1、第一章 土方工程,11 土的分类与性质12 土方量计算与调配13 土方开挖的辅助工作14 土方工程机械化施工15 土方填筑与压实,11 土的分类与性质,一、土的分类按土开挖的难易程度将土分为：松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚硬石等八类。松土和普通土可直接用铁锹开挖，或用铲运机、推土机、挖土机施工；坚土、砂砾坚土和软石要用镐、撬棍开挖，或预先松土，部分用爆破的方法施工；次坚石、坚石和特坚硬石一般要用爆破方法施工。 土的工程分类与现场鉴别方法见表1.1所示。,表1.1 土的工程分类与现场鉴别方法,二、土的工程性质,1、土的质量密度： （1）天然密度 在天然状态下，单位体积土
2、的质量。它与土的密实程度和含水量有关。一般 =1620 KN/m3 （2）干密度 d土的固体颗粒质量与总体积的比值，在一定程度上，土的干密度反映了土的颗粒排列紧密程度，是检测填土密实程度的指标。 (105，烘干34h）,2、土的含水量： （1）天然含水量 土中水的质量与固体颗粒质量之比的百分率。W =（G湿-G干）/G干 5%干土，530%潮湿土，30%湿土土的含水量随气候条件、雨雪和地下水的影响而变化，对土方边坡的稳定性及填方密实程度有直接的影响。 （2）最佳含水量可使填土获得最大密实度的含水量。（击实试验、手握经验确定）,3、土的可松性：自然状态下的土经开挖后，体积因松散而增加，以后虽经回
3、填压实，仍不能恢复。最初可松性系数 KS=V2 /V1 1.081.5最后可松性系数 KS=V3 /V1 1.011.3V1 土在自然状态下的体积。V2 土经开挖后松散状态下的体积。V3 土经回填压实后的体积。 用途：开挖，运输、存放，土方调配，留土量。,4、土的渗透性表示单位时间内水穿透土层的能力，用K表示。 K的意义：水力坡度（I=h/L）为1时，单位时间 内水穿透土体的速度（V=KI） K的单位：m / d 粘土 0.1，粗砂5075，卵石100200用途：涌水量，回填。,12 土方量计算与调配,一、基坑（槽）土方量计算 1、基坑土方量：,V=(F下+4F中+F上)H/6,F下,F上,F
4、i,2、基槽（路堤）土方量：,沿长度方向分段计算Vi，再 V = Vi断面尺寸不变的槽段：Vi =FiLi断面尺寸变化的槽段：Vi =(Fi1+4Fi0+Fi2)Li/6槽段长Li：外墙槽底中中，内墙槽底净长,二、场地平整设计标高的确定,1、确定场地设计标高应考虑的因素：(1) 与已有建筑物的标高相适应，满足生产工艺和运输 的要求； (2) 尽量利用地形，减少挖填方数量；(3) 争取在场区内挖填平衡，降低运输费;(4) 有一定泄水坡度，满足排水要求；(5) 必要时考虑最高洪水位的影响。 2、场地设计标高的确定场地设计标高一般在设计文件上规定，如无规定：,(1)小型场地挖填平衡法(即平整前后土方
5、量相等) ， 将场地划分为每格边长10 40m的方格网，则场地设计标高：,H0=（H11+H12+H21+H22）/4M H11、 H12、 H21、 H22 一个方格各角点 的自然地面标高； M 方格个数。或：H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4M H1一个方格所仅有角点的标高； H2、H3、H4分别为两个、三个、四 个方格共用角点的标高。,(2)大型场地按泄水坡度调整各角点设计标高 ：,H0,B.双向排水：Hn = H0 Lx ix Ly iy,H11,H12,H21,（3）最佳设计平面的概念： ix iy 也未定， 挖填平衡 不表示总土方量最小，最小二乘法，使挖填平衡且总土方量最小
6、。,A.单向排水: Hn = H0 Li,Hn,3、场地设计标高的调整,（1）土的可松性，可提高设计标高h=Vw（ KS-1）/（FT+FW KS） （2）设计标高以上填土，降低设计标高设计标高以下挖土，提高设计标高 （3）场外弃土，降低设计标高场外取土，提高设计标高 （4）边坡对设计标高的影响,三、场地土方量的计算：分别按方格求出挖、填方量，再求整个场地总挖方量、总填方量 1、计算场地各方格网角点的施工高度hn = Hn - H （施工高度 = 设计标高 自然标高） 2、确定零线hn = 0 的点为零点，相邻两个零点相连成零线，即挖 填方的交界线。可用插入法或作图法求零点位置。,3、计算场地
