1、第三章、土石方工程施工与地基处理,土石方工程是环境工程土建施工中的主要工程之一 它包括一切土(石)方的挖掘、运输、填筑、平整等施工过程以及施工排水、地基处理等辅助工程。工程量大，施工条件复杂，工程所需的劳动量和机械动力消耗都很大，这些往往是影响施工进度、成本及工程质量的因素。,土石方工程一般分为两大类： 1、场地平整施工，即在地面上进行挖填方作业。将拟建工程的场地按照场区竖向规划设计的要求平整为符合设计标高的平面 2、沟槽、基坑的施工，在地面以下开挖各种断面形式的地下管道沟槽，当两条或多条管道共同埋设时，还需采用联合槽。,土石方工程的特点是影响因素多，施工条件复杂。土壤中天然物质种类多，成分复
2、杂，性质各异，又多为露天作业，施工直接受到地区的地形、水文地质、气候以及工程地质等诸多条件的影响，在繁华的城市中施工还会受到施工环境的影响；工程量大，施工面积广。环境工程管道施工属于线型工程，长度常达数十千米，而某些大型污水处理工程，在场地平整和大型基坑开挖中，土方施工工程量往往可达数十万到百万立方米。,因此，合理地选择土方机械，有组织地进行机械化施工，对于缩短工期，降低工程成本具有重要意义。为此，施工前要作好调查研究，充分掌握施工区域的地形地物、水文地质和气象资料，采用合理、有效的施工方案组织施工。 本章将围绕上述特点来叙述土的工程性质和分类、施工场地平整、沟槽与基坑开挖、施工排水、支撑设置
3、、土方回填与夯实、地基加固处理及土石方爆破施工等内容。,第一节、工程地质情况,土是岩石在地质作用下经风化、破碎、剥蚀、搬运、沉积等过程的产物。土是由固体颗粒、水和气体组成的三相分散系。固体颗粒组成土的骨架，颗粒大小及其搭配是影响土性的基本因素；土中水是溶解着各种离子的溶液，其含量多少也明显影响土的性质如含水量高的土往往比较软，特别是由细小颗粒组成的粘性土，含水多少直接影响土的强度；土中气可以与大气相连，也可以气泡形式存在，对土性影响相对较小。,土的性质一方面取决于每一相的特性，另一方面取决于土的三相比例关系。由于气体易被压缩，水能从土体流进或流出，土的三相的相对比例会随时间和荷载条件的变化而变
4、化，土的一系列性质也随之改变。土在形成过程中所经历的每一个环节以及在形成后沉积时间的长短、外界环境的变化、都对土的性质有显著的影响。,一、土的组成,1、土的固体颗粒土中固体颗粒的大小和形状、矿物成分及其颗粒大小的相互搭配情况是决定土的物理、力学性质的主要因素。粗大土粒往往是岩石经物理风化作用形成的原生矿物，主要呈块状或粒状，而细小土粒主要是岩石经化学风化作用形成的次生矿物和生成过程中混入的有机物质主要呈片状。,（1）、土的颗粒级配,工程土常常是不同粒组（共分六大粒组见P28表）的混合物，而土的性质主要取决于不同粒组的相对含量，土的颗粒级配(又称土的粒度成分)是指大小土粒的搭配情况，通常以土中各
5、个粒组于土的相对含量的百分比来表示。 为了了解各粒组的相对含量，就需进行颗粒分析，颗粒分析的方法有筛分法和比重（密度）计法。,筛分法适用于粒径在60mm0.1mm的土。试验时，将风干的均匀土祥放入一套孔径不同的标准筛，标准筛的孔径依次为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm、1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm经筛析机上、下震动，将土粒分开，称出留在每个筛上的土重，即可求出留在每个筛上土重的相对含量。,对于粒径小于0.1mm的土，可用比重计法，土粒大小相当于在比重计中与实际土粒有相同沉降速度的理想圆球体的直径。根据颗粒大小分析试验成果，可以绘制如下图所示的颗粒级配累
6、积曲线。其横坐标表示粒径。因为土粒粒径相差常在百倍、干倍以上，所以宜采用对数坐标表示。纵坐标则表示小于(或大于)某粒径的土质量含量(或称累计百分含量)。由曲线的坡度可以大致判断土的均匀程度。例如，曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较均匀；反之，曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。,利用不均匀系数Ku来评价土的均匀程度，即 式中 d10小于某粒径的土粒质量累计百分数为10时，该粒径称为有效粒径d10 。；d60小于某粒径的土粒质量累计百分数为60时，该粒径称为限定径直径d60 。Ku越大表示土粒大小的分布范围越大，其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密
