1、第1章 土方工程,土方工程概述 土方工程量计算与土方调配 土方边坡与土壁支护 排水与降水 土方工程机械化施工,主要内容,【实际问题】,某工程位于经济开发区内, 北侧和东侧为道路, 南侧和西侧紧临其他建筑。该工程为高层综合楼, 地下一层地上二十二层, 基坑呈矩形状, 长98.0m, 宽40.2m, 地下水位距地面1.500m 左右, 基础开挖深度为6.00m。该工程所处地区地下水位高, 土质条件差,属冲积-海积平原, 填垫前为盐田, 现用耕植土填起。主要土层为淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土层, 含水量一般在50%左右, 孔隙比一般在1.21.6 之间,土的压缩性高, 抗剪强度低, 在外荷载作用下,
2、地基承载能力低, 变形大, 不均匀沉降也大。,近年来，本地区在基坑施工中由于开挖不慎，造成基坑坍塌的事故屡有出现，对周围建筑、道路、管线等造成很大破坏，从而影响了工程进度，给人们生活带来不便，造成不好的社会影响。本工程基坑土方开挖如何施工才能安全并尽量减少对周围环境的影响？,2.1.1 土方工程的特点及施工要求 1）面广量大、劳动繁重 2）施工条件复杂,2.1 土方工程概述,1）在条件允许的情况下应尽可能采用机械化施工；在条件不够或机械设备不足时，应创造条件，采取半机械化和革新工具相结合的方法； 2）要合理安排施工计划，尽量避开冬季、雨季施工，并做好相应准备工作。 3）对土方进行合理调配、统筹
3、安排，降低费用。 4）做好调查研究，了解土壤的种类和工程性质，工期要求、质量要求及施工条件，施工地区的地形、地质、水文、气象资料，拟定合理的施工方案和技术措施，以保证工程质量、安全、进度。,组织土方工程施工的要求（4条）：,工程分类直观的鉴别方法，就是根据开挖难易程度和开挖中使用不同的工具和方法来进行分类。 土的开挖难易程度直接影响土方工程的施工方案，劳动量消耗和工程费用。 土越硬，劳动量消耗越多，工程成本越高。,2.1.2 土的工程分类,土的构成：固体颗粒、水和气体三部分。 （1）土的体积：V=Vw+Va+VsVv+Vs 式中：Vw水的体积，Vs土颗粒的体积， Va气体体积，Vv孔隙的体积。
4、 （2）土的质量：M=Mw+Ms 式中：Mw水的质量，Ms土颗粒的质量。,2.1.3 土的工程性质,天然密度：和土的天然密度，是指土在天然状态下单位体积的质量，它影响土的承载力、土压力及边坡的稳定性。 干密度d：土的干密度，是指单位体积土中固体颗粒的质量，即土体空隙中无水时的单位土重。一定程度上反应了土颗粒排列的紧密程度，可用来作为填土压实质量的控制指标。,（3）土的密度：M/V,（4）土的重度：g （式中：g重力加速度。） （5）土的干重度：d（Ms/V）g （6）饱和重度： sat（Mw+Ms+Vaw）/V g （7）有效重度:=sat-wg=sat-w 土重度的比较： satd,（8）孔
5、隙比：eVv/Vs*100% （9）孔隙率：nVv/V*100% 孔隙比和孔隙率之间的换算关系：en/(1-n) n=e/(1+e) （10）饱和度：St=Vw/Vv*100%,（11）土的含水量： mw土中水的质量； ms土中固体颗粒经温度为105烘干后的质量。,土的含水量会影响土方开挖、边坡稳定和回填土夯实等的施工。当土的含水量超过25%30%时，采用机械施工就很困难，含水量超过20%是，一般运土汽车就容易打滑、陷车，影响挖土机的工作。回填土夯实时若含水量过大则会产生橡皮土现象，无法夯实。,土的最初可松性系数： 土的最后可松性系数： 注：KsKs1.0 V1自然状态下土的体积； V2开挖后