7、挖填方量 (1). 四方棱柱体法A. 全挖、全填格：V挖（填）=a2 (h1+h2+h3+h4)/4 h1 h4 方格角点施工高度绝对值V挖（填） 挖方或填方的体积。B. 部分挖、部分填格：V挖（填） = a2 h挖（填） 2 / 4 h h挖（填） 方格角点挖或填施工高度绝对值之和；h 方格四个角点施工高度绝对值总和。 (2). 三角棱柱体法（略）,【例】某建筑场地方格网、地面标高如图,格边长a=20m。泄水坡度ix =2，iy=3，不考虑土的可松性的影响，确定方格各角点的设计标高。,解：（1）初步设计标高（场地平均标高）H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4M=70.09+71.43+
8、69.10+70.70+2（70.40+70.95+69.71+）+4（70.17+70.70+69.81+70.38） /（49）=70.29（m）,70.09,70.09,（2）按泄水坡度调整设计标高：,Hn = H0 Lx ix L yi y ； H1 =70.29302+303=70.32,70.32,70.36,70.40,70.44,70.26,70.30,70.34,70.38,70.20,70.24,H070.29,H2 =70.29 102+303=70.36,H3=70.29+102+303=70.40,其它见图,（3）场地土方量计算,A、计算各方格角点的施工高度 hn ：
9、 hn= HnHn 即：hn=该角点的设计标高自然地面标高（m）,h1 =70.32 70.09=0.23（m）； 正值为填方高度,+0.23,-0.04,-0.55,-0.99,+0.55,+0.13,-0.36,-0.84,+0.83,h2 =70.3670.40=0.04（m）；,负值为挖方高度,B、确定零线（挖填分界线）插入法、比例法找零点 零点连线,0,0,四、土方调配：土方调配是土方工程施工组织设计(土方规划)中的一个重要内容，在平整场地土方工程量计算完成后进行。 编制土方调配方案应根据地形及地理条件，把挖方区和填方区划分成若干个调配区，计算各调配区的土方量，并计算每对挖、填方区之
10、间的平均运距(即挖方区重心至填方区重心的距离)，确定挖方各调配区的土方调配方案，应使土方总运输量最小或土方运输费用最少，而且便于施工，从而可以缩短工期、降低成本。,1、调配目标：总运输量最小；土方施工成本最低。 2、用最小元素法编制初始调配方案： （1）找出零线，画出挖方区、填方区； （2）划分调配区 注意：A.位置与建、构筑物协调，且考虑开、施工顺序；B.大小满足主导施工机械的技术要求；C.与方格网协调，便于确定土方量； D.借、弃土区作为独立调配区。,T1,T2,T3,（3）确定各挖、填方区间的平均 运距，即土方重心间的距离。（可近似以几何形心代替土方 体积重心）,划分调配区示例：,（4）
11、编制土方平衡运距表,（5）编制初始调配方案方法：最小元素法就近调配。顺序：先从运距小的开 始，使其土方量最大。,n 列,m 行,400,500,500,300,100,100,结果：所得运输量较小，但不一定是最优方案。（总运输量97000m3-m),3、调配方案的检验用位势法或假想运距法检验初始调配方案是否最优求检验数ij ，若所有ij 0，则方案为最优解。A.求位势Ui 和Vj ：位势和就是在运距表的行或列中用运距（或单价）同时减去的数，目的是使有调配数字的格检验数为零，而对调配方案的选取没有影响。,计算方法：平均运距（或单方费用）Cij = Ui+Vj,设 U1=0，,U1= 0,V1=5
12、0,U3=10,V2=100,U2=60,V3= 60,U4=20,U3= C31V1=6050=10；,则 V1= C11U1=500=50；,V2=11010=100； ,B.求空格的检验数 ij, Ij= Cij Ui Vj 11= 500500 12= 70010030 13= 10006040 21= 70(60)5080 ,结论：表中 12为负值，不是最优方案。应对初始方案进行调整。,-30,+40,+80,+90,+50,+20,4.方案调整 调整方法：闭回路法。 调整顺序：从负值最大的格开始。,A. 找闭回路沿水平或垂直方向前进，遇适当的有数字的格转弯，直至回到出发点。,B.