7、实度。,还有一项指标就是Kc，即 Kc叫做曲率系数，描写累积曲线分布范围，反映曲线整体形状。工程上把Ku 5的土看做是均粒土，属级配不良；Ku10的土，属级配良好。实际上，单独只用一个指标Ku来确定的级配情况是不够的，要同时考虑累积曲线的整体形状。例如，砾类土或砂类土同时满足Ku5和Kc13两个条件时，则定名为良好级配砾或良好级配砂。,对于级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好，透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其他土建工程的填方土料。,（2）、土里的矿物成分,土粒的矿物成分决定于母岩的成分及所经受的风化过程。 粗大土粒如漂石、卵
8、石、圆砾都是岩石的碎屑，其矿物成分与母岩相同；砂粒大部分是母岩的单矿物颗粒，如石英、长石、云母等；粉粒的矿物成分主要是一些难溶盐，如MgCO3，、CaCO3等。粘粒的矿物成分主要有粘土矿物、氧化物、氢氧比物及各种难溶盐类，它们都是次生矿物。,粘土矿物颗粒很微 小，形状为鳞片状 或片状，内部具有 层状晶体构造。它 是由两种原子层（ 称为晶片）构成的 ，一种是硅氧晶片 ，另种是铝氢氧 晶片(如右图)。,两种晶片的不同组合(晶胞)，便构成了不同的粘土矿物，如：蒙脱石、伊里石和高岭石三类,蒙脱石结构单元是两层硅氧晶片之间夹一层铝氢氧晶片组成(如上图a)，晶胞之间都是氧原子，联接很弱，水分子很容易进入晶
9、胞之间。因此，当土中含有较多的蒙脱石时，土具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特性。伊里石的结构单元类似蒙脱石(如上图b)，不同的是Si-O四面体中的Si4+被Al3+、Fe3+取代，为补偿正电荷的不足，晶胞之间出现一价正离子，使晶胞之间有微弱的联接，其亲水性不如蒙脱石。高岭石的结构单元是由一层铝氢氧晶片和一层硅氧晶片组成(如上图c)，晶胞的一面是氢氧基，另一面是氧原子，具有较强的联接力，水分子不能进入，亲水性小。,2、土中的水,一般情况下，土中总是含水的。土中水按其形态可分为液态、固态、气态。,（1）、土中液态水,液态水主要有：结合水和自由水。 （1）结合水结合水是受土粒表面电场吸引的水，分强结合
10、水和弱结合水。 当土颗粒比较细小时，颗粒表面往往带有负电荷，因此，在土粒周围形成电场土中水分子是极性分子，氢原子端呈现正电荷，氧原子端呈现负电荷，水分子及水溶液中的阳离子(如Na+、Ca2+、Al3+等)被土粒电场所吸引，水分子呈定向排列。,水溶液中的阳离子，一方面受电场吸引，另一方面受由于布朗运动的扩散力作用、在最靠近土粒表面、静电引力大于扩散力，水分子被牢固吸附在颗粒表面，形成强结合水层(又称固定层)。在离土粒表面较远的地方，静电引力比较小，水分子的活动性比较大，从而形成弱结合水层(又称扩散层)。,结合水分子定向排列图,结合水不具备普通水的性质，强结合水没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力
11、，密度在1224kNm3，冰点为78，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度，其性质接近于固体。弱结合水，其离土粒表面愈远，受到电分子引力愈小，并逐渐过渡到自由水。,(2)自由水 自由水是不受土粒电场吸引的水，其性质与普通水相同。自由水又分重力水与毛细水。重力水是存在于地下水位以下透水土层中的水，它能在重力或压力差作用下运功。对土颗粒有浮力作用。 毛细水是存在于地下水位以上透水层中的水。它是由于水与空气交界处表面张力作用而产生。若把土的孔隙看作是连续的变截面的毛细管，根据物理学可知，毛细管直径越小，毛细水的上升高度越高。因此，粘性土中毛细水的上升高度比砂类土要大。,（2）、土中固态水,当地层的温度降
12、至0以下时，土中水便结冰。形成固态水。水结冰，体积会大因此土中水结冰，可吸收周围未结冰的水，形成扁冰片，使土体产生冻胀，破坏土的结构。冻胀力会使路基破坏、基础上抬；冻土融化后，基土结构破坏，含水量增大，形成翻浆冒泥，又使土体强度大大降低，道路开裂，房屋建筑产生大量下沉。,3、土中气,土中气体常与大气连通或以封闭气泡的形式存在于土中，前者在受到外力作用时，能很快从孔隙中被挤出，对土的性质影响不大；后者在外力作用时，气泡可被压缩或溶解于水中，当外力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来，使土的压缩性增大。,4、土的结构与构造,土的结构是指土颗粒的大小、形状、相互联结的方式。通常有三种结构：单粒结构蜂
