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第二章　土方工程
教教学目标
学目标
能进行土方开挖方案、基坑开挖的降水方案、基坑边坡支护方案、填土压实方案的编制，场地平整施工的竖向规划设计
教学目标
通过本章内容的学习，让学生了解土方工程施工特点；理解基坑开挖施工中的降低地下水位方法，基坑边坡稳定及支护结构设计方法的基本原理；掌握土方量的计算、场地平整施工的竖向规划设计；掌握填土压实的要求和方法。
能力目标
知识目标
土的工程分类与性质
土方工程量计算与调配
基坑降水、排水
基坑（槽）开挖及支护
土方填筑与压实
地基验槽与地基处理
目录
土的工程分类与性质
土方工程种类与特点
土方工程是建筑施工中主要分部工程之一，也是建筑工程施工过程中的第一道工序。它包括场地平整、基坑（槽）开挖、土方填筑与压实，降低地下水位和基坑土壁支护等辅助工作。
土的工程分类及性质
1、土的工程分类
土的种类很多，其分类方法也很多，在土方工程施工中，根据土的开挖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、特坚石等八类。前四类为一般土，后四类为岩石。正确区分和鉴别土的种类，可以合理地选择施工方法和准确地套用定额，计算土方工程费用。
2、土的工程性质
土有各种工程性质，其中影响土方工程施工的有：土的质量密度、可松性、含水量和渗透性。
土方工程量计算与调配
基坑、基槽土方量计算
基坑土方量的计算可近似按拟柱体（由两个平行的平面做上下底的多面体）体积公式来计算
式中：H ——基坑深度（m）；
F1——基坑上底面积m2；
F2——基坑下底面积m2；
F0——基坑中截面面积。（m2）
基槽和路堤土方量可沿其长度方向分段后，用同样方法计算（图1.2）：
　　　 　　　　　　
（1.6）
式中：V1——第一段的土方量（m3）；
L1——第一段的长度（m）。
然后将各段的土方量相加，即得总土方量：
　　　　　　　　　
（1.7）
式中V1、V2……Vn——各段的土方量（m3）。
场地平整土方量计算
场地平整就是将天然地面平整成施工所要求的设计平面。在目前总承包施工中，三通一平的工作往往由施工单位实施，因此场地平整也成为开工前的一项工作内容。场地平整前，要进行场区竖向规划设计，确定场地设计标高计算挖方和填方的工程量，然后根据工程规模、施工期限、现有条件选择土方机械，拟定施工方案。
1.场地设计标高的确定
场地设计标高是进行场地平整和土方量计算的依据，也是总图规划和竖向设计的依据。合理确定场地的设计标高，对减少土方量，节约土方运输费用，加快施工进度等都有重要的经济意义。选择设计标高时应考虑以下因素：
1）满足生产工艺和运输的要求；
2）尽量利用地形，使场内挖填平衡，以减少土方运输费用；
3）有一定泄水坡度（≥2‰），满足排水要求；
4）考虑最高洪水位的影响。
（1）初步确定场地设计标高
式中：H1——一个方格仅有的角点标高；
H2——两个方格共有的角点标高；
H3——三个方格共有的角点标高；
H4——四个方格共有的角点标高。
（2）场地设计标高的调整
按公式（1.8）所计算的设计标高Ho系一理论值，实际上还需要考虑以下因素进行调整。
1）土的可松性影响。
考虑土的可松性后，场地设计标高应调整为：
H0’=H0+Δh (1.9)
2）借土或弃土的影响。
3）泄水坡度的影响。
2.场地平整土方量计算
场地平整土方量的计算方法，通常有方格网法和断面法两种。当场地地形较为平坦时宜采用方格网法；当场地地形起伏较大、断面不规则时，宜采用断面法。
⑴方格网法
方格边长一般取10m、20m、30m、40m等。根据每个方格角点的自然地面标高和设计标高，算出相应的角点挖填高度，然后计算出每一个方格的土方量，并算出场地边坡的土方量，这样即可求得整个场地的填、挖土方量。其具体步骤如下：
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（挖或填的高度），可按下式计算：
hn=Hn－H (1.10)
