土木工程施工教案精品课程第一章土方工程.docx

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土木工程施工教案精品课程第一章土方工程

第三章　土方工程

教学目的：

通过本章学习使学生对土方工程的主要分项工程有一个全面的了解，能制订出技术可行经济合理的施工设计方案。

教学要求：

1.了解土方工程种类，土的分类方法；土壁塌方和发生流砂现象的原因及防止方法；土方施工机械类型、特点、适用范围；轻型井点施工要求。

2.熟悉土方施工特点、土方边坡形式、边坡坡度概念；熟悉支护结构的破坏形式；深基坑土方开挖方法及注意事项；地下水降低方法；发生流砂的原因和条件及流砂防治方法。

3.掌握基坑（槽）、场地平整土石方工程量的计算方法；回填土施工方法及质量检验标准。

教学重点：

基坑（槽）、场地平整土石方工程量的计算方法；回填土施工方法及质量检验标准。

土的可松性，土方量的计算，场地平整施工的竖向规划设计。

教学难点：

土壁支护与边坡，以及降低地下水位的方法。

教学方式：

讲授法

参考资料：

1.毛鹤琴．土木工程施工（第2版）．武汉：

武汉工业大学出版社，2004

2.重庆大学、同济大学、哈尔滨工业大学．土木工程施工（上、下册）.北京：

中国建筑工业出版社，2003

3.赵世强．土木工程施工实习手册．北京：

中国建筑工业大学出版社，2003

4.姜卫杰．《土木工程施工》学习指导．武汉：

武汉工业大学出版社，2000

教学过程及内容：

3.1概述

3.1.1土方工程的内容及施工要求

1、土方工程的内容

（1）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。

（2）地下工程的开挖和回填：

指开挖宽度在3m以内的基槽且长度≥宽度3倍或开挖底面积在20m2且长为宽3倍以内的土石方工程，是为浅基础、桩承台及沟等施工而进行的土石方开挖。

特点：

要求开挖的标高、断面、轴线准确；土石方量少；受气候影响较大。

（3）地下工程大型土石方开挖：

对人防工程、大型建筑物的地下室、深基础施工等而进行的地下大型土石方开挖。

（宽度大于3M;开挖底面积大于20M2;场地平整土厚大于300mm。

特点：

涉及降低地下水位、边坡稳定与支护、地面沉降与位移、临近建筑物的安全与防护等一系列问题。

（4）土石方填筑：

土石方填筑是对低洼处用土石方分层填平。

回填分为夯填和松填。

特点：

对填筑的土石方，要求严格选择土质，分层回填压实。

2、特点：

面广量大，劳动繁重，施工条件复杂。

3、施工要求：

标高、断面准确；土体有足够的强度和稳定性；工程量小；期短；费用省。

4、资料准备：

建设单位应向施工单位提供场地实测地形图；原有地下管线，构筑物竣工图；土石方施工图；以及工程地质、水文、气象等技术资料；以便编制施工组织设计（或施工方案），并应提供平面控制桩和水准点，作为工程测量和验收的依据。

