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单元1 土方工程
1.1 地基土现场鉴别
1.1.1地基土的分类和现场鉴别
1.1.2 土的基本性质
1、土的三相组成
2、天然密度和干密度
土的天然密度 :ρ=
土的干密度 :
土的干密度愈大，表示土愈密实。工程上常把干密度作为评定土体密实程度的标准，以控制填土工程的质量。
3、土的含水量
4、可松性与可松性系数
【例1-1】要将500m3的普通土开挖后运走，问实际需要运走的土有多少？如果需要回填500m3的亚粘土，问需挖方体积是多少？（Ks=1.2, K‘s =1.04)
解:V2=V1·Ks=500×1.2=600m3
V1=V3÷K‘s=500÷1.04=480.8m3
5、土的孔隙比和孔隙率
孔隙比和孔隙率反映了土的密实程度，孔隙比和孔隙率越小土越密实。
6、土的渗透性
渗透系数与土的颗粒级配、密实程度等有关，是人工降低地下水位及选择各类井点的主要参数。
1.2 土方工程量计算
1.2.1基坑、基槽土方量计算
1、基坑土方工程量计算
基坑是指长宽比小于或等于3的矩形土体。
图1-2 基坑土方工程量计算 图1-3 基槽土方工程量计算
基坑土方工程量计算可按立体几何中的拟柱体体积（式1-7）计算（图1-2）。即：
（1-7）
式中 H —— 基坑深度（m）；
A1， A2 —— 基坑上、下底面面（m2）；
A0 —— 基坑中截面面积（m2）；
2、 基槽和路堤、管沟的土方量计算
（1-8）
（1-9）
1.2.2 场地设计标高的确定
场地平整土方量的计算方法有方格网法和断面法两种。
方格网法的基本步骤是计算前先将场地平面划分成方格网，并根据地形图上的等高线，用线性插入的方法将每个方格的角点标高（自然地面标高）计算出来并标于图上。当没有地形图时，可用测量仪器测出方格网各角点的实际高程，再标到图上。
1、场地设计标高的确定原则
（1）满足生产工艺和运输的要求；
（2）尽量利用地形，以减少挖方数量；
（3）尽量使场地内的挖方量与填方量达到平衡，以降低土方运输费用；
（4）需有一定的泄水坡度，要能满足排水要求；
（5）考虑最高洪水位的要求。
2、初步确定场地设计标高（理论设计标高）
上式可化为：
（1-10）
（1-11）
若规定只使用一次的角点自然标高用H1表示，使用二次、三次、四次的角点自然标高依次用H2、H3、H4表示，则上式可改写成下列的形式：
1.2.3场地平整的土方量计算
用方格网法计算场地平整土方量的步骤：
1、划分方格网、方格网编号
2、计算场地各方格角点的施工高度
①单向泄水场地各点设计标高的计算
②双向泄水场地各点设计标高的计算
3、计算零点位置、画零线
①数解法 计算零点位置
②图解法计算零点的位置
用尺在各角上标出相应比例，用线相连，与方格相交点即为零点位置
4、计算方格土方工程量
1.2.4土方调配
土方调配的目的就是对挖土的利用、土方的堆放和填土三者之间的关系进行综合协调处理。好的土方调配方案，应该是使土方运输量(或费用)达到最小，而且又能方便施工。土方调配应按以下原则进行：
（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。
1.3 土方边坡及基坑（槽）支护
1.3.1 土方边坡
土方边坡坡度i＝ ，m称为坡度系数
（a） (b) (c)
（a）直线形边坡；（b)折线形边坡；（c）阶梯形边坡
图1-9 边坡形式
对留设的边坡，当使用时间较长时，应做好坡面的保护。常用方法包括覆盖法，挂网法，挂网抹面法，土袋、砌砖压坡法及喷射混凝土法等。
（1）薄膜覆盖或砂浆覆盖法
（2）挂网或挂网抹面法
（3）喷射混凝土或混凝土护面法
（4）土袋或砌石压坡法
图1-10 基坑边坡护面方法
（a）薄膜或砂浆覆盖；（b）挂网或挂网抹面；
（c）喷射混凝土或混凝土护面；（d）土袋或砌石压坡