13、窝结构和絮状结构。 单粒结构通常是由砂粒或更粗大的颗粒在水或空气中沉积形成。由于颗粒自重大于颗粒之间的引力，颗拉是以单个颗粒相互联结的。松散的单粒结构是不稳定的，在荷载的作用下变形很大；密实的单粒结构是良好的天然地基，如下图。,蜂窝结构是由粉粒(粒径在0.075mm0.005mm)在水中下沉时形成的，由于颗粒之间的引力大于自重应力，下沉中的颗粒遇到已沉积的颗粒时，就停留在最初的接触点上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窝结构，如下图所示。,絮状结构是由粘粒(粒径0.005mm)集合体组成。这些颗粒不因自重而下沉长期悬浮在水中，构成孔围很大的絮状结构，如下图所示。,二、土的三相比例指标,土是由固体颗
14、粒、土中水、气三相组成。三相的相对含量不同，对土的工程性质有重要的影响，表示土的三相组成比例关系的指标，称为土的三相比例指标。,1、指标意义,为便于分析，将互相分散的三相，理想化地各自集合起来，如下图所示的土的三相组成示意图来表示各部分之间的数量关系。,图中符号意义如下： ms土粒质量； mw土中水质量； m土的总质量，m=ms+mw； Vs土粒体积； Vw土中水体积； Va土中气体体积； Vv土中孔隙体积，Vv Vw十Va ； V土的总体积，V Vs十Vw十Va 。,（1） 土粒比重(相对密度)ds,土粒重量与同体积4时纯水的重量之比称为土粒比重(无量纲)。即：,土粒相对密度在数值上就等于土
15、粒密度，土粒相对密度决定于土的矿物成分，它的数值一般为2.62.8；有机质土为2.42.5；泥炭土为1.5一1.8。同一种类的土，其相对密度变化幅度很小。土粒相对密度可在试验室内用比重瓶法测定。出于相对密度变化的幅度不大，通常可按经验数值选用，一般土粒相对密度参考值见课本P33表3-2。,（2）土的含水量,土中水的重量与土粒重量之比，称为土的含水量,以百分数计，即,土的含水量一般用烘干法测定。先称小块原状土样湿土重量，然后置于烘箱内维持100一105烘至恒重，再称干土重量，湿、干土重量之差与干土重量之比就是土的含水量。土的含水量反映土的干湿程度。含水量越大，土越湿，一般说来土也愈软。土的含水量
16、变化幅度很大，它与土的种类、埋藏条件及所处的地理环境等有关。般干的粗砂土，其值接近于零，而饱和砂土，可达40；坚硬粘土含水量约小于30，饱和状态的软粘土，可达60一70。泥炭土含水量可达300甚至更高。,（3）土的密度,土单位体积的质量，称为土的密度(单位为gcm3或tm3)，即,土的密度一般用“环刀法测定，用一个圆环刀(刀刃向下)放在削平的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的土，边削边压，使保持天然状态的土样压满环刀内，称得环刀内土样质量，求得它与环刀容积之比即为其密度。,天然状态下土的密度变化范围在1622kNm3之间 20.0kNm3的土一般是比较密实的；而当 18.0kNm3时，则多是较松
17、软的。,（4）土的干密度 d 、饱和密度 sat和有效密度,单位体积中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度 d，即在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准以控制填土工程的施工质量。,土孔隙中充满水时的单位体积质量，称为土的饱和密度 sat，即式中 w水的密度。,在地下水位以下，单位土体积中土粒质量扣除浮力后，即为单位土体积中土粒的有效质量称为土的浮密度，即,（5）土的孔隙比e和孔隙率n,孔隙比是土中孔隙体积与土颗粒体积之比即孔隙比e可以用来评价天然土层的密实程度。一般e0.6的土是密实的低压缩性土；e1.0的土是疏松的高压缩性土。,土的孔隙率是土中孔隙体积与总体积之比，以百分数表示，即,（6
18、）土的饱和度Sr,饱和度是指土孔隙被水充满的程度，即土中水的体积与孔隙体积的比值，以百分数表示，即：,三、无粘性土的密实度,无粘性土的结构 无粘性土一般具有单粒结构。最能反映无粘性土工程性质的是密实度，呈密实状态时（如下图），土的强度较大可作为良好的天然地基；呈疏松状态时，尤其是饱和粉细砂，动力作用下结构常处于不稳定状态，是不良地基。,理想砂土的颗粒排列,2、无粘性土密实状态的判别 通常用相对密实度Dr来判别无粘性土的密实度，其表达式为：,因此，Dr值能反映无粘性土的密实度。砂土根据Dr值分为以下三种状态：,按N值判定砂土密实度,相对密实度从理论上讲是表示无粘性土密实度的好方法，它反映了颗粒级
