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土方工程
土方工程
2008-06-0522:
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第一节概述
一、土方工程的特点与施工要求
1.土方工程施工的特点
（1）面广量大、劳动繁重。
（2）施工条件复杂。
2.组织土方工程施工的要求
（1）在条件允许的情况下应尽可能采用机械化施工；
（2）要合理安排施工计划，尽量避开冬、雨期施工；
（3）为了降低土石方工程施工费用，减少运输量和占用农田，要对土方进行合理调配、统筹安排。
（4）在施工前要做好调查研究，拟定合理的施工方案和技术措施，以保证工程质量和安全，加快施工进度。
二、土的工程分类及性质
（一）土的工程分类
土的分类方法较多，在施工中按开挖的难易程度将土分为八类。
（二）土的工程性质
1．土的质量密度分天然密度和干密度。
土的天然密度，是指土在天然状态下单位体积的质量，用ρ表示；它影响土的承载力、土压力及边坡的稳定性。
土的干密度，是指单位体积土中固体颗粒的质量，用ρd表示；它是检验填土压实质量的控制指标。
2．土的含水量
土的含水量W是土中所含的水与土的固体颗粒间的质量比，以百分数表示：
w=C湿－G干（1－1）
G干
式中C湿——含水状态时土的质量；
G干——烘干后土的质量。
3.土的渗透性
土的渗透性是指水在土体中渗流的性能，一般以渗透系数K表示。
达西地下水流动速度公式v=KI，
4．土的可松性
土具有可松性，即自然状态下的土，经过开挖后，其体积因松散而增加，以后虽经回填压实，仍不能恢复其原来的体积。
三、土方边坡坡度
土方边坡坡度
四、土方施工的准备工作
（1）制定施工方案
（2）场地清理
（3）排除地面水
（4）修筑好临时道路及供水、供电等临时设施。
（5）做好材料、机具、物资及人员的准备工作。
（6）设置测量控制网，打设方格网控制桩，进行建筑物、构筑物的定位放线等。
（7）根据土方施工设计做好边坡稳定、基坑（槽）支护、降低地下水等土方工程的辅助工作。
第二节土方计算与调配
一、基坑、基槽和路堤的土方量计算
基坑土方量即可按拟柱体的体积公式
式中H——基坑深度（m）；
F1，F2——基坑上下两底面积（m2）；
F0——F1与F2之间的中截面面积（m2）；
基槽和路堤沿长度方向断面呈连续性变化时其土方量可以用同样方法分段计算。
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，即：
式中V1，V2…Vn——为各分段土的土方量（m3）。
二、场地平整标高与土方量
（一）确定场地设计标高
1．初步设计标高
场地设计标高即为各个方格平均标高的平均值。
可按下式计算：
式中：
H。
——所计算的场地设计标高（m）；
a——方格边长（m）；
N——方格数；
H1l，…，H22——任一方格的四个角点的标高（m）。
如令H1——1个方格仅有的角点标高；
H2——2个方格共有的角点标高；
H3——3个方格共有的角点标高；
H4——4个方格共有的角点标高。
则场地设计标高H0可改写成下列形式
2．场地设计标高的调整
（1）土的可松性影响
H0’＝H0+Δh
式中：
Vw——按理论标高计算出的总挖方体积；
FW，FT——按理论设计标高计算出的挖方区、填方区总面积；
Ks’——土的最后可松性系数。
（2）场内挖方和填土的影响
（3）场地泄水坡度的影响
1）单向泄水时各方格角点的设计标高
Hn＝H0±li
&8226;
&8226;2）双向泄水时各方格角点的设计标高
Hn＝H0±lxix±lyiy
（二）场地土方量计算
&8226;1.计算场地各方格角点的施工高度各方格角点的施工高度（即挖、填方高度）h0
&8226;hn＝Hn-Hn’（1—13）
&8226;式中hn——该角点的挖、填高度，以“＋”为填方高度，以“－”为挖方高度（m）；
&8226;Hn——该角点的设计标高（m）；
&8226;Hn’——该角点的自然地面标高（m）。
&8226;2.绘出“零线”
&8226;方格线上的零点位置见图1—9，可按下式计算：
&8226;式中：
h1，h2——相邻两角点挖、填方施工高度（以绝对值代入）；
&8226;a——方格边长；
&8226;x——零点距角点A的距离。
&8226;3.场地土方量计算
&8226;
（1）四方棱柱体法