5、施工方案

（1）根据工程条件，选择适宜的施工方案和效率高，费用低的机械；

（2）合理调配土石方，使工程量最小；

（3）合理组织机械施工，保证机械发挥最大的使用效率；

（4）安排好道路、排水、降水、土壁支撑等一切准备和辅助工作；

（5）合理安排施工计划，尽量避免雨季施工；

（6）保证工程质量，对施工中可能遇到的问题如流沙、边坡稳定等进行技术分析，并提出解决措施；

（7）有确保施工安全的措施。

2、土的工程分类及性质

（1）分类标准：

开挖的难易程度

（2）土的工程性质

土有三相，固相、液相和气相。

1）土的天然密度（

）：

土在天然状态下单位体积的质量。

  一般粘性土：

18~20KN/m3  ；砂土：

16~20KN/m3

2）土的干密度（

）：

单位体积土中的固体颗粒的质量。

干密度越大，表示土越密实。

是评定土体密实程度的标准，以控制填土工程质量。

3）土的可松性（Ｋ）：

天然土经开挖后，其体积因松散而增加，虽经振动夯实，仍不能恢复原来的体积，这种性质称为土的可松性。

用可松性系数表示，对土方的调配、计算土方运输量和运土工具等都有影响。

包括最初可松系数和最终可松系数。

最初可松性系数Ks=V2/V1最后可松性系数Ks`=V3/V1

4）土的含水量（W）：

土中水的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示。

表示土的干湿程度。

W=（G1-G2）/G2×100%

  对挖土的难易、施工时的放坡、回填土的夯实等均有影响。

注意：

在一定含水量的条件下，用同样的夯实工具，可使回填土达到最大密实度，此含水量称为最佳含水量。

几种土的最佳含水量：

砂土：

8%～12%；粉土：

9%～15%；粉质粘土：

12%～15%；粘土：

19%～23%

含水量

是反映土的湿度的一个重要物理指标。

天然状态下土层的含水量称天然含水量，其变化范围很大，与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关。

