第一章土方工程

第一章土方工程学习要点土方工程是建筑工程施工中主要分部工程之一，任何一项建筑工程施工都是从土方工程开始的。主要内容：土的分类及工程性质、土方量计算、填土压实方法、深基坑施工、施工辅助工作、土方机械化施工及土方工程质量验收；学习重点：土方工程量计算、填土压实的质量检查、井点降水；学习难点：深基坑边坡稳定及支护结构。学习要求:了解土的分类及其工程性质；掌握基坑(槽)、场地平整土石方工程量的计算方法；了解土壁塌方和发生流砂现象的原因及防止方法；熟悉常用土方施工机械的特点、性能、适用范围及提高生产率的方法；掌握回填土施工方法及质量检验标准；掌握人工降低地下水位方法及轻型井点降水设计。1.2土方工程量计算1.3施工准备与辅助工作1.5基坑(槽)施工1.4土方机械化施工1.6填土与压实1.7地基局部处理1.8质量标准及安全技术本章作业End本章内容1.1概述根据土方工程的施工内容与方法不同，土方工程分类有以下几种：场地平整将天然地面改造成设计要求的平面，其土方工程施工面积大，土方工程量大。基坑（槽）开挖基坑（槽）开挖指开挖宽度在3m以内，长宽比不小于3的基槽或长宽比小于3、底面积在20m2以内的基坑进行的土方开挖工程。基坑（槽）回填基础完成后，应分层回填，且保证回填土具有一定的压实密度，以避免建筑物产生不均匀沉降。1.1概述1.1.1土方工程分类工程量大，施工工期长，劳动强度高；施工条件复杂，又多为露天作业，受地区气候条件、地质和水文条件的影响很大，难以确定的因素较多；受场地限制，土方的开挖与土方的留置、存放都受到施工场地限制，特别是城市内施工，场地狭窄，周围建筑物多，限制尤为突出。1.1.2土方施工特点土的种类繁多，其分类方法也很多，如按土的沉积年代、按颗粒级配、按密实度、按液性指数分类等(见补充的相关土力学知识)。在建筑工程施工中，按土的开挖难易程度将土分为八类：松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚硬石等八类。土的工程分类与现场鉴别方法见表1.1所示。1.1.3土的分类与鉴别表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KSKs‘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KSKs‘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(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用爆破方法开挖土的含水量：土中水的质量与固体颗粒质量之比的百分率。1.1.4土的工程性质1.1.4.1土的含水量-100%100%wsmmmWmm干湿干式中：m湿——含水状态土的质量，kgm干——烘干后土的质量，kgmW——土中水的质量，kgmS—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，对土方边坡的稳定性及填方密实程度有直接的影响。(1.1)通常情况下，w≤5%的为干土；5%w≤30%的为潮湿土；w30%的为湿土。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：1.1.4.2土的天然密度和干密度mV式中：ρ——土的天然密度，kg/m3m——土的总质量，kgV——土的体积，m3。(1.2)干密度:土的固体颗粒质量与总体积的比值，用下式表示：sdmV式中：ρd——土的干密度，kg/m3mS——固体颗粒质量，kgV——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。(1.3)1.1.4.3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21sVKV'31sVKV式中：KS、KS′——土的最初、V1——土在天然状态下的体积，m3V2——土挖出后在松散状态下的体积，m3V3——土经压(夯)实后的体积，m3。(1.4)(1.5)土的最初可松性系数KS是计算开挖工程量、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土方调配、回填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。例题【例1.1】已知某基坑体积V=581.3m3，土的KS=1.20，KS’=1.10。挖出土装载量为4m3/每车的汽车运走，求所需车次。【例1.2】某工程需回填土的体积为120m3，所取土的KS=1.20，KS’=1.03。求所取土的工程量。【例1.3】已知基坑体积2000m3，基础体积1200m3，土的最初可松性系数1.14，最后可松性系1.05,问应预留多少回填土（天然状态下）？需外运的土用装载量为5m3/每车的汽车运走，求所需车次？解：预留夯实土：2000-1200=800m3；预留原土：800/1.05=762m3；外运原土：2000-762=1238m3；外运松土：1238×1.14=1412m3;车次：1412/5=282.4需要283车次。作业1、某建筑物基坑土方体积为2881.9m3，在附近有个容积为1776m3弃土坑，用基坑挖出的土将大坑填满夯实后，还能剩下多少土？