第1章-土石方工程

•第1篇土木工程施工技术•第1章土石方工程•本章要求1.了解土方工程施工特点；掌握土方量的计算、场地平整施工的竖向规划设计。2.掌握基坑开挖施工中的降低地下水位方法，基坑边坡稳定及支护结构设计方法的基本原理。3.熟悉常用土方机械的性能和使用范围。4.掌握填土压实和路堤填筑的要求和方法。•本章重点：土的可松性，土方量的计算，场地平整施工的竖向规划设计，轻型井点系统的设计，边坡塌方、流砂的原因及防治，填土压实的原理、方法及施工控制。•本章难点：利用土的可松性系数进行土方量的计算，轻型井点的计算，影响填土压实的因素。1.1概述土方工程包括土的开挖、运输和填筑等施工过程，有时还要进行排水、降水、土壁支撑等准备工作。在建造工程中，最常见的土方工程有：场地平整、基坑（槽）开挖、地坪填土、路基填筑及基坑回填土等。土方工程施工往往具有工程量大、劳动繁重和施工条件复杂等特点；土方工程施工又受气候、水文、地质、地下障碍等因素的影响较大，不可确定的因素也较多，有时施工条件极为复杂。路基开挖土方路基开挖土方运至填方区填方路基碾压路基填方段路基软基进行水泥土搅拌桩处理•1.1.1土的工程分类土的分类繁多，其分类法也很多，如按土的沉积年代、颗粒级配、密实度、液性指数分类等。在土木工程施工中，按土的开挖难易程度将土分为八类如下表，这也是确定土木工程劳动定额的依据（详见下表）。类别土的名称开挖方法可松性系数KsK's第一类（松软土）砂，粉土，冲积砂土层，种植土，泥炭（淤泥）用锹、锄头挖掘1.08~1.171.01~1.04第二类（普通土）粉质粘土，潮湿的黄土，夹有碎石、卵石的砂，种植土，填筑土和粉土用锹、锄头挖掘，少许用镐翻松1.14~1.281.02~1.05第三类（坚土）软及中等密实粘土，重粉质粘土，粗砾石，干黄土及含碎石、卵石的黄土、粉质粘土、压实的填筑土主要用镐，少许用锹、锄头，部分用撬棍1.24~1.301.04~1.07第四类（砾砂坚土）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，软泥灰岩及蛋白石先用镐、撬棍，然后用锹挖掘，部分用锲子及大锤1.26~1.371.06~1.09第五类（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，软的石灰岩用镐或撬棍、大锤，部分用爆破方法1.30~1.451.10~1.20第六类（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、片麻岩用爆破方法，部分用风镐1.30~1.451.10~1.20第七类（坚石）大理岩，辉绿岩，玢岩，粗、中粒花岗岩，坚实的白云岩、砾岩、砂岩、片麻岩、石灰岩，风化痕迹的安山岩、玄武岩用爆破方法1.30~1.451.10~1.20第八类（特坚石）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，玢岩用爆破方法1.45~1.501.20~1.30土的工程分类•1.1.2土的工程性质土的工程性质对土方工程施工有直接影响，也是进行土方施工设计必须掌握的基本资料。土的主要工程性质有：土的可松性、渗透性、密实度、抗剪强度、土压力等。1.土的可松性土具有可松性。即自然状态下的土，经过开挖后，其体积因松散而增大，以后虽经回填压实，仍不能恢复。由于土方体积按天然密度体积计算；回填土按压实后的体积计算，所以在土方调配、计算土方机械生产率及运输工具数量等的时候，必须考虑土的可松性。土的可松性程度用可松性系数表示，即2.土的渗透性•土的渗透性是指土体被水透过的性质。土体孔隙中的自由水在重力作用下会发生流动，当基坑开挖至地下水位以下，地下水在土中渗透时受到土颗粒的阻力，其大小与土的渗透性及地下水渗流路线长短有关。•3.原状土经机械压实后的沉降量原状土经机械往返压实或经其他压实措施后，会产生一定的沉陷，根据不同的土质，其沉降量一般在3~30cm之间。可按下面经验公式计算：s=p/cs---原状土经机械压实后的沉降量（cm）P---机械压实的有效作用力（kg/cm2）C---原状土的抗陷系数（Mpa）1.2场地平整1.2.1场地竖向规划设计•1.场地设计标高的确定：（1）场地设计标高的确定原则：挖、填土方量平衡。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（3）场地设计标高的调整1）土可松性的影响•2）场内和场外挖、填土的影响•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。1.2.2场地平整土方量的计算在场地平整土方工程施工之前，通常要计算土方的工程量。但土方外形往往复杂，不规则，要得到精确的计算结果很困难。一般情况下，可以按方格网将其划为一定的几何形状，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。其计算步骤如下：⑴划分方格网⑵计算各角点的地面标高⑶计算各角点的设计标高⑷计算各角点的施工高度⑸计算零点、绘出零线⑹计算各方格内的挖填方体积⑺统计挖、填方量⑻调整设计标高零线即挖方区与填方区的交线，在该线上，施工高度为零。零线的确定方法是：在相邻角点施工高度为一挖一填的方格边线上，用插入法求出（下图）方格边线上零点的位置，再将各相邻的零点连接起来即得零线。1.四方棱柱体的体积计算方法1.2.3土方调配•土方调配的原则：􀂾•1.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。􀂾•2.近期施工和远期利用相结合。􀂾•3.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。