一般干的粗砂土，其值接近于零，而饱和砂土，可达40%；坚硬的粘性土的含水量约小于30%，而饱和状态的软粘性土（如淤泥），则可达60%或更大。

一般说来，同一类土，当其含水量增大时，强度就降低。

5）土的透水性：

水流通过土中孔隙的难易程度。

地下水的流动以及在土中的渗透速度都与它有关。

6）土的密实度：

表示土的相对紧密程度。

（压实系数）

土的实际干密度用“环刀法”测定；土的最大干密度用“击实试验”测定。

3.2土方工程量计算

3.2.1基坑、基槽土方量计算

基槽（坑）土方量计算

 1、基槽

沿长度方向分段计算

，再

（1）断面尺寸不变的槽段：

槽段长

：

外墙—槽底中～中，内墙—槽底净长

（2）断面尺寸变化的槽段：

2、基坑

   【例题3】如图所示，计算其工程量。

    解：

由拟柱体公式得：

上口面积

上口面积

代入上列基坑挖方量计算公式得：

3.2.2场地平整土方量计算

一、方格网法

基本思路：

方格边长a为10～20m

1、场地设计标高的确定

（1）确定原则：

1）充分利用地形（分区或台阶布置），尽量使挖填方平衡，以减少土方量；

2） 要有一定的泄水坡度（≧2‰），使之能满足排水要求；

3） 应满足生产工艺和运输的要求；

4） 要考虑最高洪水位的影响。

（2）确定步骤：

1）初步确定场地设计标高H0

2） 调整场地设计标高

根据土的性质，考虑3个因素

a、 土的可松性：

H0′=H0＋⊿h

b、 借土或弃土：

c、 考虑泄水坡度对设计标高的影响

2、计算施工高度

施工高度=设计标高－自然地面标高

＋号表示填方；－号表示挖方

3、计算零点、绘制零线

方格网一边相邻施工高度一正一负就有零点存在。

 相邻零点连接起来就是零线。

4、用平均高度法计算场地的挖、填土方量

（1）一点（三点）挖填;二点挖填;四点全挖全填

5、场地边坡土方量计算

（1）标出场地四个角点A、B、C、D的挖、填高度和“零线”位置

（2）确定挖、填边坡坡率m1、m2。

（3）算出四个角点的放坡宽度

（4）绘出边坡图。

（5）计算边坡土方量正方锥体，三角锥体平均断端面

6、土方调配

土方调配：

确定挖填方区土方的调配方向和数量，使土方运输量（m3-m）或土方施工成本（元）最小。

土方调配原则：

（经济）近期远期结合，场内挖填平衡、运距短、费用省，避免重复挖填和运输。

（1）调配区的划分

1）调配区的划分应该与房屋和构筑物的平面位置相协调，并考虑它们的开工顺序，工程的分期施工顺序。

2）调配区的大小应该满足土方施工主导机械的技术要求。

3）调配区的范围应该和土方的工程量计算用的方格网协调，通常可由若干个方格组成。

4）当土方运距较大或场内土方不平衡时，可就近借土或弃土，借土区或弃土区可作为一个独立的调配区。

（2）调配区之间的平均运距

调配区的划分尽可能与大型地下建筑物的施工相结合，避免土方重复开挖。

平均运距：

即挖方区土方重心至填方区土方重心的距离；

重心位置X0=ΣV•X/ΣV

　　Y0=ΣV•Y/ΣV

为简化计算，可用作图法近似求出形心位置以代替重心位置。

重心求出后，标于相应的调配区图上，求出每对调配区的平均运距。

Cij=ΣEs/P+E0/V

式中：

Cij——由挖方区i到填方区j的土方施工单价（元/m3）；

Es——参加综合施工过程的各土方施工机械的台班费用（元/台班）

P——由挖方区i到填方区j的综合施工过程的生产率（m3/台班）

E0——参加综合施工过程的所有机械的一次性费用（元）

V——该套机械在施工期内应完成的土方量（m3）；

（3）最优调配方案的确定

1）用“最小元素法”编制

初始调配方案

2）最优方案的判别

3）方案的调整

4）土方调配图

将最优方案绘成土方调配图，图上标明填、挖、调配区、调配方向、土方量及平均运距。

3.3土方工程的机械化施工

3.3.1推土机

 分类 索式、油压式

 特点 操作灵活、运转方便、速度快、能缓缓坡

 适用 场地平整、清理、平沟坑、挖浅基坑

  1一3类土、经济、远距100米、40一60米。

 施工方法

 下坡推土  借自重，增加推土能力适用于狭长场地

 并列推土  2一3台机平排，增大推土量适用于大面积场地

 槽形推土  一条作业线重复运行，增大推土量

 多铲集运  多次铲土，一次推送，缩短运时，硬质土

3.3.2铲运机

 分类 自行式，拖式，索式，油压式

 特点 操作灵活，速度快，生产率高，费用低

 适用 开挖大基坑、填筑堤坝，路基

 含水量不超过27%的一～三类土。

（一）运行路线

（二）施工方法

1、下坡铲土 借自重

2、跨铲法   形成土槽，增加铲量

3、助铲法   与推土机协作作业

3.3.3单斗挖土机

分类正铲、反铲、拉铲、抓铲；机械式，液压式

（一）正铲挖土机

特点：

前进向前，强制切土，卸土（侧面，后面）

（二）反铲挖土机

特点：

后退向下，强制切土，挖掘力比正铲小

作业方式：

沟端，沟侧

（三）拉铲挖土机

特点：

后退向下，自重切土

（四）抓铲挖土机

特点：

直上直下，自重切土

（五）挖土机，与汽车配套计算

当挖掘机挖出的土方需要运土车辆运走时，挖掘机的生产率不仅取决于本身的技术性能，而且还决定于所选的运输工具是否与之协调。

     由技术性能，可按下式算出挖掘机的生产率P：

     （m3/台班）

     式中t——挖掘机每次作业循环延续时间,s；

     q——挖掘机斗容量，m3

     KS——土的最初可松性系数；

     KC——土斗的充盈系数，可取0.8~1.1；

     KB——工作时间利用系数，一般为0.6~0.8。

     为了使挖掘机充分发挥生产能力，应使运土车辆的载重量Q与挖掘机的每斗土重保持一定的倍率关系，并有足够数量车辆以保证挖掘机连续工作。

从挖掘机方面考虑，汽车的载重量越大越好，可以减少等待车辆调头的时间。

从车辆方面考虑，载重量小台班费便宜但使用数量多；载重量大，则台班费高但数量可减少。

最适合的车辆载重量应当是使土方施工单价为最低，可以通过核算确定。

一般情况下，汽车的载重量以每斗土重的3~5倍为宜。

运土车辆的数量N，可按下式计算：

     式中T——运输车辆每一工作循环延续时间（s），由装车、重车运输、卸车、空车开回及等待时间组成；

     t1——运输车辆调头而使挖掘机等待的时间，s；

     t2——运输车辆装满一车土的时间，s；

式中n——运土车辆每车装土次数；

     Q——运土车辆的载重量，t；

     q——挖掘机斗容量，m3；

     γ——土的重度，kN/m3。

     为了减少车辆的调头、等待和装土时间，装土场地必须考虑调头方法及停车位置。

如在坑边设置两个通道，使汽车不用调头，可以缩短调头、等待时间。

总之，土方工程综合机械化施工，就是以土方工程中工期要求，适量选取完成该施工过程的土方机械，并以此为依据，合理配备完成其他辅助施工过程的机械，做到土方工程各施工过程均实现机械化施工。