6、的松散体积； V3回填压实后的体积。 一般有：V2V3V1,（12）土的可松性：,土体孔隙中的自由水在重力作用下会透过土体运动，这种被水透过的性质称为土的渗透性。 以确定降水方案和计算涌水量、确定土方填筑铺筑顺序。,单位时间渗水量：,渗流速度：,(H-水头差; L-渗流路径长度; A-土体横截面积),（13）土的渗透性,常规土体渗透性比较： 粘土粉土砂土砾石,2.1.4 土方边坡坡度,土方边坡坡度= m=称为坡度系数； 当边坡高度为h时，边坡宽度为b=mh。,（a）直线形 （b）折线形 （c）阶梯形 图2.1 土方放坡形式,土方边坡的大小影响因素：土质、开挖深度、开挖方法、边坡留置时间的长短、
7、边坡附近的各种荷载状况及排水情况有关。,当土质均匀且地下水位低于基坑（槽）或管沟底标高时，挖方边坡可做成直立壁而不加支撑，但深度不宜超过下列规定：,当地质条件良好，土质均匀且地下水位低于基坑（槽）或沟底标高时，挖土深度在5m以内不加支撑的边坡最陡坡度应符合下表规定，并在施工中随时检查边坡的稳定情况。,表1- 3 深度在5m内的基坑（槽）、管沟边坡的最陡坡度（不加支撑）,为保护土质边坡的稳定、坚固，常对开挖坡面采取一定的加固措施进行护坡。 常用的边坡加固方法水泥砂浆抹面、浆砌片石护坡、堆置砂(土)包护坡、塑料膜覆盖，喷浆或挂网喷射混凝土等。 经以上边坡加固方法处理过的边坡即称为人工加固边坡。,
8、水泥砂浆抹面常用于保护易风化的软质岩石、老粘性土及破碎岩石边坡坡面的稳定，一般作3050mm厚水泥砂浆抹面。如用于一般土质边坡，常沿坡面打入双向间距1.0m左右长11.5m的级螺纹钢筋(直径1016mm)以加强砂浆面层与坡面土体的连结。 浆砌片石护坡对各种土质或岩石边坡，为防止风化剥落或滑坍，可采用浆砌片石护坡，坡度应小于 10.5，竖直边坡也可采用红砖砌筑。也可在坡脚处砌筑一定高度的浆砌片石或红砖墙，用于反压及挡土。, 叠置砂(土)袋护坡对已发生或将要发生滑坍失稳或变形较大的边坡，常用叠置砂袋或土袋(草袋或土工织物袋)，置于坡脚或坡面，具有排水反压，抗滑稳定的作用。 塑料薄膜覆盖护坡在坡面铺
9、设抗拉或防水的塑料薄膜(土工布)，其上覆盖素土、砂土、砂浆抹面等，对坡面进行防水、防风化、防坡面土流失的加固处理。,2.2 土方量计算与土方调配,2.2.1 基坑（槽）土方量计算,图2.2 基坑土方量计算 图2.3 基槽土方量计算,土方工程的地形往往复杂，几何形状不规则，要进行精确计算比较困难。通常都是将其假设或划分成为一定的几何形状，并采用具有一定精度而又与实际情况近似的方法进行计算。,基坑：长宽比小于等于3的矩形土体， 计算：按立体几何中棱柱体（由两个平行的平面作底的一种多面体）的体积公式计算，即V土方工程量，m3；H基坑深度，m；A1、A2基坑上下的底面积，m2；A0基坑中截面的面积，m
10、2。,1)基坑土方量计算,基槽的土方量可以沿长度方向分段后，再用同样的方法计算，即则基槽总土方量为各段的和，即,2)基槽土方量计算,场地平整土方量计算主要步骤（三步）： 1、场地设计标高的确定 场地初步设计标高的计算 场地设计标高的调整 2、土方量计算 确定零线挖填方的分界线 计算各区格土方量 计算挖方和填方总工程量 3、土方调配的规划,2.2.2 场地设计标高的确定,场地设计标高的确定原则：,一般应在设计文件上规定；若设计文件对场地设计标高没有规定时，对中小型场地可采取“挖填土方量平衡法”确定；对大型场地宜作竖向规划设计，采用“最佳设计平面法”确定。 主要考虑因素: 满足工艺和运输的要求 尽
11、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。,将地形图划分方格，方格一般采用20m20m40m40m，如图所示。 每个方格的角点标高，一般根据地形图上相邻两等高线的标高，用插入法求得； 在无地形图的情况下，也可在地面用木桩打好方格网，然后用仪器直接测出。,2）初步计算场地设计标高,图2.4 场地设计标高计算简图 1等高线；2设计标高平面；3自然地面；4零线,每个方格体积按照等效柱体（平均高度）计算； 照挖填土方量相等的原则，场地设计标高可按下式计算：,简化为：,2,1,3,4,方格网,满足挖填方平衡的
