土方工程课件

土木工程施工江苏大学土木工程与力学学院土木工程系2021/10/10星期日1第一章土方工程

一、土方工程的内容、特点与施工要求

1、土方工程的内容

（1）场地平整。

（2）基坑、隧道开挖，路基修筑。（3）土方回填与压实第一节土方规划(概述)2021/10/10星期日22、土方工程施工的特点

（1）面广量大、劳动繁重。

（2）施工条件复杂。

总的来说土方工程包括一切土的挖掘、填筑和运输等过程以及排水、降水、土壁支撑等准备工作和辅助工程。最常见的土方工程包括场地平整、基坑（槽）开挖、地坪填土、路基填筑及基坑回填土等。

2021/10/10星期日33、组织土方工程施工的要求

（1）在条件允许的情况下应尽可能采用机械化施工；（2）要合理安排施工计划，尽量避开冬、雨期施工；

（3）为了降低土石方工程施工费用，减少运输量和占用农田，要对土方进行合理调配、统筹安排。

（4）在施工前要做好调查研究，

拟定合理的施工方案和技术措施，以保证工程质量和安全，加快施工进度。2021/10/10星期日4二、土的工程分类及性质

*(一)土的工程分类

土的分类方法较多，在施工中按开挖的难易程度将土分为八类。(二)土的工程性质

1、土的质量密度分天然密度和干密度。土的天然密度，是指土在天然状态下单位体积的质量，用ρ表示，它影响土的承载力、土压力及边坡的稳定性。土的干密度，是指单位体积土中固体颗粒的质量，用ρd表示，它是检验填土压实质量的控制指标。

2021/10/10星期日52、土的含水量

土的含水量W是土中所含的水与土的固体颗粒间的质量比，以百分数表示：(1-1)式中

土的含水量影响土方施工方法的选择、边坡的稳定和回填土的质量。2021/10/10星期日6

土的渗透性是指水在土体中渗流的性能，一般以渗透系数K表示。

达西地下水流动速度公式：

v=KI

(1-2)式中：v——水在土中的渗流速度。

K——土的渗透系数。3、土的渗透性2021/10/10星期日74、土的可松性*土具有可松性，即自然状态下的土，经过开挖后，其体积因松散而增加，以后虽经回填压实，仍不能恢复其原来的体积。

2021/10/10星期日8例1－1：某场地平整有4000m3的填方量需从附近取土填筑，其土质为密实的砂粘土，试计算：(1)填土的挖方量；(2)已知运输工具的斗容量为2m3，需运多少车次？

2021/10/10星期日9三、土方边坡

土木工程中，在结构施工时一般都需要进行基坑开挖，土壁失稳塌方是基坑开挖中必须注意的问题。当基坑周围场地较大，且周边环境简单，基坑开挖宜采用放坡形式，即可不必做成直壁式。常见的边坡可做成直线形、折线形或踏步形。图1－1

边坡坡度示意2021/10/10星期日10

边坡坡度应根据不同的挖填高度、土的性质及工程的特点而定，要保证土体的稳定和施工安全，又要节省土方。2021/10/10星期日11四、预备知识：土方量的计算方法图1－2场地平整图1－3基坑开挖2021/10/10星期日121、平均高度法1)、四方棱柱体法a)、全挖全填格式中：V——挖方或填方的土方量(m3)；h1,h2,h3,h4——方格四个角点的挖填高度，以绝对值代人(m)。图1－3全挖(或全填)2021/10/10星期日13b)、部分挖部分填格图1－4两挖和两填的方格2021/10/10星期日14图1－5三挖一填方格2021/10/10星期日15图1－6

三角形网格2)、三角棱柱体法a)、全挖全填图1－7全挖全填网格2021/10/10星期日16b)、有挖有填图1－8有挖有填网格式中：a——方格边长(m)；

hl，h2，h3——三角形各角点的施工高度(m)，用绝对值代人。2021/10/10星期日172、平均断面法1)、近似公式

基坑、基槽、路堤、场地平整的土方量计算，均可采用平均断面法。图1－9平均断面法

2021/10/10星期日182)、精确公式式中：2021/10/10星期日19当断面不规则时：图1－10不规则断面2021/10/10星期日20

各个断面面积求出后，设各断面面积分别为F1，F2，…Fn，相邻两断面间的距离依次为l1，l2，…ln，则所求的土方体积为：2021/10/10星期日21

在上述土方量计算基本方法中，由于计算公式不同，其计算的精度亦有所不同。一般来说，在地形平坦地区可将方格尺寸划分得大一些，采用四方棱柱体计算即可。而在地形起伏较大的地区，则应将方格尺寸划分得小些，亦采用三角棱柱体计算土方量。2021/10/10星期日22五、场地平整的计算*

场地平整就是将自然地面改造成人们所要求的平面。场地设计标高应满足规划、生产工艺及运输、排水等要求。1、场地设计标高H0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。合理确定场地设计标高，对减少土方量和加速工程进度均具有重要的经济意义。2021/10/10星期日23

