22-2 土方工程

22-2土方工程土在冬期，由于遭受冻结，变为坚硬，挖掘困难，施工费用比常温期高，所以土方工程的冬期施工，必须在经济及技术条件上认为合理时，方可进行。22-2-1土的冻结土的冻结有它的自然规律，在整个冬期的冻结深度，在地表面无雪和草皮覆盖条件下的全年标准冻结深度H0可按下式估计：5.0728.00mTH（m）（22-1）式中ΣTm——低于0℃的月平均气温的累计值（取连续十年以上的年平均值），以正号代入。【例】根据气象资料查得某地低于。℃的月平均气温为：一月-20.2℃，二月-16℃，三月-6.2℃，十一月-6.9℃，十二月-17.1℃，试估计该地的全年冻结深度。【解】ΣTm＝20.2＋16＋6.2＋6.9＋17.1＝66.4℃依公式（22-1）得5.074.6628.00H=1.9m暴露在外界大气中的土冻结时，其冻结速度与外界气温有表22-3的规律，但这只是冻结初期的规律，当上层冻结以后，下面土由于有了上层冻结层的覆盖，传热阻发生变化，就不按照这个规律了。根据气温确定土的冻结速度表表22-3土的种类在下列气温条件下，接近最佳含水量时，土的冻结速度（cm/h）-5℃-10℃-15℃-20℃覆盖有积雪的砂质粉土和粉质粘土0.030.050.080.10没有积雪覆盖的砂质粉土和粉质粘土0.150.300.350.50基于土冻结的规律，冬期施工时必须周密计划，组织强有力的施工力量，进行连续不断的施工。一般来说，土方工程尽量安排在入冬之前施工较为合理。22-2-2土的防冻土的防冻应尽量利用自然条件，以就地取材为原则。其防冻方法一般有地面耕松耙平防冻、覆雪防冻、隔热材料防冻等，现分述如下：1．地面耕松耙平防冻法预定冬期施工的土方工程，土的防冻工作，必须在入冬前进行。其方法是在指定施工的部位，进入寒冻之前将表层土翻松耙平，其厚度宜为25~30cm，其宽度宜为开挖时冻结深度的两倍加基槽（坑）底宽之和。如图22-1所示。图22-1预防土冻结耕松耙平图1-天然雪层；2-地表面；3-耕松厚度250mm；4-耙平厚度150mm；5-拟挖掘的地槽轮廓；H--土的最大冻结深度在上述情况下，经过z昼夜后的冻结深度H可按下式计算：H＝α（4P－P2）（22-2）式中H——翻松耙平或粘土覆盖后的冻结深度（cm）；α——土的防冻计算系数，按表22-4选用；P——冻结指数，1000TtP；t——土体冻结时间（d）；T——土体冻结期间的室外平均气温（℃），以正号代入。土的防冻计算系数α表22-4地面保温的方法P值0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.52.0耕松25cm并耙平151617182022242628303030覆盖松土不少于50cm353637394144475155596060【例】某地为粘土，由11月7日开始冻结，于冻结前耕松地面25cm，并耙平之，11月的平均温度为-2.1℃，12月的平均温度为-8℃，试计算该地在1月1日的冻结深度。【解】11月冻结了30－6=24d，12月冻结了31d。11月tT＝24×2.1＝5112月tT＝31×8＝248ΣtT＝51＋248＝299P＝299/1000＝0.3从表22-4查得α＝17，代入公式（22-2）得该地在1月1日的冻结深度为：H＝17（4×0.3－0.32）＝19cm2．覆雪防冻法在积雪量大的地方，可以利用自然条件，覆雪防冻，效果很好。覆雪防冻的方法，通常有三种类型：第一种类型是利用灌木和小树林等植物挡风起涡旋存雪，这些植物应等到挖土开始之前再铲除，如图22-2。图22-2利用植物挡雪防冻第二种类型是在面积宽阔而又没有植物的地面上，可设篱笆或造雪堤以为积雪之用，设置时应使长边垂直于主要方向，其互相间的距离从10h到15h，h是篱笆或雪堤的高度，通常采用0.5~1m，如图22-3。图22-3设置篱笆或雪堤挡雪防冻第三种类型是在面积较小的地面，特别是拟挖掘的地沟面，若在土冻结之前，初次降雪后，即在地沟的位置上挖沟。