13、调整调配值从空格出发，在奇数次转角点的数字中，挑最小的土方数调到空格中。且将其它奇数次转角的土方数都减、偶数次转角的土方数都加这个土方量，以保持挖填平衡。,X12,(100),(0),(400),(400),5.再检验调整，直至方案最优,若检验数仍有负值，则重复以上步骤，直到全部 ij 0而得到最优解。,+40,+50,+60,+50,+50,U1= 0,V1=50,V2=70,U2=30,U3=10,V3=60,U4=20,+30,由于所有的检验数 ij 0，故该方案已为最优方案。,7. 求出最优方案的总土方运输量： 40050100705004040060100704004094000m3
14、-m 。,6. 绘出调配图： （包括调运的流向、数量、运距）。,有借、弃土时的土方调配图,13 土方开挖的辅助工作,一、场地平整施工准备工作： 1、场地清理 2、地面水排除 3、通路、通电、通水,二、土方边坡稳定,T CT土体下滑力。下滑土体的分 力，受坡上荷载、雨水、静水压力影响。,1、边坡稳定的条件,C土体抗剪力。由土质决定，受气候、含水量等影响。或者说，土体的稳定条件是：在土体的重力及外部荷载作 用下所产生的剪应力小于土体的抗剪强度。 2、确定边坡大小的因素土质、开挖深度、开挖方法、留置时间、排水情况、坡上荷载,3、放坡与护面 （1）直壁（不加支撑）的允许深度：密实、中密的砂土和砂填碎石
15、土：1.00m；硬塑、可塑的轻亚粘土及亚粘土：1.25m；硬塑、可塑的粘土和粘填碎石土：1.50m；坚硬的粘土： 2m 。 （2）边坡A. 边坡坡度,m坡度系数。mB/HB. 边坡形式：斜坡、折线坡、踏步（台阶）式,1:m,i=H/B=1:(B/H)=1:m,C. 深度在5m内的基坑、基槽、管沟边坡的最陡坡度 （适用条件：地下水位以上）,（3）边坡护面措施：覆盖法，挂网法，挂网抹面法，土袋、砌砖压坡法，喷混凝土法、土钉墙,基坑边坡护面方法示意图,（d）土袋或砌石压坡护面,（c）钢丝网混凝土或钢筋混凝土护面,（a）薄膜或砂浆覆盖,（b）挂网或挂网抹砂浆护面,三、支护结构 1、选型 （1）土壁支撑
16、A.横撑式支撑a.水平挡土板式：断续式湿度小的粘性土， 挖土深度小于3m,连续式较潮湿的或散粒的土，挖土深度小于5mb.垂直挡土板式：适用于：较窄且施工操作简单的管沟、基槽，深度不限B.锚碇式支撑适用于：基坑宽度较大时,（2）护坡桩挡墙A. 挡墙类型a. 钢板桩b. H型钢桩C. 钻孔灌注桩d. 人工挖孔桩e. 深层搅拌桩f. 旋喷桩,B. 锚固形式 a. 悬臂式基坑深度5m b. 斜撑式基坑内有支设位置 C. 锚拉式在滑坡面外设置锚桩 d. 锚杆式地面上有障碍或基坑深度大 e. 水平支撑式适用：土质较差或坑周围地上、地下有障碍支撑种类：对撑、角撑、桁架支撑、圆形支撑、 拱形支撑支撑材料：钢筋
17、混凝土、钢。,（3）土钉墙支护A. 作用：土钉与土体形成复合体，提高边坡稳定性和 超载能力，增强土体破坏延性。B. 特点：土体稳定性好，位移小，施工简便，费用低，对邻近建筑物影响小。分层分段施工，阶段不稳定性。C. 适用于：地下水位以上的杂填土、粘性土、非松散砂土。边坡坡度7090 。D. 工艺过程：挖土打孔插筋、注浆铺放、压固钢筋网喷射混凝土挖下层土,（4）地下连续墙A. 作用：防渗、挡土，地下室外墙的一部分；B. 适用于：坑深大，土质差，地下水位高；邻近有建 （构）筑物；采用逆作法施工。C. 工艺过程：作导槽钻槽孔放钢筋笼水下灌注混凝土基坑开挖与支撑。,2、支护结构设计设计内容：（1）支护