式中：hn—角点的施工高度；以“+”为填，“-”为挖；
Hn—角点的设计标高；
H—角点的自然地面标高。
2）确定零线。
3）计算场地方格挖填土方量。场地各方格土方量的计算，一般有下述四种类型，可采用四角棱柱体的体积计算方法。
土方调配方案
1、土方调配原则
（1）应力求达到挖方与填方基本平衡和就近调配、运距最短。
（2）土方调配应考虑近期施工与后期利用相结合的原则。
（3）应考虑分区与全场相结合的原则。
（4）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。
（5）好土用在回填质量要求高的地区。
（6）土方调配还应尽可能与大型地下建筑物的施工相结合。
2、土方调配图表的编制
（1）划分调配区：划出零线，确定挖填方区。
（2）计算土方量：计算各调配区的挖填方方量。
（3）计算调配区之间的平均运距：根据重心位置，确定平均运距。
（4）进行土方调配
（5）绘制土方调配图（采取就近原则）
开挖土方时，边坡土体的下滑力产生剪应力，此前应力主要由土体的内摩阻力和内聚力平衡，一旦土体失去平衡，边坡就会塌方。为了防止塌方，保证施工安全，在基坑（槽）开挖超过一定限度时，土壁应放坡开挖，或者加以临时支撑或支护以保证土壁的稳定。
降低地下水位的基本方法
1集水井明排法
当基坑挖至接近地下水位时，在基坑的两侧或四周设置具有一定坡度的排水明沟，在基坑四角或每30-40m设置集水井，使地下水流入集水井内，然后用水泵抽出坑外（图1.15）。明沟集水井排降水是一种常用的最经济、最简单的方法，但仅适用于土质较好且地下水位不高的基坑开挖，当土为细砂或粉砂时，易发生流砂现象，此时可采用井点降水的方法。
1）集水井与排水明沟的设置。
集水井与排水明沟宜布置在拟建建筑基础边0.4m以外，沟边缘离开边坡坡脚不应小于0.3m；排水明沟沟底宽一般不宜小于0.3m，底面应比挖土面低0.3～0.4m，排水纵坡宜控制在1‰-2‰内；集水井直径或宽度一般为0.6～0.8m，其底面应比排水沟底低约0.5m以上。并随基坑的挖深而加深。当基坑挖至设计标高后，集水井应进一步加深至低于基坑底1~2m，并铺填约0.3m厚的碎石滤水层，以免因抽水时间较长而挟带大量泥砂，并防止集水井的土被扰动。
2）水泵的选用。
集水明排水是用水泵从集水井中抽水，常用的水泵有潜水泵、离心水泵和泥浆泵。一般所选用水泵的抽水量为基坑涌水量的1.5～2倍。
基坑降水、排水
3）流砂的发生与防止。
当基坑挖至地下水位以下，且采用集水井排水时，如果坑底、坑壁的土粒形成流动状态随地下水的渗流不断涌入基坑，即称为流砂。
发生流砂时，土完全丧失承载力，土边挖边冒，很难挖到设计深度，给施工带来极大困难，严重时还会引起边坡塌方，甚至危及临近建筑物。
发生流砂现象的关键是动水压力的大小与方向，所以，防治流砂的主要途径是减小或平衡动水压力，或者改变动水压力的方向。其具体措施有：抢挖法、打钢板桩法、井点降低地下水位等方法，
此外，还可选择在枯水期施工或在基坑四周修筑地下连续墙止水。
2 井点降水法
　　井点降水就是在基坑开挖前。预先在基坑周围埋设一定数量的滤水管（井），利用抽水设备不断抽出地下水，使地下水位降低到坑底以下，直至基础工程施工完毕。使所挖的土始终保持干燥状态。井点降水法改善了工作条件，防止了流砂发生。同时，由于地下水位降落过程中动水压力向下作用与土体自重作用，使基底土层压密，提高了地基土的承载能力。
　　井点降水法按其系统的设置、吸水原理和方法的不同，可分为轻型（真空）井点、喷射井点、电渗井点、管井井点和深井井点。各种井点降水方法可根据基础规模，土的渗透性、降水深度、设备条件及经济性选用。可参考表1.1，其中轻型井点属于基本类型，应用最广泛。
轻型井点的设计
轻型井点是沿基坑四周每隔一定距离将若干直径较小的井点管埋入蓄水层内，井点管上端伸出地面，通过弯联管与总管相连并引向水泵房，利用抽水设备将地下水从井点管内不断抽出，使地下水位降至坑底以下，如图1.16所示。