深度为30~50cm，宽度与预计深度的两倍加基槽（坑）底宽之和。随即将雪填满，即可防止未挖掘的土冻结，如图22-4。图22-4挖沟填雪防冻H0-土的最大冻结深度3．保温材料防冻法面积较小的地面防冻，可以直接用保温材料覆盖，覆盖层的厚度h可按下列公式计算：h＝H/β（22-3）式中h——保温材料厚度（cm）；H——不保温时的土体冻结深度（cm）；β——各种材料对土体冻结影响系数，按表22-5选用。各种材料对土体冻结影响系数β表22-5土壤种类保温材料树叶刨花锯末干炉渣麦草膨胀珍珠岩炉渣芦苇草帘泥炭土松散土密实土砂土3.33.22.82.02.53.81.62.12.52.81.41.12粉土3.13.12.71.92.43.61.62.02.42.91.31.08粉质粘土2.72.62.31.62.03.51.31.72.02.31.21.06粘土2.12.11.91.31.63.51.11.41.61.91.21.00注：1．表中数值适用于地下水位在冻结线1m以下。2．当地下水位较高时（饱和水的），其值可取1.0。3．松散材料表面应加以盖压，以免被风吹走。【例】某工地计划在1月份开始挖槽，根据气象资料计算，如无保温层时土的冻结深度可达67cm，为防止冻结，拟用锯末覆盖保温。土为粉土，应铺多厚的锯末？【解】查表22-5得β＝2.7，代入公式（22-3）锯末厚h＝67/2.7＝25cm在被保温地面上的全部保温层厚度必须一致。保温层铺出的宽度，应不小于最大冻结深度。如图22-5所示。图22-5保温层铺出的宽度示意H0-土的最大冻结深度；D-基础埋深开挖完的土方，必须防止基槽（坑）的底部受冻或相邻建筑物的地基及其他设施受冻。如基槽（坑）挖完后不能及时进行下道工序施工，应在基底标高上预留适当厚度土层，并覆盖保温材料保温。22-2-3冻土的破碎与挖掘在没有保温防冻的条件，或土已冻结时，比较经济的土方施工方法是破碎冻土，然后挖掘。一般有爆破法、机械法和人工法三种。1．爆破法爆破法适用于冻土层较厚，开挖面积较大的土方工程。这个方法是以炸药放入直立爆破孔或水平爆破孔中进行爆破，冻土破碎后用挖土机挖出，或借爆破的力量向四外崩出，形成需要的沟槽。适用于冻土层较厚的土方工程。冻土深度在2m以内时可以采用直立爆破孔，如图22-6（a）。冻土深度在2m以上时可以采用水平爆破孔，如图22-6（b）。图22-6爆破法和土层冻结深度的关系（a）直立爆破孔；（b）水平爆破孔H-冻土层厚度；W-最小抵抗线（由药包中心至地面的最小距离）爆破孔断面的形状为圆形，直径为50~70mm。直立爆破孔与地面呈60°~90°夹角，深度为冻层厚度的0.6~0.85倍。爆破孔间距一般等于最小抵抗线长度的1.2倍，排距等于最小抵抗线长度的1.5倍。爆破孔可用电钻、风钻或人工打钎成型。炸药可使用黑色炸药、硝铵炸药或TNT炸药。冬期严禁使用甘油类炸药，因为它在温度-10℃时就会冻结，并有自爆的危险。雷管可使用电雷管或火雷管。炸药用量由计算确定或不超过孔深的2/3，外面装以砂土。硝铵炸药的用量可按下式计算：Q＝NB·W3（22-4）式中Q——硝铵炸药用量（kg）；NB——计算系数，见表22-6；W——最小抵抗线（m）。硝铵炸药计算系数NB表22-6土的种类用直立爆破孔爆破时NB的约值粘土0.8~1.0含小石土0.6~0.8黑土及砂土0.4~0.6【例】在斜坡上的冻土凿眼爆破，如图22-7所示，凿眼深度为1.2m，土质为粘土，问需装多少硝铵炸药？【解】最小抵抗线为药包中心至地面的最小距离，即mW17.14142.1cos2.122查表22-6，得NB＝1，需装硝铵炸药的量按公式（22-4）为：Q＝1×1.173＝1.6kg爆破冻土耗用硝钱炸药的量也可参考表22-7。