18、桩入土深度（2）支撑（3）支护结构本身强度,四、降低地下水位 1、 降水目的 （1）防止涌水、冒砂，保证在较干燥的状态下施工； （2）防止滑坡、塌方、坑底隆起； （3）减少坑壁支护结构的水平荷载。,地下含水构造的种类,2、流砂现象 （ 1）动水压力地下水在渗流过程中受到土颗粒的阻力，使水流对土颗粒产生的一种压力。 动水压力的大小与水力坡度成正比，方向同渗流方向。 G DIw =(h/L) w （2）流砂原因当 动水压力大于或等于土的浸水重度时（G D），土粒被水流带到基坑内。主要发生在 细砂、粉砂、轻亚粘土、淤泥中。,（3）流砂的防治A. 减小动水压力（枯水期施工、打板 桩、地下连续墙、水下挖
19、土）；B. 平衡动水压力（抢挖-抛石块、泥浆护壁）；C. 改变动水压力的方向（井点降水）。,3. 降排水方法 （1）集水井法（明沟排水法）用于土质较好、水量不大、基坑挖至地下水 位时，挖排水沟设集水井抽水再挖土、沟、井。,要求： A. 排水沟：沿基坑底四周设置，底宽300mm，沟底低于坑底500mm，坡度1。 B. 集水井：沿基坑底边角设置，间距2040m，直径0.60.8m，井底低于坑底12m。长期用，有护壁和碎石压底。,（一）普通明沟排水法,（二）分层明沟排水法,（2）井点降水法A. 特点效果明显，使土壁稳定、避免流砂、防止隆起、方便施工；可能引起周围地面和建筑物沉降。B. 井点类型及适用
20、范围,轻型井点降水全貌图,C. 轻型井点降水a降水原理b井点设备井管：38、51，长57m（常用6m），无缝钢管，丝扣连滤管；滤管：38、51，长11.7m，开孔12， 开孔率 2025，包滤网； 总管：75100无缝钢管，每节4m，每隔0.8、1.0或1.2m有一短接口；弯联管：使用透明塑料管、胶管或钢管，宜有阀门；抽水设备：真空泵真空度高，体形大、耗能多、构造复杂射流泵简单、轻小、节能、费用低（常用）离心泵把吸出的水排走,c井点布置.平面布置单排线状：在沟槽上游一侧布置，每侧超出沟槽B。用于沟槽宽度B6m，降水深度5m。双排线状：在沟槽两侧布置，每侧超出沟槽B。用于沟槽宽度B 6m，或土质
21、不良。环状、U形：在坑槽四周布置。用于面积较大的基坑。,单排井点平面及高程布置,环状井点平面及高程布置,.高程布置井管埋深：H埋H1hiL。H1埋设面至坑底距离；h 降水后水位线至坑底最小距离；（一般可取0.51m）i 地下水降落坡度，环状1/10，线状1/5；L井管至基坑中心（环状）或另侧（线状）距离。当H埋6m时：降低埋设面；采用二级井点；改用其它井点。,d计算涌水量Q：（环状井点系统）. 判断井型（图）按照滤管与不透水层的关系：完整井到不透水层非完整井未到不透水层.按照是否承压水层：承压井无压井,水井的分类,. 无压完整井群井井点计算,Q1.366K(2HS)S / (lgRlgX0)
22、（m3/d）K土层渗透系数（m/d）；H含水层厚度（m）；S水位降低值（m）；R抽水影响半径（m），R=1.95S(HK)1/2；X0环状井点系统的假想半径（m）； 当长宽比A/B5时， X0=(F /)1/2，否则分块计算涌水量再累加。F井点系统所包围的面积。,. 无压非完整井群井系统涌水量计算,以有效影响深度H 0代替含水层厚度H 用上式计算Q。H0的确定方法：,注意：1、当H0值超过H时，取H0H；2、计算R时，也应以H0代入。,. 承压完整井,Q2.73KMS/(lgRlgX0) （m3/d)M承压含水层厚度（m）,e. 确定井管的数量与间距. 单井出水量：q65d l K1/3 （m