12、平均高度,进一步简化为：,所计算的标高，纯系初步计算值，还需考虑多种因素进一步进行调整。 由于边坡填挖土方量不等（特别是坡度变化大时）而影响设计标高的增减（根据具体情况确定）；,2）场地设计标高的调整,土可松性的影响 土的可松性导致场地设计标高的提高 调整场地设计标高应采用最后可松性系数,设计标高以上的填方工程（降低标高） 设计标高以下的挖方工程（提高标高） 就近从场外挖土（提高标高） 就近弃土于场外（降低标高）,小结：填土量大，场地设计标高提高； 挖土量大，场地设计标高降低。,场内和场外挖、填土的影响,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。,单向泄水：,双向
13、泄水：,2.2.3 场地平整土方量计算,方格网法：就是用方格网控制整个场地，将场地划分为2040m的正方形方格网。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，算出相应的角点填挖高度，然后计算每一个方格的土方量，再将场地上所有方格的土方量求和，并算出场地边坡的土方量，这样即可以得到整个场地的挖、填土总方量。,标注示意,施工高度：“+”填；“-”挖,1）计算各角点的施工高度,“零线”：“零点”所连成的线。 “零点”：方格边界上施工高度为0的点，插入法确定。 “零线”特征：挖填区的分界线；是一条连续的线；假设场地无限大，是封闭的；在一个场地上可能会有多条；,2）确定“零线”,图2.8 零点位
14、置图解法 图2.9 零点位置计算示意图 h1 、h2 分别为填和挖角点施工高度； x1 、x2 分别为零点至填和挖角点水平距离,（1）全挖全填： （2）两个角点为挖，另两个角点为填：,3）计算方格网内的土方量,（3）一个角点为挖，另三个角点为填：,4）计算场地边坡的土方量,土方调配：就是对挖土的利用、堆弃和填土的取得三者之间的关系进行综合协调的处理。其目的是方便施工，并且在土方总运输量（m3m）最小或土方运输成本（元）最低的条件下，确定填、挖方区土方的调配方向、数量和平均运距，从而缩短工期，降低成本。,2.2.4 土方调配,1)力求达到挖、填平衡和运距最短（成本最小化）。 2)应考虑近期施工与
15、后期利用相结合的原则。 3)应采取分区与全场相结合来考虑的原则。 4)还应尽可能与大型地下建筑物的施工相结合。 5)合理布置挖、填方分区线，选择恰当的调配方向、运输线路，使土方机械和运输车辆的性能得到充分发挥。,土方调配的原则,土方调配图表法：,第1步：划分调配区在场地平面图上先划出挖、填区的分界零线；根据地形及地理条件，把挖方区和填方区再适当地划分为若干调配区，其大小应满足土方机械的操作要求，例如调配区的大小应大于或等于机械的铲土长度。 第2步：计算土方量计算各调配区土方量，并标明在图上。,第3步：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距离； 每个调配区的重
16、心计算方法如下：取场地或方格网中的纵横两边为坐标轴，分别求出各区土方的重心位置，即：,第4步：最优调配方案的确定。 根据每对调配区的平均运距L0，绘制多个调配方案，比较不同方案的总运输量Q=VL0，以Q最小者为经济调配方案。 大型的土方工程，可利用电算求解该线性规划问题来确定最优调配方案。 如果是中小工程，挖填方数目不多，可采用 “表上作业法”求解土方调配问题。,第5步：绘出最优方案的土方调配图和土方量平衡表,土方最优调配图,土方量平衡表,场地平整土方量计算与调配步骤回顾,计算场地设计标高,调整场地设计标高,确定零线,计算各方格挖填土方量,挖填方平衡,划分网格,根据土的可松性调整,根据泄水坡度
