第1章 土方工程

第1章土方工程1.1概述1.1.1土的工程分类八大类（16个级别）：松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚石。1.1.2土的工程性质1.土的可松性：自然状态下的土，经开挖，其体积因松散而增加，虽经回填压实，仍不能恢复成原来的体积。——最终可松性系数——最初可松性系数2．土的密度：⑴天然密度：指土在天然状态下单位体积的质量（kg/m3）。⑵土的干密度：指单位体积土中固体颗粒的质量，即土体孔隙中无水时的单位土重（kg/m3）

。指土中水的质量与土的固体颗粒质量之比。3．土的含水量：4．土的渗透性：指水流通过土中孔隙的难易程度。LΔh5．原状土经机械压实后的沉降量：根据不同土质，其沉降量一般在：3~30cm之间。式中：P——机械压实的有效作用力（MPa）

C——原状土的抗陷系数（MPa）当水力坡度

时，地下水在土中渗流的速度，称渗透系数K。1.2场地平整1.2.1按挖填方平衡原则确定场地设计标高1．初步确定场地设计标高H0：⑴测绘出场地的地形图；⑷按挖填方平衡原则确定H0。⑶根据相邻等高线，用插入法求出各方格角点的地面标高；aaaaaaH22H12H11H21⑵将场区划分成方格网；2．场地设计标高的调整：挖方区有：填方区有：

3．最后确定场地各方格角点的设计标高（Hn）：⑴当设计对泄水坡度有规定时，按设计要求进行；⑵当设计无要求时，取泄水坡度i≥2‰；⑶排水方向取顺自然地面方向。(b)双向泄水(a)单向泄水1.2.2用最小二乘法原理求最佳设计平面式中：αacbxzy0βixiy目的：满足填、挖方平衡，又满足总的土方量最小。适用范围：大型场地、地形复杂1.2.3场地平整土方量计算1．计算场地各方格角点的施工高度：“＋”为填方；“－”为挖方。2．确定零线：3．计算每一方格的挖填方工程量：编号施工高度地面标高设计标高A0Bh2h1xa⑴方格四个角点全部为挖（填）方时：⑵两个角点为挖、两个角点为填时：挖方：填方：⑶方格三个角点为挖、另一个角点为填时：填方：挖方：⑷零线通过方格的对角线时：小结：1.3基坑工程1.3.1土方边坡及其稳定：m=B/H，m——坡度系数m的物理意义：当基坑深为1米时，边坡宽度的大小。边坡可以做成：直线形、折线形、踏步形。1.边坡坡度图BH影响边坡系数m大小的因素：2.⑴土质；⑵挖土深度；⑶施工期间边坡上的荷载；⑷土的含水率及排水情况；⑸边坡的留置时间。*土含水量增加，对边坡稳定的影响：土含水量增加，将增大土的自重，从而使剪应力增加；土含水量增加，土颗粒间粘结力减小，土的抗剪强度降低。1.3.2土壁支护：三种类型：加固型支护、支挡型支护、混合型支护。1.加固型支护：是对基坑边坡滑动棱体范围及其附近土体进行加固，改善其物理力学性能，使其成为具有一定强度和稳定性的土体结构，从而保证土体结构，并兼有抗渗作用。按施工方法分：◆

深层搅拌水泥土桩墙支护；

◆

高压喷射旋喷桩支护。

2.支挡型支护：是利用设置在基坑土壁上的支挡构件承受土壁的侧压力及其他荷载，保持土体结构的稳定。按施工方法分：

土钉支护（土钉墙）；

土层锚杆支护；

排桩式支护；

板桩支护；

钢木支撑。*若按受力状态分：横撑式支撑、板桩式支护结构（悬臂式、支撑式）、重力式支护结构（如：地下砼连续墙）。⑴重力式水泥土墙：水泥土墙是通过搅拌桩机将水泥与土进行搅拌，形成柱状的水泥加固土（搅拌桩），而构成重力式支护结构。重力式水泥土墙支护结构的设计包括：①整体稳定；②抗倾覆稳定；③抗滑移稳定；④位移；⑤其他：验算抗渗、墙体应力、地基强度。⑵板桩：1．板桩设计的五要素：板桩工程事故失败的主要原因：●