23、3/d） d、l滤管直径、长度（m）. 最少井点数：n 1.1Q / q （根）1.1备用系数. 井点管间距：D L总管 / n （m）. 确定井距： 取井距D上游处适当加密 . 确定井点数：nL总管 / D,D ,5d,符合总管的接头间距,f. 轻型井点系统的施工.井点管埋设方法：水冲法：水枪、井管自身（高 压水）钻孔法：正循环钻、反循环钻、 冲击钻振动水冲法：,. 安装程序：总管 井点管 弯联管 抽水设备 试抽,14 土方工程机械化施工,一、土方机械的类型 1.挖掘机械：正铲、反铲、拉铲、抓铲 2.挖运机械：推土机、装载机、铲运机 3.运输机械：自卸汽车、翻斗车 4.密实机械：压路机、蛙式
24、夯、振动夯,二、常见土方机械的作业特点、适用范围、辅助机械及作业方法,1推土机：液压式、索式； 固定式、回转 （1）作业特点：A. 推平B. 运距在100m以内的推土C. 助铲D. 牵引 （2）适用范围：A. 找平场地，平整场地B. 短距离挖运C. 拖羊足碾D.一四类土的开挖,（3）作业方法 下坡推土 并列推土 多次切土、集中推运 槽形推土 跨铲法,2、铲运机：自行式、拖式,（1）作业特点：A. 找平B. 运距1000米以内的土方挖、运、填C. 填筑堤坝,（2）适用范围：A. 场地平整，大型基坑、基槽、管沟、河渠B. 一三类土的开挖（3）辅助机械开挖坚土（三类土）时需要推土机助铲（4）作业方法
25、：A. 开行路线：环形线路，“ 8 ”字线路，锯齿形路线 B. 施工方法：下坡铲土，跨铲法，助铲法。,3、单斗挖土机,正铲挖掘机,反铲挖掘机,拉铲挖掘机,抓铲挖掘机,（1）正铲挖土机,A. 作业特点：“前进向上，强制切土”a. 开挖上掌子面b. 挖土深度随装置决定（46.8米）c. 装车外运（100米以外）,B. 适用范围：a. 大型基坑、基槽b. 数千方以上挖土c. 一三类土和经爆破后的岩石C. 辅助机械：a. 外运应配自卸汽车b. 工作面应有推土机配合平整场地 D. 作业方法：a. 正向挖土后方卸土： 挖土高度大，卸土时旋转角度大，运 输车辆须倒车开入，只在基坑宽度较小而深度较大的情况下采
26、用。b. 正向挖土侧向卸土： 生产率高，应用较广。,（2）反铲挖土机,A.工作特点：“后退向下，强制切土”a. 开挖下掌子面b. 挖土深度随装置决定（46.8米）c. 装车外运（100米以外）和甩土两用,B. 适用范围：a. 基坑、基槽、管沟b. 独立基坑c. 一三类土和经爆破后的岩石C. 辅助机械： a. 外运应配自卸汽车b. 工作面应有推土机配合平整场地D. 作业方法：a.沟端开挖一一效率高，稳定性好，开挖深度和宽度大（挖宽0.71.7R）b.沟侧开挖一一弃土较远（挖宽0.50.8R）,（3）拉铲挖土机A.工作特点：“后退向下，自重切土”a. 开挖停机面以下的土b. 由于铲斗悬挂在钢丝绳上
27、，开挖断面误差较大c. 可以装车和甩土两用 B. 适用范围：a. 基坑、基槽、管沟、堤坝b. 大量的外借土方c. 排水不良的土也能开挖（如河道清淤）d. 一二类土 C. 辅助机械：a. 外运应配自卸汽车b.配备推土机创造施工条件D. 作业方法：a.沟端开挖 b.沟侧开挖,（4）抓铲挖土机A.工作特点：“直上直下，自重切土”开挖停机面以下的土B. 适用范围：a. 深基坑b. 水中挖土c. 一三类土 C. 辅助机械：外运应配自卸汽车,4.装载机A.工作特点a. 开挖停机面以上的土b. 轮胎式只能装松散土，履带式装普通土c. 可装车或短距离的自挖自填B. 适用范围：a. 数千方以上的挖土b. 外运多