1-塑料薄膜；2-草袋或编织袋装土；3-插筋φ10～12mm；4-抹M5水泥砂浆；
5-20号钢丝网；6-C15喷射混凝土；7-C15细石混凝土；8-M5砂浆砌石；
9-排水沟；10-土堤；11-φ4～6mm钢筋网片，纵横间距250～300mm
1.3.2基坑（槽）支护
1、基槽支护
a)　　　　　　　　　　　　　b)
图1－11 横撑式支撑
a)水平挡土板支撑; b)垂直挡土板支撑
1－水平挡土板；2－立柱；3－工具式横撑；4－垂直挡土板；5－横楞木；6－调节螺栓
2、基坑支护
(1)基坑支护结构的形式
1) 重力式水泥土挡墙式
2) 排桩与板墙式
3) 边坡稳定式
(2)基坑支护的施工
1)型钢桩横挡板支撑(图1－12)
图1－12 型钢桩横挡板支撑
1－型钢桩；2－横向挡土板；3－木楔
2) 钢板桩或钢筋混凝土板桩支撑(图1－13)
图1－13 钢板桩或钢筋混凝土板桩支撑
图1－14 常用钢板桩截面形式
a) 一字形钢板桩 b)U形板桩（“拉森”板桩）
3) 土钉墙支护
图1-15 土钉支护示意
①—土钉体 ②—支护面层 ③—基坑底面 ④—支护土体图
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；
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。
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70～90 °。
工艺过程：挖土→喷射混凝土→打孔→插筋、注浆→铺放、压固钢筋网→喷射混凝土→挖下层土
土钉支护结构适用于非软土地基，基坑深度不大于12m
与排桩墙相比，工期短，成体低。
4）水泥土挡墙
水泥土墙是利用水泥材料为固化剂，采用特殊的拌合机械（如深层搅拌和高压旋喷机）在地基深处就地将原状土和固化剂强制拌合，经过一系列的物理化学反应，形成具有一定强度、整体性和水稳定性的加固土圆柱体，将其相互搭接，连续成桩形成具有一定强度和整体结构的加固块体。
加筋水泥土桩
5) 钻孔灌注桩围护墙
灌注桩挡墙的刚度较大，抗弯能力强，变形相对较小，经济效益较好。但其永久保留在地基土中，可能对以后的地下工程施工造成障碍。
(5) 钻孔灌注桩排桩挡墙
a）桩间高压注浆；b）桩背设置旋喷桩；
c）设置深层搅拌桩；d）设置挡水帷幕；e)桩间咬合搭接。
1—灌注桩；2—高压注浆；3—旋喷桩；4—水泥搅拌桩；
5—注浆帷幕；6—桩间搭接部分。
6) 土层锚杆支护
图1－17 土层锚杆构造图
1－挡墙；2－承托支架：3－横梁；4－台座；5－承压垫板；
6－锚具；7－钢拉杆；8－水泥浆或砂浆锚固体；9－非锚固段；
10－滑动面；D－锚固体直径；d－拉杆直径
土层锚杆由锚头、拉杆和锚固体组成。锚头由锚具、承压板、横梁和台座组成。
土层锚杆的施工程序为：钻孔→安放拉杆→灌浆→养护→安装锚头→张拉锚固和挖土。
土层锚杆具有以下一系列优点：与内支撑相比，挖土施工空间大；锚杆施工机械设备作业空间不大，适用于各种场地条件；锚杆的设计拉力可由抗拔试验获得，从而可以保证可靠的设计安全度；可以对锚杆施加预拉力，基坑变形容易控制；施工时的噪声很小。
土层锚杆适用于大面积、深基坑、各种土层的坑壁支护。但不适于在地下水较大或含有化学腐蚀物的土层或在松散、软弱的土层内使用。
(7) 灌注桩与土层锚杆结合支撑
7）地下连续墙支护
a) b) c) d)
a)开挖槽段b)放入接头管c)下钢筋笼d)下导管及浇注混凝土
图1-18 壁板式地下连续墙施工示意图
1.4 基坑降水
1.4.1地面水排除
排除地面水一般釆用排水沟、截水沟、挡水土坝等。临时性排水设施应尽量与永久性排水设施相结合，排水沟的设置应利用自然地形特征，使水直接排至场外或流向低洼处再用水泵抽走。
1.4.2 基坑排水
基坑排水方法，可分为明排水法和人工降低地下水位法两类。
1、明排水法