&8226;1）全挖全填格
&8226;
&8226;式中：
V——挖方或填方的土方量（m）；
&8226;h1,h2,h3,h4——方格四个角点的挖填高度，以绝对值代人（m）。
&8226;2）部分挖部分填格
&8226;
&8226;
（2）三角棱柱体法
&8226;1）全挖全填
&8226;式中a——方格边长（m）；
hl，h2，h3——三角形各角点的施工高度（m），用绝对值代人。
&8226;2）有挖有填
&8226;其中锥体部分的体积为:
&8226;楔体部分的体积为:
&8226;三、土方调配与优化
&8226;
（一）划分土方调配区，计算平均运距或土方施工单价
&8226;1．调配区的划分
&8226;2．平均运距的确定
&8226;3．土方施工单价的确定
&8226;
（二）最优调配方案的确定
&8226;1.编制初始调配方案
&8226;土方的总运输量为：
&8226;Z0＝500×50+500×40+300×60＋100×110+100×70+400×40＝97000（m3&8226;m）。
&8226;2.最优方案判别
&8226;利用“最小元素法”编制初始调配方案，其总运输量是较小的。
但不一定是总运输量最小，因此还需判别它是否为最优方案。
判别的方法有“闭回路法”和“位势法”，其实质相同，都是用检验数λij来判别。
只要所有的检验数λij≥0，则该方案即为最优方案；否则，不是最优方案，尚需进行调整。
&8226;为了使线性方程有解，要求初始方案中调动的土方量要填够m＋n－1个格（m为行数，n为列数），不足时可在任意格中补“0”。
&8226;如：
表1－4中已填6个格，而m＋n－1＝3＋4－1＝6，满足要求。
&8226;下面介绍用“位势法”求检验数：
&8226;
&8226;
（1）求位势Ui和Vj
&8226;位势和就是在运距表的行或列中用运距（或单价）Cij同时减去的数，目的是使有调配数字的格检验数lij为零，而对调配方案的选取没有影响。
&8226;计算方法：
将初始方案中有调配数方格的Cij列出，然后按下式求出两组位势数Ui（i＝1，2，…，m）和Vj（j＝1，2，…&8226;，n）。
&8226;Cij＝Ui＋Vj（1－20）
&8226;式中Cij——平均运距（或单位土方运价或施工费用）；
&8226;Ui，Vj——位势数。
&8226;例如，本例两组位势数计算：
&8226;设U1＝0，
&8226;则V1＝C11－U1＝50－0＝50；
&8226;U3＝C31－V1＝60－50＝10；
&8226;V2＝110－10＝100；
&8226;……，见表1－3所示。
&8226;例如，本例两组位势数计算：
&8226;设U1＝0，
&8226;则V1＝C11－U1＝50－0＝50；
&8226;U3＝C31－V1＝60－50＝10；
&8226;V2＝110－10＝100；
&8226;……，见下表所示。
&8226;
（2）求检验数lij
&8226;lij＝Cij－Ui－Vj
&8226;l12＝70－0－100＝－30
&8226;l13＝100－0－60＝40
&8226;l21＝70－（－60）－50＝80
&8226;l23＝90－（－60）－60＝90
&8226;3.方案的调整
&8226;
（1）在所有负检验数中选取最小的一个（本例中为C12），把它所对应的变量X12作为调整的对象。
&8226;
（2）找出X12的闭回路：
从X12出发，沿水平或竖直方向前进，遇到调调配土方数字的格作可以做90°转弯，然后依次继续前进，直到再回到出发点，形成一条闭回路（表1－5）。
&8226;（3）从空格X12出发，沿着闭回路方向，在各奇数次转角点的数字中，挑出一个最小的土方量（本表即为500、100中选100），将它调到空格中（即由X32调到X12中）。
&8226;（4）同时将闭回路上其他奇数次转角上的数字都减去该调动值（100m3），偶次转角上数字都增加该调动值，使得填、挖方区的土方量仍然保持平衡，这样调整后，便得到了新的调配方案。
见表1－6中括号内数字。
（400）
再求位势及空格的检验数
若检验数仍有负值，则重复以上步骤，直到全部lij≥0而得到最优解。
&8226;（4）绘出调配图：
（包括调运的流向、数量、运距）。
&8226;（5）求出最优方案的总运输量：
400×50＋100×70＋500×40＋400×60＋100×70＋400×40＝94000m3-m。