28、余土方c. 开挖推松后的土 C. 辅助机械：a. 外运应配自卸汽车b. 工作面配备推土机推松土方，并经常平整,三、自卸汽车与挖土机的配套,1. 原则：保证挖土机连续工作： 2. 汽车载重量：以装35斗土为宜； 3. 汽车数量：N汽车每一工作循环的延续时间T每次装车时间t 或：N（挖土机台班产量汽车台班产量）+1,四、开挖方式与注意问题,1、基坑开挖方式 （1）下坡分层开挖1：78的坡道 （2）墩式开挖用于无修坡道的场地，搭设栈桥时 （3）盆式开挖用于逆作法施工,2、开挖注意问题 （1）挖前先验线 （2）连续开挖尽快完成，防止水流入 （3）坑边堆土防止坍塌：及时清运；堆土0.8m外，高1.5m
29、（4）严禁扰动基底土，加强测量防止超挖 （5）发现文物、古墓应停挖、上报、待处理 （6）注意安全，雨后复工先检查,15 土方填筑与压实,一、土料选择 1. 不能用的土：冻土、淤泥、膨胀性土、含有机物8的土、含可溶性硫酸盐5的土。 2. 不宜用的土：含水量过大的粘性土 3. 最好用同类土，不同类时应将透水性好的土填在下 部，得混杂乱填。,二、压实方法 1. 碾压法大面积填筑工程。滚轮压力。压路机（光面碾）、羊足碾（只宜粘性土）、气胎碾 2. 夯实法小面积填筑工程。冲击力。夯锤、内燃夯土机、蛙史打夯机 3. 振动法 非粘性土填筑。振动力。振动碾压机、平板振捣器除此之外，铲运机、推土机、自卸汽车也可
30、压实，但只有在运土过程中结合碾压才经济。,三影响压实质量的因素 1. 压实功与吨位或冲击力、压实遍数有关。压实作用沿深度的变化,土的密度与压实功的关系示意图,2. 含水量 （1）水的作用：润滑，填充空隙。 （2）含水量小则土不粘结、摩阻大，含水量大则形成橡皮土； （3）最佳含水量：可使填土获得最大密实度的含水量。 （4）含水量调整与橡皮土处理A. 过大 翻松、晾晒、掺入干土或石灰；B. 过小 洒水湿润、增加压实功；C. 橡皮土彻底清除，轻压薄铺。,压实机具 每层虚铺厚度(mm) 压实遍数压路机、平碾 200300 68羊足碾 200350 816振动压实机 250350 34蛙式打夯机 200
31、250 34人工夯 200 34使用515吨重的振动平碾压实爆破石渣或碎石类土时，铺土厚度一般为0.61.5 m，宜先静压，再振压68遍。,3. 铺土厚度 与填料性质、对密实度的要求和选用的压实机械的性能有关。,四、压实质量检查,1内容密实度；指标干密度d；方法环刀取样，测干密度； 2要求 dDy dmax 式中：Dy压实系数。一般场地平整0.9，地基填土0.910.97dmax该种土质的最大干密度（击实试验确定）压实后干密度应有90%以上合格，其余10%的最低值与设计值之差不大于0.08 g /cm3，且应分散，不得集中。,3取样 （1）方法与数量：A. 分层进行 (填一层，压实一层，检查一
32、层) ，每层不少于1点；B. 平整场地每400900m2至少应有1点，室内回填每100 500m2至少应有1点；C. 地基回填：每单位工程不应少于3点，1000m2 以上工程，每100m2 至少应有1点，3000m2 以上工程，每300m2 至少应有1点。每一独立基础下至少应有1点，基槽每20延米应有1点。 （2）位置：该层下半部。,结语: 土方施工设计应注意 （1）摸清施工条件，选择合理的施工方案与机械； （2）合理调配土方，使总施工量最少； （3）合理组织机械施工，以发挥最高效率； （4）作好道路、排水、降水、土壁支撑等准备及辅助工 作； （5）合理安排施工计划，避开冬、雨季施工； （6）制定合理可行的措施，保证工程质量和安全。,