爆破100m3冻土消耗的硝铵炸药用量（kg）表22-7冻土种类冻层厚度（m）0.51.01.5粘土、建筑瓦砾676060含小砾石的土504848黑土及砂土393434图22-7斜坡冻土凿眼爆破爆破孔应注意事项：爆破孔在装药前，应将钻孔剩余的冻土屑清除，如落入水时，应用干砂、破布或其他吸水材料，把水吸出，已经清理好的爆破孔在爆破前应用木塞塞上，木塞的上头须高出地平线10~20cm。装炸药常识：装炸药时，开始应装入容量的一半，再装入雷管，最后填入余下的炸药，用木棍轻加压实，再放入10~15cm的干砂或细干土层，爆破孔的上部塞入融解的土。装入带筒的炸药包，可以用绳放入，不应用缓燃导火线或电气雷管线。填孔时需特别注意不要使导火线或电线受到破坏。爆破的安全注意事项：爆破施工要离建筑物50m以外，距高压电线200m以外。爆破工作应在专业人员指挥下，由受过爆破知识和安全知识教育的人员担任，爆破之前应有技术安全措施，经主管部门批准，在现场应设立警告标志、信号、警戒哨和指挥站等防卫危险区的设施。放炮后要经过20min才可以前往检查。遇有瞎炮，严禁掏挖或在原炮眼内重装炸药，应该在距离原炮眼60cm以外的地方另行打眼放炮。2．机械法当冻土层厚度为0.25m以内时，可用中等动力的普通挖土机挖掘，其在冬期的工作效能与夏天相差不大。当冻土层厚度不超过0.4m时，可用大马力的掘土机（其戽斗容积为1m3或大于1m3）开掘土体，并不需预先准备即能进行。用拖拉机牵引的专用松土机，能够松碎不超过0.3m的冻土层。厚度在0.6~1m的冻土，通常是用吊锤打桩机往地里打楔或用楔形锤打桩机进行机械松碎。但为了易于移动，通常用最轻的打桩机，如图22-8。图22-8松碎冻土的打桩机厚度在1~1.5m的冻土，可以用重锤冲击破碎冻土。锤可由铸铁制成楔形或球形，重2~3t。也可使用强夯重锤。起吊设备可用吊车、简易的两步搭或三步搭支架配以卷扬机。有风镐设备的单位可用风镐将冻土打碎，然后用人工或机械运输，其施工较简单，工人不需要更多训练。3．人工法普通常用的工具有镐、铁楔子，使用铁楔子挖冻土比用其他手工工具效果为好，效率较高。施工时一人掌楔，一人或两人掌大锤，一个小组常用几个铁楔子，当一个铁楔子打下去而冻土尚未脱离时，再把第二个铁楔子在旁边的裂缝上加进去，直至冻土剥离为止。但要注意去掉楔头打出的飞刺，以免飞出伤人。掌铁楔的人与掌锤的人不能脸对着脸，必须互成90°。此方法耗费劳动量较大，是一种比较落后的方法，但在场地狭窄、不适宜用大型机械的地方，尚可使用，比使用镐来挖掘要省力得多。铁楔子的尺寸如图22-9所示。图22-9松碎冻土用的铁楔子4．冻土的挖掘破碎后的冻土可用机械或人工方法挖掘。与常温施工不同的是由于外界气温处于0℃以下，使未冻的土很快冻结，因此应注意下列几点：1．必须周密计划，组织强有力的施工力量，必要时应留出预备力量，以便进行连续不断的施工。2．各种管道、机械设备和炸药、油料等必须采取保温措施，防止因冻结遭受破坏或变质。3．对运输的道路须采取防滑措施，如撒上炉渣或砂子等，以保持正常运输和安全。4．土方开挖完毕，或完成了一段落，必须暂停一段时期，如在一天以内，可在未冻土上覆盖一层草垫等简单的保温材料，以防已挖完的基土冻结。如间歇时间稍长，则应在地基上留一层土暂不挖除，或覆以其他保温材料，待砌基础或埋设管道之前再将基坑（槽）或管沟底部清除干净。22-2-4冻土的融解冻土的融解是依靠外加的热能来完成的，所以费用较高，只有在面积不大的工程上采用。通常有循环针法、电热法和烘烤法三种，其耗费热能的约值，可参考图22-10、图22-11。图22-10使用各种融解法融解1m3冻土所需能量消费图1-局部暖棚法；2-水平电极法；3-垂直电极法；4-循环针法；5-电针法；6-深电极法图22-11融解全部冻结层的土表面积1m2时所需的能量数值图表注：按图表可确定当地下水位低时，融解土所需的能量需要量。当地下水位高时，融解饱和水的土所需的能量消耗要比水位低时增加4~5倍。1．循环针法循环针法适用于热源充足，工程量较小的土方工程。循环针分蒸汽循环针与热水循环针两种，其施工方法都是一样的。先在冻土中按预