图1-19 集水井降水法
明排水法（图1-19）是在基坑开挖过程中，在坑底设置集水井，并沿坑底的周围或中央开挖排水沟，使水流入集水井中，然后用水泵抽走。抽出的水应予引开，以防倒流。
2、人工降低地下水位
（1）流砂的防治
一旦出现流砂，土体边挖边冒流砂，土完全丧失承载力，至使施工条件恶化，基坑难以挖到设计深度。严重时会引起基坑边坡塌方；临近建筑因地基被掏空而出现开裂、下沉、倾斜甚至倒塌。
产生流砂的原因有外因和内因。外因取决于外部水位条件，内因取决于土的性质。
1）产生流砂的外因
地下水的渗流对单位土体的土颗粒产生的压力称为动水压力，用 表示，它与单位土体内渗流水受到土颗粒的阻力T大小相等、方向相反。
图1-20　动水压力原理图
a)水在土中渗流时的力学现象　b)动水压力对地基土的作用
1、2—土粒
(1-16)
得: (1-17)
根据作用力等于反作用力、但方向相反的原理，可知：
（1-18）
由此式可知，动水压力与水力坡度（水头差与渗透路程之比）成正比，即水位差愈大，则动水压力愈大；而渗透路程愈长，则动水压力愈小。
由于动水压力与水流方向一致，所以当水在土中渗流的方向改变时，动水压力对土就会产生不同的影响。如水流从上向下，则动水压力与重力方向相同，加大土粒间的压力。如水流从下向上，则动水压力与重力方向相反，减少土粒间压力，也就是土粒除了受水的浮力外，还要受到动水压力向上举的趋势。如果动水压力等于或大于土的有效重度，即:
（1-19）
此时，土粒即可能失去自重，在动力压力作用下处于悬浮状态，随着渗流的水一起流动，即出现所谓流砂。
2）产生流砂的内因
土粒愈细，有效重度愈小，孔隙比愈大，在孔隙水动力压力作用下就愈容易产生流砂。
根据经验，流砂一般容易发生在细砂、粉砂等砂性土壤中。当土体的土质孔隙度大于0.75、黏粒质量分数小于10%、渗透系数小、排水性能差、含有较多的汽状矿物是发生流砂现象的内因；坑中抽水形成水位差，高液面坑外水向低液面坑内流动的趋势，产生动水压力则是产生流砂的外因。所以，为避免施工过程出现流砂，施工前即应了解工程场地的地质、水文情况、以便预先采取措施防治。
3）流砂的防治
由于产生流砂的主要原因是动水压力的大小和方向，因此防治流砂的基本原则是减少或平衡动水压力，设法使动水压力方向向下，截断地下水流。具体防治措施有：
①枯水期施工法
②打板桩法：可以截住水流或增加渗流长度、改变动水压力方向，从而达到减小动水压力的目的。
③水中挖土法：使坑内外的水压相平衡，不致形成动水压力。如沉井施工，不排水下沉、进行水中挖土、水下浇筑砼。
④人工降低地下水位法：即采用井点降水法截住水流，不让地下水流入基坑，不仅可防治流砂和土壁塌方，还可改善施工条件。
⑤抢挖并抛大石块法：分段抢挖土方，使挖土速度超过冒砂速度，在挖至标高后立即铺竹、芦席，并抛大石块，以平衡动水压力，将流砂压住。此法适用于治理局部的或轻微的流砂。
此外，采用地下连续墙法、止水帷幕法、压密注浆法、土壤冻结法等，都可以阻止地下水流入基坑，防止流砂发生。
（2）轻型井点降水
1）轻型井点降水原理
2）轻型井点降水的作用
①防止地下水涌入坑内；
②防止边坡由于地下水的渗流而引起的塌方；
③使坑底的土层消除了地下水位差引起的压力，因此防止了坑底的管涌；
④降水后，使板桩减少了横向荷载；
⑤消除了地下水的渗流，也就防止了流砂现象；
⑥降低地下水位后，还能使土壤固结，增加地基土的承载能力。
3）轻型井点的设备
轻型井点由管路系统和抽水设备两部分组成。
管路系统包括：滤管、井点管、弯联管及总管。
4）轻型井点的布置
①平面布置
图1-23 轻型井点平面布置图
（a）单排布置； （b）双排布置；
（c）环形布置； （d）U形布置
单排布置适用于基坑、槽宽度小于6m，且降水深度不超过5m的情况，井点管应布置在地下水的上游一侧，两端的延伸长度不宜小于坑槽的宽度。
双排布置适用于基坑宽度大于6m或土质不良的情况。