&8226;4.绘制土方调配图
&8226;第三节排水与降水
&8226;一、地面排水
&8226;排除地面水（包括雨水、施工用水、生活污水等）常采用在基坑周围设置排水沟、截水沟或筑土堤等办法，并尽量利用原有的排水系统，或将临时性排水设施与永久性设施相结合使用。
&8226;二、集水井排水或降水
&8226;集水井法是在基坑开挖过程中，沿坑底的周围或中央开挖排水沟，并在基坑边角处设置集水井。
将水汇入集水井内，用水泵抽走（图1—18）。
这种方法可用于基坑排水，也可用于降水。
&8226;1．排水沟的设置
&8226;排水沟底宽应不少于0.2～0.3m，沟底设有0.2％～0.5％的纵坡，在开挖阶段，排水沟深度应始终保持比挖土面低0.4～0.5m
&8226;2.集水井的设置
&8226;集水井应设置在基础范围以外的边角处。
间距应根据水量大小、基坑平面形状及水泵能力确定，一般为20～40m。
&8226;3．水泵性能与选用
&8226;
（1）离心泵
&8226;泵体是由泵壳、泵轴及叶轮等主要部件组成，其管路系统包括滤网与底阀、吸水管及出水管等
&8226;
（2）潜水泵
&8226;潜水泵是由立式水泵与电动机组合而成，工作时完全浸在水中。
&8226;水泵装在电动机上端，叶轮可制成离心式或螺旋桨式；电动机设有密封装置。
&8226;三、流砂及其防治
&8226;1．流砂发生的原因
&8226;动水压力是流砂发生的重要条件。
流动中的地下水对土颗粒产生的压力称为动水压力，其性质通过图1—20所示的试验说明。
&8226;由上式可知，动水压GD与水力坡度I成正比，水位差越大，动水压力越大，而渗透路程越长，动水压力越小。
&8226;产生流砂现象主要是由于地下水的水力坡度大，即动水压力大，而且动水压力的方向（与水流方向一致）与土的重力方向相反，土不仅受水的浮力，而且受动水压力的作用，有向上举的趋势，当动水压力等于或大于土的浸水密度时，土颗粒处于悬浮状态，并随地下水一起流入基坑，即发生流砂现象。
&8226;2．流砂的防治
&8226;流砂防治的主要途径是减小或平衡动水压力或改变其方向。
具体措施为：
&8226;
（1）抢挖法
&8226;
（2）水下挖土法
&8226;（3）打钢板桩或作地下连续墙法
&8226;（4）在枯水季节开挖
&8226;（5）井点降水法
&8226;四、井点降水法
&8226;井点降水法就是在基坑开挖前，预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管（井），利用抽水设备从中抽水，使地下水位降落到坑底标高以下，并保持至回填完成或地下结构有足够的抗浮能力为止。
&8226;
（一）轻型井点
&8226;1.轻型井点设备
&8226;轻型井点设备是由管路系统和抽水设备组成。
管路系统包括：
井点管（由井管和滤管连接而成）、弯联管及总管等。
&8226;2.轻型井点布置
&8226;1）平面布置
&8226;2）高程布置
&8226;井管的埋置深度HA，可按下式计算（图1-27b）：
&8226;HA≥H1十h十iL（m）（1-22）
&8226;式中H1——总管平台面至基坑底面的距离（m）；
&8226;h——基坑中心线底面至降低后的地下水位线的距离，一般取0.5～1.0m；
&8226;i——水力坡度，根据实测：
环形井点为1／10，单排线状井点为1／4；
&8226;3．轻型井点计算
&8226;
（1）井型判定
&8226;
（2）涌水量计算
&8226;①无压完整涌水量
&8226;式中K——渗透系数（m／d），应由实验测定，表1－12仅供参考；
&8226;H——含水层厚度（m）；
&8226;S——水位降低值（m）；
&8226;R——抽水影响半径（m），取：
&8226;x0——环形井点的假想半径（m）：
&8226;F——基坑周围井点管所包围的面积（m2）。
&8226;②无压非完整井涌水量
有效深度H0值表1
注：
表中S’为井管内水位降低深度；l为滤管长度。
&8226;③承压完整井涌水量
&8226;承压完整井环形井点涌水量计算公式为
&8226;式中M——承压含水层厚度（m）；
&8226;K、R、x0、S——与公式（1-22）相同。
：
&8226;（3）确定井点管数量与井距
&8226;①单井最大出水量
&8226;单井的最大出水量q，主要取决于土的渗透系数、滤管的构造与尺寸，按下式确定：