入土深度不够，在土压力的作用下，板桩的入土部分走动而出现坑壁滑坡；●

板桩本身刚度不够，在土压力作用下失稳弯曲；●

支撑或拉锚的强度不够；●

拉锚长度不足，锚碇失去作用而使土体滑动；

●

板桩位移过大，造成周边环境的破坏。★

入土深度；★截面弯矩；★支点反力；★拉锚长度；★板桩位移。2．“等值梁法“计算原理：单支点板桩的计算原理（分：自由支撑和嵌固支撑）⑴自由支撑单支点板桩：计算Mmax，选择板桩截面。epeaHtH1Haeaep-eaMmaxf⑵嵌固支撑单支点板桩：用等值梁法计算嵌固支撑单支点板桩内力：①计算作用于板桩上的主动土压力和被动土压力；②计算板桩上土压力强度为零的点C至地面的距离；③将板桩在C点截断，利用∑X=0，∑M=0，计算等值梁AC

段的支座反力Rc和支撑反力Ra；④计算板桩的入土深度；⑤根据“等值梁”的受力图，求得Mmax；选择板桩截面。1.3.3基坑、基槽土方工程量计算1．基坑：2．基槽：⑴条形基础的基槽在某一段长度内，基槽截面形状、尺寸不变时：⑵管沟土方量计算：F0HF2F1HI－I1.3.4降水降水方法：集水坑降水法、井点降水法。1．集水坑降水法：是在基坑开挖过程中，沿坑底周围或中央开挖有一定坡度的排水沟，在坑底每隔一定距离设一个集水坑，地下水通过排水沟流入集水坑中，然后用水泵抽走。适用范围：面积较小、土质较好、粗颗粒土层或粘性土层、降水深度不大的基坑（槽）开挖工程。⑴集水坑的设置：⑵抽水设备：离心泵、潜水泵、软轴水泵。⑶流砂的产生与防治：①产生的原因：②防治方法：◆

改变动水压力方向；◆

减小动水压力，增大渗流路径。

Q

F

GDρh1Fρh2Fh1Lh2TLF2．井点降水法：3．轻型井点：⑴轻型井点设备：管路系统：滤管、井点管、弯联管、总管。抽水设备：真空泵、射流泵、隔膜泵。井点类型K(m/d)H(m)轻型井点0.1~503~6（6~12）喷射井点0.1~28~20电渗井点＜0.1管井井点20~2003~5深井井点10~250＞15⑵轻型井点布置：①平面布置：单排线状布置：B＜6m双排线状布置；环状布置。②高程布置：L②高程布置：式中：HA——井点管的埋设深度（m）；

H1——井点管埋设面至基坑底面的距离；

h1——基坑底面至降低后的地下水位的距离；取0.5~1m。

I——水力坡度；单排：1/4；双排：1/10。

L——井点管至基坑中心的水平距离。（当井点管为单排布置时，为井点管至对边坡脚的水平距离）示例：基坑底宽1.8m，深3m，地下水位距地面1.2m，土方边坡1：0.5，采用轻型井点降水。试确定：⑴平面布置类型；⑵井点管最小埋深及要求的降水深度；⑶当采用6m长井点管时，其实际埋深及降水深度。最小降水深度S：基坑中心的降水深度⑴计算基槽上口宽度：∴采用单排线状布置。⑵最小埋深HA及降水深度S：⑶若采用6m井点管，确定HA和S：【解】⑶轻型井点系统涌水量计算：①轻型井点系统的类型：无压完整井、无压非完整井；承压完整井、承压非完整井。地下含水构造的种类滞水层不透水层潜水层不透水层承压水层不透水层式中：Q——涌水量（m3/d）；

K——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）；

x0——假想半径（m）；F——井点管包围的面积（m2）。适用条件：①矩形基坑的长宽比≤5；②基坑宽度≤2R。无压完整井涌水量计算：②涌水量计算：无压非完整井涌水量计算：H0——抽水影响深度（m）。H0的取值：H00.80.50.30.2承压完整井涌水量：M——承压含水层厚度。承压水位不透水层含水层不透水层hsHMR②间距：设备基础施工，基坑底宽8米，长12米，深4米，土方边坡1：0.5，不透水层距地面9米，地下水位距地面1.5米，K=5，井点管长6米，直径50毫米，滤管长1米。试进行轻型井点设计。示例：⑷井点管的数量及间距：①数量：