19、配，颗粒形状等因素。但由于天然状态的e值不易确定，测定emax， emin的人为误差较大，故土建工程上常用原位测试的方法评价砂土的密实度。常用的方法是根据标准贯入锤击数N值进性判别。下表是“港口工程地基规范(JTJ25098)”砂土密实度按N值的判别标准。,四、粘性土的状态（物理特征）,粘性土的状态主要是指其软硬程度。粘性土随着含水量的变化，可具有不同的状态，含水量很大时呈泥浆状的液体状态，随着含水量的减小，泥浆变稠，逐渐变成可塑状态；所谓可塑状态，是指粘性土在某含水量范围内，可用外力塑成任何形状而不产生裂纹、并当外力移去后，仍能保持既得的形状，粘性土的这种特性叫做可塑性。土由一种状态转到另一
20、种状态的分界含水量叫做界限含水量（见下图）。,粘性土的物理状态与含水量关系,1、粘性土的界限含水量,液限l土由可塑状态转到流动状态的界限含水量叫液限(也称为流限或塑性上限)。我国目前采用锥式液限仪(如下图)测定土的液限。,锥式液限仪,将盛土杯中装满调 匀的土样、刮平土 面，净重76g、锥 角为30。的圆锥体 放在试样表面的中 心，锥体在自重作 用下徐徐沉入土中 ，若经5秒钟恰好 沉入10mm，测定 此时杯内土样的含 水量即为液限。,塑限p 土由半固态转到可塑状态的界限含水量叫塑限(也称塑性下限)。 塑限采用搓条法测定。将直径小于10mm的土球放在毛玻璃板上，用手掌慢慢搓成直径3mm的长细条时，
21、正好产生断裂，此时土条的含水量就是塑限。,缩限s土由半固态不断蒸发水分，体积逐渐缩小，直到体积不再缩小时的含水量叫缩限。 缩限用蒸发皿法测定。 土的半固态与可塑状态的区别在于前者塑成任何形状态后，产生裂纹，后者没有裂纹；流动状态与可塑状态的区别在于前者不能保持已有的形状，发生流动变形。而后者能保持既得的形状。,2、粘性土的塑性指数和液性指数,塑性指数Ip 液限与塑限的差值(省去符号)称为塑性指数，用符号Ip，表示，即,塑性指数Ip ，表示土处于可塑状态的含水量变化范围。它与土中结合水的含量、土的颗粒组成、矿构成分以及土中水的离子成分和浓度等因素有关。一船来说，土粒越细、且细颗粒(粘粒)的含量越
22、高，则其比表面和可能的结合水含量愈高， Ip值愈大；粘土矿物(尤其是蒙脱石)可能具有的结合水量大， Ip也大；水中高价阳离子的浓度增加时土粒表面吸附的反离子层的厚度变薄，结合水含量相应减少， Ip也小，反之则大。因此。塑性指数Ip ，在一定程度上综合反映了影响粘性上特征的各种主要因素，在工程上常用其对粘性土进行分类。,液性指数IL 粘性土的天然含水量与塑限差值除以塑性指数称为液性指数，用符号IL，表示，即,由上式可以看出因此，液性指数值可以反映粘性土的软硬状态。IL值愈大，土愈软。,建筑地基基础设计规范(GBJ 789)以及港口工程地基规范(JTJ 25098)规定粘土根据液性指数值划分为坚硬
23、、硬塑、可塑、软塑及流塑五种状态，见下表。,3、粘性土的灵敏度和触变性,粘性土的一个重要特征是具有天然结构性，当天然结构被破坏时，土粒间的胶结物质以及土粒、离子、水分子之间所组成的平衡体系遭到破坏，粘性土的强度降低，压缩性增大。具有天然结构的粘性土的强度与完全扰动后土的强度之比(含水量、重度等不变、称为粘性土的灵敏度，用St表示。即：,根据灵敏度可将粘性土分为：低灵敏度(1 St 2)、中灵敏度(2 St 4)、高灵敏度(St 4)。土的灵敏度越高结构性越强，扰动后土的强度降低越多。再加以IL值判别粘性土的软硬程度时，没有考虑土的结构性影响，l、p值是土样在完全扰动的情况下测得的。室内测得的I
24、L1.0的天然土并末真正处于流动状态。在含水量相同的情况下，原状土要比重塑土坚硬，用IL判别重塑土的软硬程度是合适的，但对于原状土就差。 粘性土扰动后土的强度降低，但随着时间的增大，土粒、离子、水分子之间又组成新的平衡体系土的强度可逐渐恢复，这种性质称为土的触变性。,五、土的压实机理,有时为了提高回填土的强度，增加土的密实度，降低其透水性和压缩性，通常用分层压实的办法来处理地基。实践经验表明，对过湿的土进行夯实或碾压时就会出现软弹现象(俗称橡皮土”)，此时土的密实度是不会增大的。对很干的土进行夯实或碾压，显然也不能把土充分压实。所以，要使土的压实效果最好，其含水量一定要适当。在一定的压实能量下