17、调整，等,计算各角点施工高度后定零线,土方调配,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：剪应力抗剪强度 边坡稳定: 抗剪强度剪应力,2.3 土方边坡和土壁支护,2.3.1 边坡稳定,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 由于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）边坡过陡，土体本身稳定性不够而产生塌方。 2）坡顶堆载过大，尤其是存在动载，使土体中产生的剪应力超过土体的抗剪强度
18、， 3）地面水及地下水渗入边坡土体，使土体的自重增大，抗剪能力降低，从而产生塌方。 4）开挖过深、土质较差、支护软弱等,边坡塌方主要原因：,防止边坡塌方的措施：,1）放足边坡符合规范的要求，参考土壤的性质、水文地址条件、施工方法、开挖深度、工期的长短等因素。 2）减少在边坡上堆载或动载的不利影响当土质良好时，堆土或材料应距挖方边缘0.8m以外，高度不应超过1.5m。在软土地区开挖时，应随挖随运，以防由于地面加荷引起的边坡塌方。 3）做好排水工作防止地表水、施工用水和生活废水浸入边坡土体；雨期施工时，注意检查边坡的稳定性，必要时加设支撑。,4）进行边坡面保护塑料薄膜覆盖，水泥砂浆抹面、挂网抹面或
19、喷浆等方法 5）提高土壁的稳定性采用通风疏干，电渗排水，爆破灌浆，化学加固等方法，改善滑动带岩土的性质，以稳定边坡，确保土壁的稳定性。 6）重视施工观察建立预警机制，加强观察和监测,在开挖基坑（槽）或管沟时，如果地质和场地周围条件允许，采用放坡开挖，比较经济。 但在建筑物密集地区施工时，常因受场地的限制而不能放坡，或放坡所增加的土方量很大，或有防止地下水渗入基坑要求时，可采用设置土壁支撑或支护，以保证施工的顺利和安全，并减少对相邻已有建筑物等的不利影响。,2.3.2 土壁支护,工程特点、开挖深度 采用土壁支护应根据 地质条件、地下水位 临近建筑物的情况 施工方法 要求：牢固可靠；经济合理；确保
20、安全 钢（木）支撑 板桩 常用方法： 灌注桩 深层搅拌桩 地下连续墙,基坑支护失效实例,1994年9月上海黄浦区某大厦基坑支护靠马路40m长支撑破坏，600厚地下连续墙倒塌。 基坑挖深23.5m。 原因为设计、施工和监测多方面。,基坑支护屈曲实例,角撑受压平面外失稳,1）基槽支护结构,开挖较窄的沟槽，多用横撑式土壁支撑。横撑式支撑根据挡土板的设置方向不同，分为水平式支撑和垂直式支撑。,(a) 间断式水平挡土板支撑 (b) 垂直挡土板支撑 图2.15 横撑式支撑 1水平挡土板；2立柱；3、6工具式横撑； 4垂直挡土板；5横楞木,水平式支撑： 挡土板间断或连续的水平放置。 间断式水平挡土板支撑适于
21、能保持直立壁的干土或天然湿度的黏土，深度在3m以内。 连续式水平挡土板支撑适于较潮湿的或散粒的土，深度在5m以内。 垂直式支撑： 间断或连续的挡土板垂直放置。 适于土质较松散或湿度很高的土，地下水较少，深度不限。,2）基坑支护结构,一般根据地质条件、基坑开挖深度、对周围环境保护要求及降排水情况等选用。 设计时：首先要考虑安全可靠性，其次要满足本工程地下结构施工的要求，并应尽可能降低造价和便于施工。 包括挡墙与支撑（拉锚）两部分 按受力不同分：重力式支护结构、非重力式支护结构、边坡稳定式支护。,非重力式支护结构按支护结构支撑系统的不同分为：悬臂式支护结构、内撑式支护结构和坑外锚拉式支护结构。 按