式中：q——单根井点管的最大出水量（m3/d）；

d——滤管直径（m）；

l——滤管长度（m）；【解】⑴井点管布置：根据基坑尺寸，采用环状井点。而∴满足要求。⑵判断井点管类型：∴属无压非完整井。∴满足条件。⑶计算涌水量：而含水层深度：又：⑷井点管布置：数量：井距：1.4土方填筑与压实1.4.1土料的选择和填筑方法1．土料的选择：⑴碎石类土、砂土、爆破石渣，可作表层以下的填料；⑵含水量符合压实要求的粘性土，可作各层填料。不能选用的几种土：▲含水量大的土；▲淤泥、冻土、膨胀性土及有机物含量＞8%的土；▲硫酸盐含量＞5%的土。▲在道路工程中，粘性土不是理想的路基填料。2．填筑方法：▲接近水平的分层填土、分层压实；▲采用两种回填土时，应分层填筑，不得混杂使用。1.4.2填土压实的方法：碾压法——大面积填筑工程。滚轮压力。压路机、平碾、羊足碾……夯实法——小面积填筑工程。冲击力。蛙式夯、柴油夯、人工夯……振动压实法——非粘性土填筑。颗粒失重、排列填充。振动夯、平板振捣器1.4.3影响填土压实质量的因素

土的含水量、铺土厚度、压实功。1．土的含水量：最优含水量：使填土压实获得最大密实度时的含水量。2．铺土厚度：填方每层铺土厚度应根据土质、压实的密实度要求和压实机械的性能确定。一般H取：200mm~300mm。3．压实功：不同机械有效影响深度不同。ρw0——小则不粘结、摩阻大，大则橡皮土；应为最优含水量zσ压实机械每层铺土厚度（mm）压实遍数平碾250~3006~8振动压实机250~3503~4柴油打夯机200~2503~4人工打夯＜2003~4ρW(N·m)0压实遍数1.4.4填土压实的质量检查1．质量要求：压实系数（λc）：是土的施工控制干密度和土的最大干密度的比值。P42表1-23填土压实系数2．检查方法：采用“环刀法”按规定取样。（一般场地平整0.9，填土作地基0.93~0.96）土的最优含水量和最大干密度参考表项次土的种类变动范围最优含水量（%）（质量比）最大干密度（103kg/m3）1砂土8~121.80~1.882粘土19~231.58~1.703粉质粘土12~151.85~1.954粉土16~221.61~1.801.5土方工程机械化施工1.5.1推土机：作业方法：下坡推土法；并列推土；槽形推土；多铲集运；铲刀上附加侧板。适用范围：场地清理、场地平整、开挖深度不大的基坑、回填土等。1.5.2单斗挖土机：正铲、反铲、抓铲、拉铲。1．正铲挖土机：工作特点：前进向上，强制切土。适用范围：基坑内作业、3m以上无地下水的干燥基坑。