25、使土最容易压实，并能达到最大密实度时的含水量，称为土的最优含水量(或称最佳含水量)，用op表示。,相对应的干密度叫做最大干密度，以dmax表示。土的最优含水量可在试验室内进行击实试验测得。测定各试样击实后的含水量和于密度d后，绘制含水量与干密度关系曲线称为压实曲线。如下图所示。从图中可以知道，当含水量较低时，随着含水量的增大，土的干密度也逐渐增大，表明压实效果逐步提高；当含水量超过某一限值观op时，干密度则随着含水量增大而减小，即压实效果下降。这说明土的压实效果随含水量的变化而变化。并在击实曲线上出现个干密度峰值(即最大干密度dmax)，相应于这个峰值的含水量就是最优含水量。,干密度与含水量的
26、关系,最大干密度可以由击实试验测定，也可以按下式进行计算，即,施工时，所控制的土的干密度d与最大干密度 dmax之比称为压实系数，它反映填土压实的质量。在地基主要受力层范围内，按不同的结构类型，要求压实系数达到0.94一0.96以上。,试验证明，最优含水量还与压实能量有关。对同一种土，用人力夯实时，因能量小，要求土粒之间有较多的水分使其更为润滑，因此，最优含水量较大而得到的最大干密度却较小，如下图中的曲线3。当用机械夯实时，压实能量较大，得出的曲线如图中的曲线1和2。所以，当填土压实程度不足时，可以改用大的压实能量补夯，以达到所要求的密度。,压实能量对压实效果的影响,在同类土中，土的颗粒级配对
27、土的压实效果影响很大，颗粒级配不均匀的容易压实，均匀的则不容易压实。,在上图中还给出了理论饱和曲线，它表示当土处在饱和状态下的干密度d与含水量的关系。在实践中，土不可能被压实到完全饱和的程度。试验证明，粘性土在最优含水量时，压实到最大干密度 dmax ，其饱和度一般为80左右。此时，因为土孔隙中的气体越来越难于和大气相通，压实时不能将其完全排出去。因此，压实曲线只能趋于理论饱和曲线的左下方，而不可能与它相交。,六、土的压缩性,见课本P38,七、土的工程分类,土根据不同部门的用途采用不同的分类方法。分类的目的就是根据分类名称大致判别土的工程特性，并结合其他指标确定地基的承载力。 建筑工程中，土是
28、作为地基以承受建筑物的荷裁，分类着眼于土的工程性质，我国建筑地基基础规范将地基土分为碎石土、砂土、粉土、粘性土和人工填土等。,碎石类土,碎石类土是粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50的土。 碎石类土根据粒粗含量及颗粒形状分为漂石或块石、卵石或碎石、圆砾或角砾其分类标准见下表。,砂类土,砂类土是指粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50的土。 砂类土按粒组含量分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂，其分类标准见下表。,粉土,粉土是指粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50、塑性指数Ip小于或等于10的土。必要时可根据颗粒级配分为砂质粉土(粒径小于0.00
29、5mm的颗粒含量不超过全重10)和粘质粉土(粒径小于0.005mm的颗粒含量超过全重10)。,黏性土,黏性土是指塑性指数Ip大于10的土。黏性土的工程性质与土的成因、生成年代的关系很密切，不同成因和年代的粘性土，尽管其某些物理性指标值可能很接近，但其工程性质可能相差很悬殊。另外还和粒度成分和粘土矿物的亲睡度等有关。,黏性土按塑性指数进行分类可分为粉质黏土和黏土：,人工填土,人工填土是指由人类活动而堆填的土。其物质成分较复杂、均匀性较差。根据其物质组成和堆填方式，填土可分为素填土、杂填土和冲填土三类。各类填土应根据下列特征予以区别：(1)素填土是由碎石、砂或粉土、粘性土等一种或几种材料组成的填土
30、，其中不含杂质或含杂质很少。按主要组成物质分为碎石素填土、砂性素填土、粉性素填土及粘性素填土。经分层压实后则称为压实填土。(2)杂填土是由含大量建筑垃圾、工业废料或生活垃圾等杂物的填土。成分和特征分为建筑垃圾土、工业废料土及生活垃圾土。(3)冲填土是由水力冲填泥砂形成的填土。,第二节、沟槽及基坑工程施工,主要包括：场地平整施工、基坑的开挖、降低地下水位、土的回填与压实四部分内容,一、场地平整施工,场地平整应以建设工程的规模和性质、场地设计标高、现场地形地貌、施工期限和技术力量等条件为依据。环境工程的场地标高是场区竖向规划设计的内容，通常由设计文件规定。确定标高，应在满足建设规划和生产工艺的要求