1）平面布置。当基坑或沟槽宽度小于6m，且降水深度不超过5m时，可用单排井点，将井点管布置在地下水上游一侧，两端的延伸长度不宜小于该坑或槽的宽度，如图1.18所示。若基坑宽度大于6m或土质不良，则宜采用双排井点。对于面积较大的基坑宜采用环形井点布置，如图1.19 所示，井点管距离基坑壁不宜过小，一般取0.7～1.2m，以防止坑壁发生漏气而影响系统中的真空度。井点管间距按计算或经验确定，一般为0.8～1.6m。
2）高程布置。轻型井点的降水深度从理论上讲可达10m左右，但由于抽水设备的水头损失，实际降水深度一般不大于6m。井点管的埋设深度H (不包括滤管)可按下式计算：
（1.17）
式中：H1—井点管埋设面到基坑底面的距离（m）；
h—基坑底面至降低后的地下水位线的距离，一般取0.5～1.0m（人工开挖取下限，机械开挖取上限）；
i—降水曲线坡度，可取实测值或按经验，单排井点取1/4，环形井点取1/10～1/15；
L—井点管中心至基坑中心的水平距离，单排井点为至基坑另一边的距离(m)；
开挖方法
基坑开挖前应根据工程结构型式、基础埋置深度、地质条件、施工方法及工期等因素，确定基坑开挖方法。
对于大型基坑，宜用机械开挖。
基坑挖完后应组织验槽，作好记录，如发现土质与地质勘探报告、设计不符时，应与有关人员研究及时处理。
基坑边坡
　　为了防止土壁塌方，保证施工安全，当挖方超过一定深度或填方超过一定高度时，应做成一定形式的边坡。
基坑边坡的坡度以其高度H与底宽B之比来表示，即：
土方边坡坡度＝式中：m=B/H称为边坡系数。
边坡坡度应根据土质、开挖深度、开挖方法、施工工期、地下水位、坡顶荷载及气候条件等因素确定，可做成直线形、拆线形或阶梯形
基坑（槽）开挖及支护
合适的边坡系数应满足安全与经济两方面的要求，既要保证边坡稳定，又不增多土方量。一般m由设计文件规定，当设计文件未作规定时，应按照《土方和爆破工程施工及验收规范》的有关规定来选取。
当土质均匀且地下水位低于基坑（槽）或管沟底面标高时，挖方深度不超过表1.3规定时，挖方边坡可做成直立壁而不加支撑。
基坑土壁支护
　　采用放坡开挖基坑（槽），往往是比较经济的。但有时受场地的限制不能按要求放坡，或放坡增加土方量太大，或地下水渗入坑内影响土壁稳定时，可采用设置土壁支护结构的施工方法，主要包括横撑式支撑、锚锭式支撑及板桩支护等。
横撑式支撑
锚锭式支撑
板桩支护
填筑土料要求
填筑土料应符合设计要求，以保证填方的强度和稳定性，如设计无要求时，应符合下列规定：
碎石类土、砂土和爆破石渣，可用作表层以下的填料，含水量符合压实要求的粘性土，可用作各层填料；碎块草皮和有机质含量大于8%的土，仅用于无压要求的填方；淤泥质土，一般不能用作填料，但在软土或沼泽地区，经过处理含水量符合压实要求后，可用于填方中的次要部位。
对碎石类土或爆破石渣用作填料时，其最大粒经不得超过每层铺填厚度的2/3，铺填时大块料不应集中，且不得填在分段接头处。填土料含水量大小直接影响到压实质量，应先试验，以得到符合密实度要求的最优含水量和最小压实遍数。
土方填筑与压实
填筑要求
土方填筑前，应根据工程特点，填料种类、设计压实系数，施工条件等合理选择压实机具，并确定填料含水量控制范围、铺土厚度和压实遍数等参数。
冬雨季进行填土施工时，应采取防雨、防冻措施，防止填料（粉质粘土、粉土）受雨水淋湿或冻结，并防止出现“橡皮土”。
填土应分层进行，并尽量采用同类土填筑，当选用不同类别的土料时，上层宜填筑透水性较小的填料，下层宜填筑透水性较大的土料，不能混用，以免形成水囊。压实填土的施工缝应错开搭接，在施工缝的搭接处应适当增加压实遍数。当填方位于倾斜的山坡上时，应先将斜坡挖成阶梯状，然后分层回填，以防填土侧向移动。
填土压实方法
填土压实的方法主要有：碾压法、夯实法和振动压实法。
影响填土压实的因素
影响填土压实的因素很多，主要有填土的种类、压实功、土的含水量、以及每层铺土厚度与压实遍数。
填土压实的质量控制与检验
1．填土压实的质量控制
填土经压实后必须达到要求的密实度，以避免建筑物产生不均匀沉陷。填土密实度以设计规定的控制干密度ρd作为检验标准。土的控制干密度ρd与最大干密度ρdmax之比称为压实系数λc。利用填土作为地基时，规范规定了不同结构类型、不同填土部位的压实系数值。