&8226;式中d——滤管直径（m）；
&8226;l——滤管长度（m）；
&8226;K——渗透系数（m／d）。
&8226;②最少井数
&8226;井点管的最少根数nmin，按下式计算：
&8226;式中1.1——备用系数，考虑井点管堵塞等因素。
其它符号同前。
&8226;③最大井距
&8226;式中L——总管长度（m）；
&8226;确定井点管间距时，还应注意以下几点：
&8226;（a）井距过小时，彼此干扰大，影响出水量，因此井距必须大于15倍管径。
&8226;（b）在渗透系数小的土中井距宜小些，否则水位降落时间过长。
&8226;（c）靠近河流处，井点宜适当加密。
&8226;（d）井距应能与总管上的接头间距相配合。
&8226;根据实际采用的井点管间距，最后确定所需的井点管根数。
&8226;4．轻型井点的施工
&8226;埋设井点的程序是：
放线定位→打井孔→埋设井点管→安装总管→用弯联管将井点管与总管接通→安装抽水设备。
&8226;
（二）喷射井点
&8226;当基坑开挖较深，降水深度要求较大时，可采用喷射井点降水。
其降水深度可达8～20m，可用于渗透系数为0.1～50m／d的砂土、淤泥质土层。
&8226;喷射井点施工顺序是：
安装水泵设备及泵的进出水管路；铺设进水总管和回水总管；沉设井点管（包括灌填砂滤料），接通进水总管后及时进行单根试抽、检验；全部井点管沉设完毕后，接通回水总管，全面试抽，检查整个降水系统的运转状况及降水效果。
&8226;（三）管井井点
&8226;管井井点就是沿基坑每隔一定距离设置一个管井，每个管井单独用一台水泵不断抽水来降低地下水位。
在土的渗透系数大（20～200m／d）的土层中，宜采用管井井点。
&8226;管井井点的设备主要是由管井、吸水管及水泵组成。
&8226;（四）深井井点
&8226;当要求井内降水深度超过15m时，可在管井中使用深井泵抽水。
这种井点称为深井井点（或深管井井点）。
深井井点一般可降低水位30～40m，有的甚至可达百米以上。
&8226;常用的深井泵有两种类型。
&8226;一种是深井潜水泵，
&8226;另一种是电动机安装在地面上，通过传动轴带动多级叶轮工作而排水。
&8226;（五）电渗井点
&8226;电渗井点是在轻型或喷射井点中增设电极而形成，主要用于渗透系数小于0.1m／d的土层。
&8226;五、降水对周围地面的影响及预防措施
&8226;降低地下水位时，由于土颗粒流失或土体压缩固结，易引起周周地面沉降。
由于土层的不均匀性和形成的水位呈漏斗状，地面沉降多为不均匀沉降，可能导致周围的建筑物倾斜、下沉、道路开裂或管线断裂。
因此，井点降水时，必须采取相应措施，以防造成危害。
&8226;1．回灌井点法
&8226;2．设置止水帷幕法
&8226;3．减缓降水速度法
第四节土方边坡与土壁支护
&8226;一、土方边坡
&8226;
（一）边坡稳定条件及其影响因素
&8226;
（二）边坡坡度的确定
&8226;二、土壁支护
&8226;
（一）基槽支护结构
&8226;开挖较窄的沟槽，
&8226;多用横撑式土壁支撑。
&8226;二、土壁支护
&8226;
（一）基槽支护结构
&8226;开挖较窄的沟槽，多用横撑式土壁支撑。
&8226;施工。
&8226;1．水泥土挡墙
&8226;
（2）水泥土搅拌桩的施工
&8226;（3）特点与适用范围
&8226;水泥土墙按施工机具和方法不同，分为深层搅拌法、旋喷法和粉喷法。
&8226;2．土钉墙与喷锚支护
&8226;
（1）土钉墙支护
&8226;3）土钉墙支护的施工
&8226;土钉墙的施工顺序为：
按设计要求自上而下分段、分层开挖工作面，修整坡面→埋设喷射混凝土厚度控制标志，喷射第一层混凝土→钻孔，安设土钉钢筋→注浆，安设连接件→绑扎钢筋网，喷射第二层混凝土→设置坡顶、坡面和坡脚的排水系统。
若土质较好亦可采取如下顺序：
开挖工作面、修坡→绑扎钢筋网→成孔→安设土钉→注浆、安设连接件→喷射混凝土面层。
&8226;
（2）喷锚网支护
&8226;3、排桩式挡墙
&8226;4．板桩挡墙
&8226;
（1）型钢横挡板挡墙
&8226;
（2）钢板桩挡墙
&8226;5.板墙式挡墙
&8226;该类支护结构是指现浇或预制的地下连续墙。
&8226;6.逆作拱墙支护
&8226;逆作拱墙支护，是在开挖过程中，随开挖深度分段，浇筑平面为闭合的圆形、椭圆形钢筋混凝土墙体