22、挡墙所选用的材料不同分：钢板桩、钢筋混凝土桩、地下连续墙、深层搅拌水泥土桩、旋喷桩等排桩挡墙。 土钉墙挡土墙属于边坡稳定式支护法，深层搅拌水泥土桩和旋喷桩幕墙属于重力式支护结构，其他均属于非重力式支护结构。,（1）重力式支护墙类型,是对基坑边坡滑动体范围及其附近土体进行加固，改善其物理力学性能，使其称为具有一定强度和稳定性的土体结构，从而保证边坡稳定，并兼有抗渗作用。,某住宅楼，地下室一层，挖深6m，采用水泥土搅拌桩支护技术。, 深层搅拌水泥土桩挡墙,原理：利用深层搅拌机在边坡土体需要加固的范围内，将软土与固化剂强制拌和，使软土硬结成具有整体性、水稳性和足够强度的水泥加固土，称为水泥土搅拌桩。
23、 水泥土桩相互搭接硬化后即形成具有一定强度的壁状挡墙，具有挡土、截水双重功能。,可分为深层搅拌桩、粉喷水泥搅拌桩和高压旋喷桩等，既可挡土又可止水，其中深层搅拌水泥土挡墙广泛用于软土地区（淤泥质土，地基承载力120kPa粘性土）的深基坑工程，挖深8m。 一般靠自重和刚度进行挡土， 适用于深度为4-6m的基坑，最大可达7-8m。,A. 构造要求,水泥土桩挡墙的截面多采用连续式和格栅形。当采用格栅形时，水泥土桩的置换率（水泥土桩面积与格栅总面积之比）为0.6-0.8。 在软土地区当基坑开挖深度h5m，可按经验取墙体宽度B=（0.6-0.8）h，嵌入基底下的深度hd=（0.8-1.2）h。 水泥土桩之
24、间的搭接宽度，考虑截水作用时不宜小于150mm，不考虑截水作用时不宜小于100mm。,图2.16 水泥土桩挡墙的一般构造 a）水泥土桩挡墙剖面；b）连续式劲性水泥土桩挡墙平面；c）格栅式平面布置 1-搅拌桩；2-插筋；3-面板；4-H型钢,水泥土桩加固强度随水泥掺入比而异，一般掺入比取12%-14%，采用32.5级普通硅酸盐水泥。 可掺加木钙、三乙醇胺、氯化钙、硫酸钠等外加剂，改善水泥土桩的性能和提高早期强度。 水泥土桩的30天强度不应低于0.8MPa。 为了提高水泥土桩挡墙的刚度和抗弯能力，可在顶部插入钢筋，也可插入H型钢，并将水泥掺入比提高至20%，构成劲性水泥土搅拌桩（或称SMW工法），
25、该法可用于8-10m深的基坑。,B. 水泥土搅拌桩的施工,搅拌桩施工可采用“一次喷浆、二次搅拌”或“二次喷浆、三次搅拌”工艺，主要依据水泥掺入比及土质情况而定。水泥掺量较少，土质较松时，可用前者，反之可用后者。 “一次喷浆、二次搅拌“的施工工艺流程如 所示。当采用“二次喷浆、三次搅拌”工艺时，可在图示布置（e）作业时也进行注浆，以后再重复（d）和（e）的过程。,图2.17 “一次喷浆、二次搅拌“的施工工艺流程,施工要点如下：,（1）桩位准确，桩体垂直 放线桩位与设计桩位误差不得大于20mm，桩机就位与桩位的误差不得大于50mm，成桩后与设计位置误差应小于50mm。 为保证搅拌桩垂直于地面，桩机
26、就位后导向架的垂直度偏差不得超过0.5%，应加强检查。 （2）水泥浆不得离析 水泥浆要严格按设计的配合比拌制（一般水灰比为0.50.6），制备好的水泥浆停置时间不宜过长（2h），不得有离析现象。,（3）确保水泥搅拌桩强度和均匀性 搅拌机搅拌下沉速度一般不超过0.7m/min，以保证使软土充分搅碎。 如下沉困难，可由输浆管适量冲水，以加速搅拌机下沉，但在喷浆前须将输浆管中的水排清，同时应考虑冲水对桩体质量的影响。 施工时要严格按设计要求控制喷浆量和搅拌提升速度（一般不超过0.5m/min）。输浆时应连续供浆，不允许断浆。如因故断浆，应将搅拌机下沉到断浆点以下0.5m处再喷浆提升。,（4）确保加固体的连续性 水泥土桩挡墙应采用切割搭接法施工，应在前桩水泥尚未固化时进行后续搭接桩的施工，搭接施工的间歇应不超过1016h，否则应采用技术措施保证加固体的连续性（俗称接头处理）。, 高压旋喷桩挡墙,高压旋喷桩是指工程钻机钻孔至设计深度后，在钻杆从地基土中逐渐上提的过程中，利用插入钻杆端部的旋转喷嘴，将水泥浆固化剂喷入地基土中形成水泥土桩，桩体相连形成帷幕墙，可用作支护结构挡墙。在旋喷桩施工时，要控制好上提速度，喷射压力和喷射量，否则难以保证质量。 它与深层搅拌水泥土桩只是在形成水泥土桩的工艺有所不同。,
