤其是在土质差、开挖深度大的坑槽中，常引起塌方。雨水、地下水渗入基坑，使土体重力增大及抗剪能力降低，是造成塌方的主要原因。基坑(槽)边缘附近大量堆土，或停放机具、材料，或由于动荷载的作用，使土体产生的剪应力超过土体的抗剪强度。

1.3.2保证边坡稳定的措施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。

土的类别

坡顶无荷载坡顶有静载坡顶有动载中密的砂土1：1001：1.251：1.50中密的碎石类土(充填物为砂土)

1：0.751：1.001：1.25硬塑的轻亚黏土

1：0.671：0.751：1.00中密的碎石类土(充填物为黏性土)1：0.501：0.671：0.67硬塑的亚粘土、黏土

1：0.331：501：0.67老黄土1：0.101：0.251：0.33

软土(经井点降水后)1：1.00——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

土的类别边坡坡度(高：宽)砂土(不包括细砂、粉砂)1:1.25~1:1.5一般粘性土坚硬硬塑软1:0.75~1:11:1~1:1.251：1.50或更缓碎石类土充填坚硬、硬塑粘性土充填砂土1:0.5~1:11:1~1:1.52.土壁支撑

在开挖基坑、沟槽时，为了缩小施工面，减少土方量或因场地限制不能放坡时，可以设置土壁支撑的施工方法。

（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1－12a),垂直挡土板(图1－17b)两类；

2）适用范围：开挖较窄的沟槽多用横撑式支撑。

（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。（1）土钉支护的构造和特点(2)土钉支护的作用机理基坑开挖的边坡中应用土钉，可形成复合土体，浆体和土体粘结形成复合土体的骨架，骨架起约束土体变形的作用，在复合土体内，土钉和土体共同承受外荷载和自重应力；(3)土钉支护的施工工序为定位、成孔、插钢筋、注浆、喷射混凝土。2.土钉支护基坑与基槽土方量计算

基坑土方量可按立体几何中拟柱体(由两个平行的平面作底的一种多面体)体积公式计算(图1.1)。即式中H——基坑深度，m；A1、A2——基坑上、下底的面积，m2；

A0

—基坑中截面的面积，m2。1.3.3计算土方量基槽土方量计算可沿长度方向分段计算(图1.2)：

式中V1——第一段的土方量，m3；

L1

—第一段的长度，m。

将各段土方量相加即得总土方量：

1.3.4定位放线1.3.4.1测设轴线控制桩1.3.4.2测设龙门板1.3.4.3基坑（槽）开挖的抄平放线1.3基坑（槽）开挖1.3.5基坑（槽）开挖施工

在软地区开挖基坑（槽）时，尚应符合下列规定—（6条）

深基坑一般采用“分层开挖，先撑后挖”的开挖原则，图1-25为某深基坑分层开挖的实例。

1.3.6验槽1.4基坑施工排水与降低地下水位1.4.1明排水法明排水法由于设备简单和排水方便，采用较为普通，但用该法降水，基坑底易出现流砂现象。防治流砂的措施：⑴抢挖法⑵打板桩法⑶水下挖土法⑷人工降低地下水位⑸地下连续墙法1.4基坑施工排水与降低地下水位1.4.2人工降低地下水位人工降低地下水位的方法有：轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点及深井泵等。而轻型井