主导机械与辅助机械所配备的数量及生产率，应尽可能协调一致，以充分发挥施工机械的效能。

以流水施工：

充分发挥，加快工程进度。

3.4土方填筑与压实

为了保证填方工程满足强度、变形和稳定性方面的要求，既要正确选择填土的土料，又要合理选择填筑和压实方法。

3.4.1对土料的选择

土：

是由矿物颗粒、水、气体组成的三相体系，具有弹性、塑性和张滞性。

宜优先利用基槽中挖出的土，但不得含有有机杂质。

使用前应过筛，其粒径不大于50mm，含水率应符合规定。

碎石土类、爆破石渣   表层下填料，粒径不超过2/3层厚，大块料不集中

沙土                 表层以下

碎块草皮             含有机质土无压实要求时

淤泥、淤泥质土       一般不做填料

盐渍土               不含盐晶、盐块、含盐植物的根茎

3.4.2对基底的处理1、填土前应将基坑（槽）底或地坪上的垃圾等杂物清理干净；肥槽口填前，必须清理到基础底面标高，将回落的松散垃圾、砂浆、石子等杂物清除干净。

2、检验回填土的质量有无杂物，粒径是否符合规定，以及回填土的含水量是否在控制的范围内；如含水量偏高，可采用翻松、晾晒或均匀掺人干上等措施；如遇回填土的含水量偏低，可采用预先洒水润湿等措施。

3.4.3填筑要求

１、填方前，应根据工程特点、填料种类、设计压实系数、施工条件合理选择压实机具，严格控制填料的含水量，各铺土厚度和压实遍数等参数；

２、应接近水平地分层填土、压实；同类土填筑。

否则，透水性大在下，透水性小在上，严禁混填。

注意：

填方地面倾斜，设斜坡为阶梯，防止土体滑动。

清除积水和杂物，如遇软土游泥，须换土回填。

3.4.4填土的压实方法及施工工艺

1、填土的压实方法

（1）碾压：

大面积填土

平碾：

（压路机）羊足碾：

粘性土

汽胎碾：

运土工具碾压

（2）夯实：

小面积填土，粘性和非粘性土，压实厚较深。

机械：

夯锤、内燃夯土机、蛙式打夯机

（3）振动法：

振法压实：

非粘性土

振法碾压：

效率高

2、填土的压实施工工艺

（1）工艺流程：

基坑（槽）底地坪上清理→检验土质→分层铺土、耙平→夯打密实→检验密实度→修整找平验收

（2）填土前应将基坑（槽）底或地坪上的垃圾等杂物清理干净；肥槽口填前，必须清理到基础底面标高，将回落的松散垃圾、砂浆、石子等杂物清除干净。

（3）检验回填土的质量有无杂物，粒径是否符合规定，以及回填土的含水量是否在控制的范围内；如含水量偏高，可采用翻松、晾晒或均匀掺人干上等措施；如遇回填土的含水量偏低，可采用预先洒水润湿等措施。

（4）回填土应分层铺摊。

每层铺土厚度应根据土质、密实度要求和机具性能确定。

一般蛙式打夯机每层销土厚度为200～250mm；人工打夯不大于200mm。

每层铺摊后，随之耙平。

（5）回填土每层至少夯打三遍。

打夯应一夯压半夯，夯夯相接，行行相连，纵横交叉。

并且严禁采用水浇使土下沉的所谓“水夯”法。

（6）深浅两基坑（槽）相连时，应先填夯深基础；填至浅基坑相同的标高时，再与浅基础一起填夯。

如必须分段填夯时，交接处应填成阶梯形，梯形的高宽比一般为1：

2；上下层错缝距离不小于1.0m。

（7）基坑（槽）回填应在相对两侧或四周同时进行。

基础墙两侧标高不可相差大多，以免把墙挤歪；较长的管沟墙，应采用内部加支撑的措施，然后再在外侧回填土方。

（8）回填房心及管沟时，为防止管道中心线位移或损坏管邀，应用人工先在管子两侧填土夯实；并应由管道两们同时进行，直至管顶0.5m以上时，在不损坏管道的情况下，方可采用蛙式打夯机穷实。