31、下，尽量考虑填挖方平衡，使总的土方工程量最小。 确定场地平整的施工顺序，应按照工程建设的部署，结合基抗、沟槽开挖的要求加以选择。般有三种情况。, 先进行整个场地的平整，然后开挖构筑物及地下管道基坑和管沟等。这种方案，可为土方机械施工提供较大的工作面，充分发挥其工作效率，但工期较长，多适用于场区高低不平，填挖土方量较大的施工现场。 先开挖建筑物、构筑物等的基坑(槽)，后进行场地平整。这种方案可以加快土建工程的施工进度，减少重复填挖土方数量，多适用于地形平坦的施工现场。 划分施工区(段)，平整与开挖结合。这种方案是根据工程特点和现场具体条件，将场地划分若干施工区，分别进行平整和开挖。,在场地平整施
32、工前，先作好必要的准备工作，主要内容如下。 清理场地。在施工区域内，对原有地上地下房屋、构筑物疏通或改建，对耕植土及淤泥等进行清理。 排除地面积水。在排除地面积水的同时，尽量利用自然地形设置排水沟雨水积存，使场地保持干燥，以利于土方施工。 修筑临时道路以供机械进场和土方运输等。,1、场地平整土方量计算,场地土方量的计算方法，通常有方格网法和断面法两种。方格网法适用于地形较为平坦、面积较大的场地，断面法则多用于地形起伏变化较大或地形狭长的地带。 主要介绍方格网法,方格网法,方格网法是采用方格网控制整个场地面计算土方量。方格边长取决于地形变化的复杂程度，一般取10m、20m、30m或40m。土方量
33、计算的步骤是：根据每个方格角点的自然地面标高和实际采用的设计标高，算出相应的角点挖填高度(称施工高度)，然后计算每一方格的土方量(大规模场地土方量计算，可使用专门的土方工程量计算表)，并算出场地边坡的土方量，相加后，即可得到整个场地的挖、填土方总量。,场地各方格的土方量，一般可分为下述三种不同类型进行计算。(1)方格四个角点全部为填或全部为挖(见下图)，其土方量为：,(2)方格的相邻两角点为挖方，另两角点为填方(下图)，,其挖方部分的土方量为：填方部分的土方量为：,(3)方格的三个角点为挖，另一个角点为填(或相反)(下图)，,其填方部分的土方量为：挖方部分的土方量为：,2、土方的平衡与调配,土
34、方调配原则 (1)应力求达到挖、填平衡和运输量最小的原则，这样可以降低土方工程的成本。然而，仅限于场地范围的平衡，往往很难满足运输量最小的要求。因此还需根据场地和其周围地形条件综合考虑，必要时可在填方区周围就近借土或在挖方区周围就近弃土，而不是只局限于场地以内的挖、填平衡，这样才能做到经济合理。,(2)应考虑近期施工与后期利用相结合的原则。当工程分期分批施工时，先期工程的土方余额应结合后期工程的需要而考虑其利用数量与堆放位置，以便就近调配。堆放位置的选择应为后期工程创造良好的工作而和施工条件，力求避免重复挖运。如先期工程有土方欠额时，可由后期工程地点挖取。,(3)尽可能与大型地下建筑物的施工相
35、结合。当大型建筑物位于填土区而其基坑开挖的土方量又较大时，为了避免土方的重复挖、填和运输，该填土区暂时不予填土，待地下建筑物施工之后再行填土。为此，在填方保留区附近应有相应的挖方保留区，或将附近挖方工程的余土按需要合理堆放，以便就近调配。,(4)调配区大小的划分应满足主要土方施工机械工作面大小(如铲运机铲土长度)的要求，使土方机械和运输车辆的效率能得到充分发挥。总之，进行土方调配，必须根据现场的具体情况、有关技术资料、工期要求、土方机械与施工方法，结合上述原则，予以综合考虑，从而作出经济合理的调配方案。,土方平衡与调配的方法 场地土方平衡与调配，需编制相应的土方调配图表，以便施工中使用。其方法
36、如下：(一)划分调配区 在场地平面图上先划出挖、填区的分界线(零线)，然后在挖方区和填方区适当地分别划出若干个调配区。划分时应注意以下几点：,(1)划分应与建筑物的平面位置相协调，并考虑开工顺序、分期施工顺序； (2)调配区的大小应满足土方机械的施工要求； (3)调配区范围应与场地土方量计算的方格网相协调、一般可由若干个方格组成一个调配区； (4)当土方运距较大或场地范围内土方调配不能达到平衡时，可考虑就近借土或弃土一个借土区或一个弃土区可作为一个独立的调配区。 (5)计算各调配区的土方量，并将它标注于图上。 如下图,土方调配图(场地内挖、填方平衡的调配图) 注：箭头上面的数字表示土方量，箭头
37、下面的数字表示运距,(二) 求出每对调配区之间的平均运距 平均运距即挖方区土方重心至填方区土方重心的距离。因此，求平均运距，需先求出每个调配区的土方重心（见下图）。其方法如下:,取场地或方格网中的 纵横两边为坐标轴， 以一个角作为坐标原 点，分别求出各区土 方的重心坐标X0、Y0：,为了简化xi、 yi的计算，可假定每个方格(完整的或不完整的)上的土方是各自均匀分布的，于是可用图解法求出形心位置以代替方格的重心位置。 各调配区的重心求出后，标于相应的调配区上，然后用比例尺量出每对调配区重心之间的距离，此即相应的平均运距。所有填挖方调配区之间的平均运距均需一一计算，并将计算结果列于土方平衡与运距