&8226;7.挡墙的支撑结构
&8226;挡墙的支撑结构按构造特点可分为自立式（悬臂式）、斜撑式、锚拉式、锚杆式、坑内支撑式等几种，其中坑内支撑又可分为水平支撑、桁架支撑及环梁支撑等。
如图1－49
&8226;
（1）悬臂支撑形式的挡墙
&8226;
（2）斜撑式支撑
&8226;（3）拉锚式支撑
&8226;（4）土层锚杆
&8226;（5）坑内支撑
第五节土方工程的机械化施工
&8226;一、场地平整施工
&8226;
（一）推土机施工
&8226;推土机由拖拉机和推土铲刀组成，按行走的方式
&8226;分履带式和轮胎式，按铲刀的操作方式分为索式和
&8226;液压式，按铲刀的安装方式又分为固定式和回转式。
&8226;推土机是一种自行式的挖土、运土工具。
适于运距在lOOm以内的平土或移挖作填，以30～60m为最佳。
一般可挖运一～三类土。
&8226;推土机由拖拉机和推土铲刀组成，按行走的方式分履带式和轮胎式，按铲刀的操作方式分为索式和液压式，按铲刀的安装方式又分为固定式和回转式。
&8226;推土机是一种自行式的挖土、运土工具。
适于运距在lOOm以内的平土或移挖作填，以30～60m为最佳。
一般可挖运一～三类土。
&8226;
（1）下坡推土法
&8226;
（2）分批集中，一次推送法
&8226;（3）沟槽推土法
&8226;（4）并列推土法
&8226;（5）斜角推土法
&8226;
（二）铲运机施工
&8226;1.铲运机的开行路线
&8226;
（1）环形路线
&8226;
（2）“8”字形路线
&8226;2.铲运机铲土的施工方法
&8226;
（1）下坡铲土
&8226;2）跨铲法
&8226;3）助铲法
&8226;3．挖土机施工
&8226;二、基坑开挖
&8226;
（一）单斗挖土机施工
&8226;
（1）开挖方式
&8226;2．反铲挖土机施工
&8226;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，适于开挖停机面以下的一～三类土的基坑、基槽或管沟，每层经济合理的开挖深度为1.5～3.0m，对地下水位较高处也适用。
&8226;
（1）沟端开挖：
挖土机停在沟端，向后倒退挖土，汽车停在两旁装土
&8226;
（2）沟侧开挖：
挖土机沿沟一侧直线移动挖土
&8226;3．拉铲挖土机施工
&8226;拉铲挖土机的挖土特点是：
“后退向下，自重切土”。
&8226;其挖土半径和挖土深度较大，
&8226;能开挖停机面以下的一～二类土。
拉铲挖土机的开挖方式，与反铲挖土机相似，
2．反铲挖土机施工
&8226;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，适于开挖停机面以下的一～三类土的基坑、基槽或管沟，每层经济合理的开挖深度为1.5～3.0m，对地下水位较高处也适用。
&8226;
（1）沟端开挖：
挖土机停在沟端，向后倒退挖土，汽车停在两旁装土
&8226;
（2）沟侧开挖：
挖土机沿沟一侧直线移动挖土
&8226;3．拉铲挖土机施工
&8226;拉铲挖土机的挖土特点是：
“后退向下，自重切土”。
&8226;其挖土半径和挖土深度较大，
&8226;能开挖停机面以下的一～二类土。
拉铲挖土机的开挖方式，与反铲挖土机相似，
也分为沟端开挖和沟侧开挖。
（图）
&8226;4．抓铲挖土机施工
&8226;抓铲挖土机的挖土特点是：
“直上直下，自重切土”。
能开挖一～二类土，适于施工面狭窄而深的基坑、深槽、沉井等开挖，清理河泥等工程，最适于水下挖土，或装卸碎石、矿渣等松散材料。
&8226;
（二）挖土机械配套计算
&8226;1．挖土机数量确定
&8226;
&8226;
&8226;式中Q——土方量（m3）；
&8226;P——挖土机生产率（m3／台班），可查定额手册或按公式1－37计算；
&8226;T－—工期（工作日）；
&8226;C——每天工作班数；
&8226;K——时间利用系数（0.8～0.9）。
&8226;（m3／台班）
&8226;t——挖土机每次作业循环延续时间（s），W1—100正铲挖土机为25～40s，W1—100拉铲挖土机为45～60s；
&8226;q——挖土机斗容量（m3）；
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