停机面以上、含水量30％以下、一～四类土的大型基坑开挖。作业方式：正向挖土、侧向卸土；正向挖土、后方卸土。正铲挖掘机2．反铲挖土机：

工作特点：后退向下、强制切土。适用范围：开挖停机面以下、一至三类的砂土或粘土，最大挖土深度4~6m。基坑、基槽、管沟等。作业方式：沟端开挖；沟侧开挖。3．抓铲挖土机：工作特点：直上直下、自重切土。适用范围：停机面以下、开挖较松软的土（一～二类土），窄而深的基坑、沉井，特别是水下挖土。作业方式：立于作业面一侧。4．拉铲挖土机：工作特点：后退向下、自重切土。适用范围：停机面以下、一至三类土，较大基坑、沟渠，挖取水下泥土。填筑路基、堤坝、河道清淤。作业方式：沟端开挖；沟侧开挖。反铲挖掘机抓铲挖掘机拉铲挖掘机土方工程场地平整基坑工程填筑压实机械化施工H0△hHnhnVm支护板桩降水填压方法影响因素质量检查工作特点总结1.1土的可松性在工程中有哪些应用？1.2场地设计标高的确定方法有几种？它们有何区别？1.3试述影响边坡稳定的因素有哪些？并说明原因。1.4土壁支护有哪些形式？1.5试述“相当梁法”的计算原理。1.6水泥土墙设计应考虑哪些因素？1.7降水方法有哪些？其适用范围有哪些？1.8简述流砂产生的原因及防治措施？1.9轻型井点的设备包括哪些？1.10轻型井点的设计包括哪些内容？其设计步骤如何？1.11单斗挖土机有几种形式？分别适用开挖何种土方？1.12叙述影响填土压实的主要因素？1.13填土的密实度如何评价？1.14雨季施工为什么易塌方？1.15在什么情况下，需设置基坑支护结构？1.16什么是土钉墙？简述其工作原理。土钉墙支护具有哪些优点？1.17基坑支护结构的选型应满足哪些要求？复习思考1.名词解释：⑴土的最终可松性系数：⑵流砂现象：⑶渗透系数：⑷动水压力：⑸坡度系数：⑹压实系数：⑺土的最佳含水量：⑻土的可松性：⑼基坑支护结构：⑽土层锚杆：⑾土钉墙：练习2．单项选择：⑴某基坑开挖土方量为V1，基础在坑内占体积为V2，土的最初可松性系数和最终可松性系数分别为Ks和K’s。则该基坑除留下回填用土后的多余土方外运量为：（）A．B．C．D．⑵井点降水系统计算时引入假想半径ｘ０的条件是基坑长宽比（）。A．不大于5B．不小于5C．不大于6D．小于8练习⑶在含有自由潜水面的两个不透水层之间的砂性含水层中，当埋入的井点达到下面不透水层时，该水井类型为（）。A．无压完整井B．无压非完整井C．承压完整井D．承压非完整井⑷当基坑的土是细砂或粉砂时，宜选用的降水方法是（）。Ａ．四周设排水沟与集水井Ｂ．用抽水泵从基坑内直接抽水Ｃ．同时采用方法Ａ与ＢＤ．轻型井点降水⑸场地设计标高的调整，考虑土的可松性影响，引起场地设计标高的变化（）。A．B．C．D．练习⑹当用单斗挖掘机开挖基槽时，宜采用的工作装置为（）。A．正铲B．反铲Ｃ．拉铲D．抓铲⑺确定填土压实的每层铺土厚度应考虑的因素为（）。A．压实方法Ｂ．土的含水量Ｃ．压实遍数Ｄ．综合考虑A和C⑻在土方工程中，对于大面积场地平整、开挖大型基坑、填筑堤坝和路基等，宜首先选择的土方机械为（）。A．单斗挖土机Ｂ．推土机Ｃ．铲运机Ｄ．多斗挖土机⑼轻型井点降水中系统中，离心泵的吸水扬程（）。A．越小越好B．越大越好C．大小均可D．等于零⑽在同一压实功条件下，土的含水量对压实质量的影响是（）。A．含水量大好B．含水量小好C．含水量为某一值好D．含水量为零时好练习3．填空题：⑴土的工程分类是按土开挖的难易程度将土分为（）大类。⑵轻型井点的布置应根据（）、（）、（）、（）而定。⑶填土压实方法有（）、（）、（）。⑷影响填土压实的因素有（）、（）、（）。⑸流砂产生的原因是（），防治流砂的方法有（）、（）等。⑹基坑坑壁支护的类型有（）、（）、（）三种。⑺板桩设计的五要素（）、（）、（）、（）、（）。⑻基坑降水的方法有（）、（）。⑼井点降水根据开挖深度不一样，渗流速度不一样，可划分为（）、（）、（）、（）和（）五种类型。⑽轻型井点平面布置的形式有（）、（）、（）。练习⑾轻型井点系统的类型有：（）、（）、（）、（）。⑿无压完整井涌水量的计算公式是：（）。⒀正铲挖土机的工作特点：（）。⒁反铲挖土机的工作特点：（）。⒂单斗挖土机包括：（