38、表内，见下表。,二、基坑（沟槽）的开挖,主要包括 土方机械化施工 基坑（沟槽）边坡 基坑（沟槽）断面选择与土方量计算 基坑及沟槽支撑,（一）、土方机械化施工,由于基坑开挖的土方量大，若采用人工，其劳动强度大，工期在工程总工期中所占的比重达25一30，成为影响工程进度的重要因素。所以，除使用适当人力作为辅助开挖外，应尽可能采用生产率高的大型挖土和运输机械施工。,推土机施工,推土机是土方工程施工的主要机械之一，它是在履带式拖拉机上安装推土板等工作装置而成的机械。常用推土机的发动机功率有45kW、75 kW、90 kW、120kW等数种。推土板多用油压操纵。液压操纵推土板的推土机除了可以升降推土板外
39、，还可调整推土板的角度，因此具有更大的灵活性。 推土机操纵灵活，运转方便，所需工作面较小、行驶速度快、易于转移，能爬30度左右的缓坡，因此 应用范围较广。 下图所示是液压操纵的T2-100型推土机外形图,T2-100型推土机,推土机适于开挖一至三类土。多用于平整场地，开挖深度不大的基坑，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。 推土机作业以切土和推运土方为主，切土时应根据土质情况，尽量采用最大切土深度在最短距离（610m）内完成，以便缩短低速行进的时间，然后直接推运到预定地点。上下坡坡度不得超过35度，横坡不得超过10度。几台推土机同时作业时，前后距离应大于8m。 推土
40、机经济运距在100m以内，效率最高的运距为60m。为提高生产率，可采用槽形推土、下坡推土以及并列推土等方法,下坡推土。即借助于机械本身的重力作用以增加推土能力和缩短推土时间，一般可提高生产率30左右，推土坡度不宜超过15度，否则推土后退时爬坡困难。并列推土。平整较大面积的场地时，可采用两台或三台推土机并列推土以减少土的散失，提高生产效率，一般采用两机并列推土可增加推土量15一30。平均运距不宜超过5075m，亦不宜小于20m。槽形推土。推土机连续多次在一条作业线上切土和推运，使地面逐渐形成一条浅槽，以减少土的散失，从而提高推土量。一般推土量可提高10一30。当挖土层较厚、运距较远时，采用此法较
41、为适宜。,分批集中、一次推送。当推运距离较远而土质又较坚硬时由于切土深度不大采用多次铲土，分批集中，一次推送，以便有效地利用推土机的功率，缩短运土时间 此外，还可在推土板两侧附加侧板，以增加推土板前的推土体积。,铲运机施工,铲运机是一种能综合完成全部土方施工工序（挖土、装土、运土、卸土和平土）的机械。按行走方式分为自行式铲运机和拖式铲运机（下图）两种。常用的铲运机斗容量为2m3，5m3，6m3，7m3等数种，按铲斗的操纵系统又可分为机械操纵和液压操纵两种。,自行式铲运机外形图,拖式铲运机外形图,铲运机操纵简单，不受地形限制，能独立工作，行驶速度快，生产效率高。 铲运机适于开挖一至三类土，常用于
42、坡度20以内的大面积土方挖、填、平整、压实，大型基坑开挖和堤坝填筑等。 铲运机运行路线和施工方法视工程大小、运距长短、土的性质和地形条件等而定。其运行线路可采用环形路线或8字路线（下图）。适用于运距为600 1500m，当运距为200 350m时效率最高。采用下坡铲土、跨铲法、推土机助铲法等，可缩短装土时间，提高土斗装土量，以充分发挥其效率。,对于地形起伏不大，施工 地段在100m以内和填土高度 1.5m以内的路堤、基坑及场 地平整施工常采用环形外行 线路如图(a)所示。当填、挖 交替，且相互之间距离较短 时则可采用图(b)所示的大 环形路线。每一个循环能完 成多次铲土和卸土，减少了 铲运机的
43、转弯次数，相应提 高了工作效率。,环形路线,“8”字形路线,施工地段较长或地形起伏较 大时，多采用“8”字形开行路线， 如图(c)所示。这种开行路线， 铲运机在上下坡时斜向开行， 每一循环完成两次作业(两次铲 土和卸土)，比环形路线运行时 间短减少了转弯和空驶距离。 同时，一个循环两次转弯方向 不同，机械磨损较为均匀。,据齿形路线,是“8”字形路线的发展， 适合工作地段很长，如 堤坝、路基填筑，采用 这种开行路线最为有效。,提高铲运机生产率的措施,下坡铲土 利用机械重力作用所产牛的附加牵引力加大切土深度，坡度一般为3度9度，最大不得超过20度，铲土厚度以20cm左右为宜，其效率可提高25左右。