填土压实的质量检验
（1）填土施工过程中应检查排水措施，每层填筑厚度、含水量控制和压实程序。
（2）填土经夯实或压实后，要对每层回填土的质量进行检验，一般采用环刀法（或灌砂法）取样测定土的干密度，或用小轻便触探仪，直接通过锤击数来检验干密度，符合要求后才能填筑上层。
（3）按填土对象不同，规范规定了不同的抽取标准。
（4）每项抽检之实际干密度应有90%以上符合设计要求，其余10%的最低值与设计值的差不得大于0.08t/m3，且应分散，不得集中。
验槽内容
(1) 首先检查基槽开挖的平面位置和尺寸与设计图纸是否相符，其次检查开挖深度、标高是否符合图纸设计要求。
(2) 观察槽壁、槽底的土质类型、均匀程度，是否存在疑问土层，是否与勘察报告一致；核对基坑土质和地下水情况。
(3) 检验基槽中有无旧房基、古井、洞穴、古墓及其他地下掩埋物，以及其位置、深度和形状。
(4)检查基槽边坡外缘与附近建筑物的距离对建筑物稳定性有无影响。
地基验槽与地基处理
验槽方法
(1)详细观察、描述槽壁和槽底岩土特性，验证基槽底的土质与勘察报告是否一致，基槽边坡是否稳定，有无影响边坡稳定的因素，如渗水、坑边堆载过多等。尤其注意不要将素填土与新近沉积的黄土、新近沉积黄土与老土相混淆。如果有难以辨认的土质，应配合洛阳铲等手段探至一定深度仔细鉴别。对于旧房基、洞穴、掩埋管道和人防设施等应沿其走向进行追索，查明在基槽范围内的延伸方向、深度及宽度。
(2)分析钎探资料。一般在建筑工程基础施工时，基槽开挖后均做钎探工作。岩土工程师会同设计、监理等有关人员详细查看、分析钎探资料，判断基底岩土均匀情况及同一深度段(一般按30cm为一步)的纤探击数是否基本一致(同一基槽内的铅锤重量应相同，有条件的应使用标准锤，锤重10kg,落距保持50cm)。低于某一深度段击数平均值30%以上的钎探点，在平面图上圈出其位置、范围，分析其差别原因，必要时需补做检查探点，对低于平均值50%以上的点，要补挖探井或用洛阳铲进一步探查。
地基承载力要求分析
如果地基的承载能力足够，则基础的分布方式可与竖向结构的分布方式相同。但有时由于土或荷载的条件，需要采用满铺的伐形基础。伐形基础有扩大地基接触面的优点，但与独立基础相比，它的造价通常要高的多，因此只在必要时才使用。不论哪一种情况，基础的概念都是把集中荷载分散到地基上，使荷载不超过地基的长期承载力。因此，分散的程度与地基的承载能力成反比。有时，柱子可以直接支承在下面的方形基础上，墙则支承在沿墙长度方向布置的条形基础上。当建筑物只有几层高时，只需要把墙下的条形基础和柱下的方形基础结合使用，就常常足以把荷载传给地基。这些单独基础可用基础梁连接起来，以加强基础抵抗地震的能力。只是在地基非常软弱，或者建筑物比较高的情况下，才需要采用伐形基础。多数建筑物的竖向结构，墙、柱都可以用各自的基础分别支承在地基上。中等地基条件可以要求增设拱式或预应力梁式的基础连接构件，这样可以比独立基础更均匀地分布荷载。
地基的处理方法
　　1、利用软弱土层作为持力层时，可按下列规定执行：
　　1）淤泥和淤泥质土，宜利用其上覆较好土层作为持力层，当上覆土层较薄，应采取避免施工时对淤泥和淤泥质土扰动的措施；
　　2）冲填土、建筑垃圾和性能稳定的工业废料，当均匀性和密实度较好时，均可利用作为持力层；
　　3）对于有机质含量较多的生活垃圾和对基础有侵蚀性的工业废料等杂填土，未经处理不宜作为持力层。局部软弱土层以及暗塘、暗沟等，可采用基础梁、换土、桩基或其他方法处理。在选择地基处理方法时，应综合考虑场地工程地质和水文地质条件、建筑物对地基要求、建筑结构类型和基础型式、周围环境条件、材料供应情况、施工条件等因素，经过技术经济指标比较分析后择优采用。
2、常用的地基处理方法有：换填垫层法、强夯法、砂石桩法、振冲法、水泥土搅拌法、高压喷射注浆法、预压法、夯实水泥土桩法、水泥粉煤灰碎石桩法、石灰桩法、灰土挤密桩法和土挤密桩法、柱锤冲扩桩法、单液硅化法和碱液法等。

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