（KS=1.26，KS′=1.05）2、已知基坑体积为10841m3，基础体积为8690m3，则应留多少回填土（松散状态土）？若余土需外运，问外运的土方为多少方？如果用斗容量为3m3的汽车外运，需运多少车（已知土的最初可松性系数KS=1.14，最终可松性系数KS′=1.05）。1.1.4.4土的渗透性水力梯度：指实际液体流动的总水头沿程下降的坡度。I=Δh/L土的渗透性：指土体被水透过的性质。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，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。LΔh单位时间内水穿透土体的速度（V=KI）土的种类渗透系数(m/d)土的种类渗透系数(m/d)亚粘土、粘土＜0.1含粘土的中砂、纯细砂20～25亚粘土0.1～0.5含粘土的细砂、纯中砂35～50含亚粘土的粉砂0.5～10纯粗砂50～75纯粉砂1.5～5.0粗砂夹卵石50～100含粘土的细砂10～15卵石100～200表1.2土的渗透系数参考表1.1.4.5土的压缩性土的压缩性是指土在压力的作用下体积变小的性质。一般土的压缩率见表1.3土的类别土的名称土的压缩率每立方米松散土压实后的体积（m3）一～二类土种植土200.80一般土100.90砂土50.95三类土天然湿度黄土12～170.85一般土50.95干燥坚实黄土5～70.941.2土方工程计算在土方工程施工之前，通常要计算土方的工程量。但土方工程的外形往往很复杂，不规则，要得到精确的计算结果很困难。一般情况下，都将其假设或划分成为一定的几何形状，并采用具有一定精度而又和实际情况近似的方法进行计算。1.2.1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102(4)6HVAAA式中：H——基坑深度，mA1、A2——基坑上、下底的面积，m2A0—基坑中截面的面积，m2。(1.6)基槽土方量计算可沿长度方向分段计算(图1.2)1102(4)6LVAAA式中：V1——第一段的土方量，m3L1——第一段的长度，m。将各段土方量相加即得总土方量：12nVVVV(1.7)(1.8)11.2.2场地平整土方计算对于在地形起伏的山区、丘陵地带修建较大厂房、体育场、车站等占地广阔工程的平整场地，主要是削凸填凹，移挖方作填方，将自然地面改造平整为场地设计要求的平面。场地挖填土方量计算有方格网法和横截面法两种。横截面法是将要计算的场地划分成若干横截面后，用横截面计算公式逐段计算，最后将逐段计算结果汇总。横截面法计算精度较低，可用于地形起伏变化较大地区。对于地形较平坦地区，一般采用方格网法。初定标高（按挖填平衡）方法：将场地划分为每格边长10～40m，通常采用20m的方格网，找出每个方格各个角点的地面标高（实测法、等高线插入法）。aaaaaaH11H12H21H22计算角点地面标高插入法：根据地形图上所标的等高线，假定两等高线间的地面坡度按直线变化，用插入法求出各方格角点的地面标高，如图等高线44.0-44.5间角点4的地面标高H4。图解法：以等高线与方格边线交点为区域，画出垂直等高线的平行等分线，等分距离为方格边线上的相临两点高差。如图：H4=44.50-0.16=44.34米。:0.5:hxxl0.5,444.00hxxhhxl即：说明：x、L值用比例尺在图中量出。理想的设计标高，应该使场地内的土方在平整前和平整后相等而达到填挖平衡：H0na2=【a2（H11+H12+H21+H22）/4】则场地初定标高：H0=（H11+H12+H21+H22）/4nH11、H12、H21、H22——一个方格各角点的自然地面标高；n——方格个数。或：H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4nH1——一个方格所仅有角点的标高；H2、H3、H4——分别为两个、三个、四个方格共用角点的标高。调整场地初定标高按泄水坡度、土的可松性、就近借弃土等调整。按泄水坡度调整各角点设计标高：双向排水时，任意点点设计标高为：Hn=H0L•iHn=H0LxixLyiy单向排水时，任意点设计标高为:LyLxixiyH0LHnH0H0iHn【例1.4】某建筑场地方格网、地面标高如图,格边长a=20m。泄水坡度ix=2‰，iy=3‰，不考虑土的可松性的影响，确定方格各角点的设计标高。解：（1）初步设计标高（场地平均标高）H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4n=[70.09+71.43+69.10+70.70+2×（70.40+70.95+69.71+…）+4×（70.17+70.70+69.81+70.38）]/（4×9）=70.29（m）70.09（2）按泄水坡度调整设计标高：Hn=H0LxixLyiy；H1=70.29－30×2‰+30×3‰=70.32H2=70.29－10×2‰+30×3‰=70.36H3=70.29+10×2‰+30×3‰=70.40其它见图按土的可松性、就近借弃土等调整。考虑土的最终可松性，需要提高设计标高；考虑场外取土或弃土时，相应提高或降低设计标高。施工高度为角点设计地面标高与自然地面标高之差，是以角点设计标高为基准的挖方或填方的施工高度。各方格角点的施工高度按下式计算：nnhHH式中：hn——角点施工高度即填挖高度(以“+”为填，“-”为挖)，m；n—