44、当在平坦地形铲土时，可将取土地段的一端先铲低，并保持一定坡度向后延伸，逐步创造一个下坡铲土的地形。,跨铲法 在较坚硬土层铲土时，采用预留土埂间隔铲土法，如下图所示，可使铲运机在挖土埂时增加两个自由面，阻力减小，铲土快，易于充满铲斗，约提高效率10。,交错铲土法 在铲较坚硬土层时，为了减少铲土阻力，可采用此法，如下图所示。由于铲土阻力的大小与铲土宽度成正比，交错铲土法就是随铲土阻力的增加而适当减小铲土宽度。,助铲法 在坚硬土层中，采用另配推土机助铲(如图)，以缩短铲土时间。一般每台推土机配34台铲运机。,挖掘机施工,挖土机适用于开挖场地为至四类、含水量不大于27的丘陵地带土壤及经爆破后的岩石和冻
45、土，挖土高度一般在3m以上(使每次挖土可装满铲斗)运输距离超过1km，且土方量大而集中的工程。一般挖土机作业时，需配合自卸汽车运土，并在卸土区配备推土机平整土堆。,1正铲挖掘机,正铲挖掘机外型如下图所示。它适用于开挖停机面以上的土方，且需与汽车配合完成整个挖运工作。正铲挖掘机挖掘力大，适用于开挖含水量较小的一类土和经爆破的岩石及冻土。,正铲的开挖方式根据开挖路线与汽车相对位置的不同分为正向开挖、侧向装土以及正向开挖、后方装土两种（下图）。前者生产率较高。,正铲开挖方式 a） 正向开挖、侧向装土； b）正向开挖、后方装土,正铲的生产率主要决定于每斗作业的循环延续时间。为了提高其生产率，除了工作面
46、高度必须满足装满土斗的要求之外，还要考虑开挖方式和与运土机械配合。尽量减少回转角度，缩短每个循环的延续时间。,2反铲挖掘机,反铲适用于开挖一至三类的砂土或粘土。主要用于开挖停机面以下的土方，一般反铲的最大挖土深度为46m，经济合理的挖土深度为35m。反铲也需要配备运土汽车进行运输。反铲的外型如下图所示。,反铲的开挖方式可以采用沟端开挖法，即反铲停于沟端，后退挖土，向沟一侧弃土或装汽车运走（图a），也可采用沟侧开挖法，即反铲停于沟侧，沿沟边开挖，它可将土弃于距沟较远的地方，如装车则回转角度较小，但边坡不易控制（图b）。,反铲开挖方式 a 沟端开挖； b 沟侧开挖,3抓铲挖掘机,机械传动抓铲外形如
47、下图所示。它适用于开挖较松软的土。对施工面狭窄而深的基坑、深槽、深井采用抓铲可取得理想效果。抓铲还可用于挖取水中淤泥、装卸碎石、矿渣等松散材料。抓铲也有采用液压传动操纵抓斗作业。,抓铲挖土机的挖土特点是：“直上直下，自重切土”。其挖掘力较小，只能开挖的I级土，抓铲挖土机的抓铲能在回转半径范围内开挖基坑上任何位置的土方。宜于开挖窄而深的基坑或水中淤泥。 抓铲挖土时，通常立于基坑一侧进行，对较宽的基坑则在两侧或四侧抓土。抓挖淤泥时，抓斗易被淤泥“吸住”，应避免起吊用力过猛，以防翻车。,4、拉铲挖掘机,拉铲挖掘机的开挖方式和反铲挖掘机相似，分沟端开挖和沟侧开挖 拉铲挖掘机的挖土特点是：“后退向下，自
48、重切土”。其挖土半径和挖土深度较大，能开挖停机面以下的III级土，工作时，利用惯性力将铲斗甩出去，挖得比较远。但不如反铲灵活准确，宜用于开挖大而深的基坑或水下挖土。,5、多斗挖土机,见课本P58,（二）、基坑（沟槽）边坡,1、边坡稳定性 施工中，土方放坡坡度的留设应考虑土质、开挖深度、施工工期、地下水水位、坡顶荷载及气候条件因素。当地下水水位低于基底，在湿度正常的土层中开挖基坑或管沟，如敞露时间不长，在一定限度内可挖成直壁不加支撑。,施工中除应正确确定边坡，还要进行护坡，以防边坡发生滑动。土坡的滑动一般是指土方边坡在一定范围内整体地沿某一滑动面向下和向外移动而丧失其稳定性。边坡失稳往往是在外界
49、不利因素影响下触动和加剧的。这些外界不利因素导致土体下滑力的增加或抗剪强度的降低。 土体的下滑使土体中产生剪切应力。引起下滑力增加的因素主要有：坡顶上堆物、行车等荷载；雨水或地面水渗入土中使土的含水量提高而使土的自重增加；地下水渗流产生一定的动水压力；土体竖向裂缝中的积水产生侧向静水压力等。引起土体抗剪强度降低的因素主要是：气候的影响使土质松软；土体内含水量增加而产生润滑作用；饱和的细砂、粉砂受振动而液化等。,因此，在土方施工中，要预估各种可能出现的情况，采取必要的措施护坡防坍，特别要注意及时排除雨水、地面水，防止坡顶集中堆载及振动。必要时可采用钢丝网细石混凝土（或砂浆）护坡面层加固。如是永久性土方边坡，则应做好永久性加固措施。,2、边坡坡度的确定,边坡可做成直线形、折线形或踏步形a) 直线形； b) 折线形； c) 踏步形,土方边坡坡度以其高度H与其底宽度B之比表示 土方边坡坡度= 式中，m=B/H，称为坡度系数。,