􀂾•4.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。场地平整土方量计算与调配步骤1.2.4场地平整土方机械及其施工•1.推土机􀂾•特点—切土、推土和卸土；􀂾•分类（1）行走装置：履带式和轮式推土机（2）操作方式：机械式和液压式操纵。（3）铲刀安装方式：固定式推土机和回转式推土机。推土机适于推挖一至三类土。用于平整场地，移挖作填，回填土方，堆筑堤坝以及配合挖土机集中土方、修路开道等。推土机的作业效率与运距有很大关系，下表为直铲作业时的经济运距。行走装置机型经济运距（m）备注履带式大型中型小型50~l00（最远l50）60~100（最远120）＜50上坡用小值下坡用大值轮胎式50~80（最远150）•为提高推土机的生产率，可采用以下几种施工方法。•（1）下坡推土。在不大于15°的斜坡上，推土机顺坡．向下切土、推运，借助机械本身的重力作用，增大切土深度，缩短铲土时间，可提高生产率30％左右。•（2）并列推土。平整大面积的场地时，为了增大铲刀前土壤的体积，一般采用２台推土机并列推土，如图1－32所示。这样可以减少土的散失，提高生产率，并可增大推土量15％～30％。两台推土机刀片间距保持30～50cm，平均运距不宜超过50～75ｍ，不宜小于20ｍ。•（3）槽子推土。如图1－32所示，利用已推过的土槽再次推土，可以减少铲刀前土的散失。当土槽推到一定程度，再推土埂。一般推土量可提高10％～30％。这种方法适宜于挖土层较厚、运距较远的工程。•（4）分批集中，一次推送。当推运距离较远且土质又较坚硬时，由于铲刀切土深度较小，可将铲起的少量土先集中在几个中间地点，再一次推送，以便在铲刀前保持满载，有效地利用推土机的功率，缩短推运时间。•（5）附加侧板。在铲刀两侧设置挡土板，增加铲刀前土的体积，以减少土的散失，提高生产率。2.铲运机•铲运机是一种能综合完成挖、装、运、填的机械，对行驶道路要求较低，操纵灵活，生产率较高。•特点—挖土、运土、卸土和平土；􀂾•分类（1）运行方式：拖式和自行式（2）操作方式：钢丝绳操纵式和液压式操纵。（3）卸土方式：强制式、半强制式和自由卸土。•１．铲运机的开行路线•铲运机由挖至卸运行的循环路线称为开行路线。开行路线合理与否，将直接影响生产效率，所以要预先根据挖填方区的分布合理地组织。开行路线一般有以下两种形式：•（1）环形路线。（2）８字形路线。•2．提高铲运机生产率的措施•（1）下坡铲土。借助机械本身自重的作用，来加大切土深度和缩短铲土时间。但纵坡不得超过25°，横坡不得超过6°；铲运机不能在陡坡上急转弯，以免翻车。•（2）推土机助铲。在较硬的土层中用推土机在铲斗后助推，可加大铲刀切削力、切土深度和铲土速度。推土机在助铲的空隙时间可兼做松土或平整工作，为铲运机创造工作条件。•（3）双联铲运法。当拖拉式铲运机的牵引力有富裕时，可在拖拉机后面串联两个铲斗进行双联铲运。如果土质较硬，可用双联单铲操作，即先将一个土斗铲满，再铲第二个土斗；对于松软的土，则用双联双铲，即两个土斗同时推土。3.挖掘机挖掘机按行走方式分为履带式和轮胎式两种。按传动方式分为机械传动和液压传动两种。斗容量有0.2m3、0.4m3、1.0m3、1.5m3、2.5m3等多种。挖掘机利用土斗直接挖土，因此也称为单斗挖土机，按土斗作业装置分为正铲、反铲、抓铲及拉铲，使用较多的是前三种。1.3基坑工程•1.3.1土方边坡极其稳定•土方边坡坡度=H/B=1/m(坡度系数m=B/H)•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。•土壁稳定主要依靠土体的抗剪强度来维持平衡。•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。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:􀂾受风化作用使土质变松；土受地下水的侵蚀而产生润滑作用饱和细;粉沙受振动而液化。1.3.2土壁支护•1.基槽支护•主要类型有：水平挡土板和垂直挡土板。2.基坑支护（1）重力式水泥土墙支护结构•格栅式水泥土挡墙构造要求①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；②挡墙的转角处宜采用圆弧形实墙(实体式)。③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。④挡墙宽度一般取开挖深度的0.6～0.8倍，墙体在基坑底面下的嵌固深度取开挖深度的0.8～1倍。⑤根据基坑条件可做成变阶宽度和深度，也可成拱。⑥为加强整体性，挡墙可插入毛竹(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Φ12@200双层双向。⑦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。深层搅拌桩的施工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（2）板式支护结构•板式支护结构由两大系统组成：挡墙系统和支撑（或拉锚系统）。•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。􀂾•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。•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，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）•钢板桩支护􀂾•由带锁口或钳口的热轧型钢制成