在抹带接口处，防腐绝缘层或电缆周围，应回填细粒料。

（9）回填土每层填土夯实后，应按规范规定进行环刀取样，测出干土的质量密度；达到要求后，再进行上一层的铺土。

（10）修整找平：

填土全部完成后，应进行表面拉线找平，凡超过标准高程的地方，及时依线铲平；凡低于标准高程的地方，应补土夯实。

（3）雨、冬期施工：

1）基坑（槽）或管沟的回填上应连续进行，尽快完成。

施工中注意雨情，雨前应及时夯完已填土层或将表面压光，并做成一定坡势，以利排除雨水。

2）施工时应有防雨措施，要防止地面水流入基坑（糟）内，以免边坡塌方或基土遭到破坏。

3）冬期回填上每层铺土厚度应比常温施工时减少20％～50％；其中冻土块体积不得超过填土总体积的15％；其粒径不得大于150mm。

铺填时，冻土块应均匀分布，逐层压实。

4）填上前，应清除基底上的冰雪和保温材料；填土的上层应用未冻土填铺，其厚度应符合设计要求。

5）管沟底至管顶0.5m范围内不得用含有冻上块的土回填；室内房心、基坑（槽）或管沟不得用含冻土块的土回填。

6）回填土施工应连续进行，防止基土或已填上层受冻，应及时采取防冻措施。

3.4.5填土压实的质量检查

1、保证项目：

（1）基底处理，必须符合设计要求或施工规范的规定。

（2）回填的土料，必须符合设计或施工规范的规定。

（3）回填土必须按规定分层夯实。

取样测定夯实后上的干上质量密度，其合格率不应小于90％，不合格的干土质量密度的最低值与设计值的差，不应大于0.08g／cm3，且不应集中。

环刀取样的方法及数量应符合规定。

2、允许偏差项目，见表1-2。

项次

项目

允许偏差（mm）

检 验 方 法

1

2

顶面标高

表面平整度

+0，-50

 20

用水准仪或拉线尺量检查

用2m靠尺和楔形尺量检查

3、检验方法：

环刀法取样测定土的实际干密度。

实际干密度：

P0=P／1+0.01W

控制干密度：

Pd=λc*.Pdmax

压实系数：

λc=Pd/Pdmax

PDmax=η.PWDS／1+0.01WCP.DS

η：

经验系数，

粘土0.95,粉质粘土0.96,粉土0.97

DS：

土的相对密度WP：

土的塑限

PWDS：

水的密度WCP：

最佳含水量（%）

3.5土方开挖

由于基坑开挖的土质、深度和面积不同，往往要涉及到边坡的稳定、基坑稳定、基坑支护、降低地下水位，防止流砂，土方开挖方案等一系列问题。

1.5.1基坑边坡及其稳定

（一）基坑边坡

以高度（Ｈ）与底宽（Ｂ）之比表示：

i=H/B=1/（B/H）=1:

m

边坡形式：

（1）边坡应根据土质、开挖深度、开挖方法、工期、地下水位、坡顶承载及气候条件等因素确定，可做成直线、折线或阶梯形。

（２）可作直立壁而不加支撑的条件：

（深度限定）

密实、中密的砂土和碎石类土：

1.0m

硬塑、可塑的粉土及粉质粘土：

1.25m

硬塑、可塑的粉土和碎石类土：

1.5m

坚硬的粘土：

2.0m

（二）土壁稳定

（1）土壁塌方的原因:

１）边坡过陡，土体稳定性不够；

２）雨水、地下水渗入基坑，使土体泡软、重量增大及抗剪能力降低，造成塌方；

３）基坑上边缘附近大量堆土或停放机具、材料或由于运荷载的作用，使土体中的剪应力超过土体抗剪强度。

（２）分析边坡稳定的方法:

1）弹性、塑性及弹塑性理论确定土体的应力状态；

2）假定土体沿着一定的滑动面而进行滑动。

平衡分析：

如条分法、磨擦园法、极限分析。

3、防治塌方的措施

（1）放足边坡（削坡、开级）

（2）设置的支撑

1）沟槽支护

市政工程施工时，常需在地下铺设管沟，因此需开挖沟槽。

开挖较窄的沟槽，多用横撑式土壁支撑。

横撑式土壁支撑根据挡土板的不同，分为水平挡土板式（图1-17a）以及垂直挡土板式（图1-17b）两类。

前者挡土板的布置又分为间断式和连续式两种。

湿度小的粘性土挖土深度小于3m时，可用间断式水平挡土板支撑；对松散、湿度大的土可用连续式水平挡土板支撑，挖土深度可达5m。

对松散和湿度很高的土可用垂直挡土板式支撑，其挖土深度不限。

a）间断式水平挡土板支撑；b）垂直挡土板支撑

图1-17 横撑式支撑

1—水平挡土板；2—立柱；3—工具式横撑；

`4—垂直挡土板；5—横楞木；6—调节螺丝

 2）基坑支护

基坑支护结构一般根据地质条件，基坑开挖深度以及对周边环境保护要求可以采取重力式水泥土墙、板式支护结构、土钉墙等形式。

在支护结构的设计与施工中首先要考虑周边环境的保护，其次要满足本工程地下结构施工的要求，再则应尽可能降低造价、便于施工。

重力式支护结构

水泥土桩墙（或称深层搅拌桩）支护结构是近年来发展起来的一种重力式支护结构。

它是通过搅拌桩机将水泥与土进行搅拌，形成柱状的水泥加固土（搅拌桩）。

用于支护结构的水泥土其水泥掺量通常为12%~15%（单位土体的水泥掺量与土的重量之比），水泥土的强度可达0.8~1.2MPa，其渗透系数很小，一般不大于10-6cm/s。

由水泥土搅拌桩搭接而形成水泥土墙，它既具有挡土作用，又兼有隔水作用。

它适用于4~6m深的基坑，最大可达7~8m。

水泥土墙通常由水泥土搅拌桩组成格栅式，格栅的置换率（加固土的面积:

水泥土墙的总面积）为0.6~0.8。

墙体的宽度b，插入深度hd根据基坑开挖深度h确定，一般b=（0.6~0.8）h，hd=（0.8~1.2）h（图1-19）。

图1-19 水泥土墙

１—搅拌桩；２—插筋；３—面板

（2）板式支护结构

板式支护结构由两大系统组成：

挡墙系统和锚撑系统（图1-20）。

挡墙系统常见的形式有钢板桩、灌注桩排桩、SMW工法、地下连续墙等。

支撑一般采用大型钢管、H型钢或格构式钢支撑，也可采用现浇钢筋混凝土支撑。

拉锚的材料一般用钢筋、钢索、型钢或土锚杆。

根据基坑开挖的深度及挡墙系统的截面性能可设置一道或多道支点，形成锚撑支护结构。

支撑或拉锚与挡墙系统通过围檩、冠梁等连接成整体。

基坑较浅，挡墙具有一定刚度时，可不设支点而采用悬臂式支护结构。

图1-20 板式支护结构

1—板桩墙；2—围檩；3—钢支撑；4—斜撑；5—拉锚；

6—土锚杆；7—先施工的基础；8—竖撑

钢板桩施工

钢板桩有平板形和波浪形两种（图1-33）。

钢板桩之间通过锁口互相连接，形成一道连续的挡墙。

由于锁口的连接，使钢板桩连接牢固，形成整体，同时也具有较好的隔水能力。

钢板桩截面积小，易于打入。

U形、Z形等波浪式钢板桩截面抗弯能力较好。

钢板桩在基础施工完毕后还可拔出重复使用。

a）平板式；b）波浪式

图1-33 钢板桩形式

板桩施工要正确选择打桩方法、打桩机械和流水段划分，以便使打设后的板桩墙有足够的刚度和良好的防水作用，且板桩墙面平直，以满足基础施工的要求，对封闭式板桩墙还要求封闭合拢。

对于钢板桩，通常有三种打桩方法：

（a）单独打入法

   此法是从一角开始逐块插打，每块钢板桩自起打到结束中途不停顿。