环形布置适用于大面积基坑，如采用U形布置，则井点管不封闭的一段应在地下水的下游方向。
井点管距基坑壁一般不小于1m，以防局部漏气。井点管的间距由计算或经验确定。在总管四角部位，井点管宜适当加密。
②高程布置
双排和环状井点为1/10，单排井点为1/4～1/5；
当一级井点系统达不到降水深度要求时，可采用二级井点，即先挖去第一级井点排干的土，然后再布置第二级井点。
5）轻型井点的设计与计算
轻型井点的设计：根据基坑范围的大小、土的性质、地下水埋藏情况、降水深度要求等，选择轻型井点的平面布置和高程布置，确定合理的施工方案。
轻型井点的计算：包括基坑涌水量计算、确定井点管数量和间距、选择抽水设备等。
6）轻型井点的施工
井点管的埋设利用水冲法进行，可分为冲孔与埋管两个过程。
（3）喷射井点
喷射井点降水是在井点管内部装设特制的喷射器，用高压水泵或空气压缩机通过井点管中的内管向喷射器输入高压水（喷水井点）或压缩空气（喷气井点）形成水汽射流，将地下水经井点外管与内管之间的间隙抽出排走。本法设备较简单，排水深度大，可达8～20m，比多层真空井点降水设备少，基坑土方开挖量少，施工快，费用低。适于基坑开挖较深、降水深度大于6m、土渗透系数为0.1～20.0m/d的填土、粉土、黏性土、砂土中使用。
（4）管井井点
可降低地下水位5～10m，适用于渗透系数较大（土的渗透系数K＝20～200m /d）地下水量大的土层中。
（5）深井井点
当降水深度大，管井井点采用一般的离心泵和潜水泵不能满足降水要求时，可将水泵放入井管内，依靠水泵的扬程把地下水提送到地面上。
适于渗透系数较大（10～250m/d），土质为砂类土，地下水丰富，降水深，面积大，时间长的情况，尤其适用在有流砂和重复挖填土方区使用，降水深可达50m以内。
1.4.3截水与回灌
1、截水
截水帷幕目前常用注浆、旋喷法、深层搅拌水泥土桩挡墙、地下连续墙挡墙等方法，它们往往不只是为了挡水，常常同时作为基坑的支护结构用来挡土。
落底式竖向截水帷幕，应插入不透水层。当地下含水层渗透性较强、厚度较大时，可采用悬挂式竖向截水与坑内井点降水相结合或采用悬挂式竖向截水与水平封底相结合的方案。
2、回灌
采用回灌井点时，回灌井点与降水井点的距离不宜小于6m。
1.5 土方开挖与填筑
1.5.1 人工开挖
1.5.2 机械开挖
1、推土机
①下坡推土法
②槽形推土法
③并列推土法
④多铲集运法
2、铲运机
拖式铲运机
自行式铲运机
(a) 环形路线 (b) 环形路线 (c)大环形路线 (d)“8”字形路线
3、单斗挖土机
图1-34 单斗挖土机
(ａ)正铲；（ｂ）反铲；（ｃ）拉铲；（ｄ）抓铲
（1）正铲挖土机
正铲用于停机面以上。含水量30％以下、一～四类土的大型基坑开挖
前进向上，强制切土
a）正向挖土侧向卸土；
b）正向挖土后方卸土。
（2）反铲挖土机
后退向下，强制切土
反铲用于停机面以下、一～三类土的基坑、基槽、管沟开挖。
作业方式：a）沟端开挖；
b）沟侧开挖
（3）拉铲挖土机
后退向下，自重切土
开挖深度、宽度大，甩土方便。
用于停机面以下、一～二类土的较大基坑开挖，填筑堤坝，河道清淤。
作业方式同反铲
（4）抓铲挖土机
直上直下，自重切土。
效率较低；用于停机面以下、一～二类土的、面积小而深度较大的坑、井开挖。
4、装载机
5、自卸汽车
1.5.3土方机械的选择
1.5.4 土方回填
1、压土方法
(1)碾压法
平滚碾（静碾）
羊足碾
气胎碾
（2）夯实法
蛙式打夯机
（3）振压法
振动式压路机
2、影响填土压实的因素
（1）压实功的影响
（2）含水量的影响
最佳含水量—在使用同样的压实功进行压实，所得到的土的密度最大时的含水量叫做最佳含水量。
（3）铺土厚度的影响
最优的铺土厚度应能使土方压实而耗费能量最少。
土的干密度与含水量的关系

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