如场地设计标高无其他特殊要求时，可根据挖填平衡的原则加以确定。其步骤如下：

1)、在地形图上将施工区域划分为边长a为10～50m(一般采用20m或40m)若干个方格网。

图1-11

场地设计标高H0计算示意图(a)方格网划分；(b)场地设计标高示意图；

1－等高线；2－自然地面；3－场地设计标高平面2021/10/10星期日242)、确定各小方格角点的高程。可用水准仪测量，或根据地形图上相邻两等高线的高程，用插入法求得。

3)、按照挖填平衡的原则确定设计标高H0。1)、初步设计标高式中：N——方格网数；

Hij——方格网中任意一个角点的高程。2021/10/10星期日25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；

H4——四个方格共有的角点标高。2021/10/10星期日262、场地设计标高的调整1)、土的可松性影响图1－12

考虑土的可松性设计标高调整计算示意(a)(b)

由于土有可松性，一般填土会有多余，需相应提高设计标高。2021/10/10星期日27假设：VW,VT——按理论设计标高计算出的总挖方、总填方体积；FW,FT——按理论设计标高计算出的挖方区、填方区总面积；

Ks’——土的最终可松性系数。实际总挖方体积为：实际总填方体积为：2021/10/10星期日28整理简化得：此时，填方区的标高也应与挖方区一样，提高△h

，即：故考虑土的可松性后，场地设计标高调整为：2021/10/10星期日292)、场地泄水坡度的影响*a)、单向泄水时各方格角点的设计标高

图1—13单向泄水坡度示意图2021/10/10星期日30式中：

H0——根据挖填平衡原则确定的场地中任意网格角点的设计标高；

l——该网格角点至场地中心线的距离；

i——场地泄水坡度。2021/10/10星期日31b)、双向泄水时各方格角点的设计标高

图1—14双向泄水坡度示意图2021/10/10星期日32式中：

H0——根据挖填平衡原则确定的场地中任意网格角点的设计标高；

lx，ly

——该网格角点沿X－X、Y－Y方向至场地中心线的距离；

ix，iy——场地沿X－X、Y－Y方向的泄水坡度。2021/10/10星期日333)、场内挖方和填方的影响

有时从经济角度出发，会将部分挖方就近弃于场外，或将部分填方就近取土于场外等，此时，也会导致挖填土方量的变化。必要时，亦需调整设计标高。可采用如下近似公式计算。式中：

Q——就近场外取土量或弃土量。就近取土时取“＋”，就近弃土时取“—”。2021/10/10星期日34式中：

hn——该角点的挖、填高度，以“＋”为填方高度，以“－”为挖方高度(m)；

Hn——该角点的设计标高(m)；

H

——该角点的自然地面标高(m)。3、场地土方量计算步骤

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(即挖、填方高度)hn

2021/10/10星期日35式中：

h1，h2——相邻两角点挖、填方施工高度(以绝对值代入)；

a

——方格边长；

x——零点距角点A的距离。

图1－15

零点位置计算2)、绘出“零线”方格线上的零点位置见图1—15，可按下式计算：2021/10/10星期日363)、计算场地挖、填土方量零线求出后，也就划出了场地的挖方区和填方区，便可按平均高度法分别计算出挖、填区各方格的挖、填土方量。(a)(b)图1－16

零点位置示意图2021/10/10星期日37例题：

某工程场地平整，方格网(20m×20m)如图所示，不考虑泄水坡度、土的可松性影响，试求场地设计标高H0

，定性标出零线位置。2021/10/10星期日38解：零线位置如下图所示：2021/10/10星期日39第二节土方工程施工要点

土方工程的施工要点，主要应解决土壁稳定、施工排水、流砂防治和填土压实等四个问题。一、土壁稳定*

基坑开挖后，土体缺少内摩擦阻力和粘聚力来保持平衡，容易引起塌方，这不仅会造成人身安全事故，同时亦会影响工期，甚至会危及附近的建筑物。2021/10/10星期日401、土壁塌方的原因1)、边坡过陡，使得土体的稳定性不够，尤其在土质差、开挖深度大的坑槽中。

2)、雨水、地下水渗入基坑，使得土体抗剪强度降低，这是造成塌方的主要原因。

3)、基坑上边缘附近大量堆土或停放机具、材料，或由于动荷载的作用，使土体中的剪应力超过土体的抗剪强度。

4)、土方开挖顺序、方法未遵守“从上往下，分层开挖；开槽支撑，先撑后挖”的原则。2021/10/10星期日412、防治塌方的措施

边坡的留设应符合规范的规定，其坡度大小应根据土壤的性质、施工方法、开挖深度、工期的长短等因素确定。例如，粘性土的边坡可以陡一点，砂性土则应平缓些。2)、设置支撑

为了缩小施工面、减少土方，或受场地限制不能放坡时，则可设置土壁支撑。

1)、放足边坡2021/10/10星期日42(a)间断式水平挡土板支撑(b)垂直挡土板支撑图1－17

横撑式支撑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、调节螺丝

市政工程施工时，常需在地下铺设管沟，因此需开挖沟槽。开挖较窄的沟槽，多用横撑式土壁支撑。a)、基槽支护2021/10/10星期日43b)、基坑支护

基坑支护结构一般根据地质条件、基坑开挖深度以及对周边环境保护要求采取重力式水泥土墙、板式支护结构、土钉墙等形式。重力式水泥土墙1－搅拌桩；2－插筋；3－面板；4－H型钢图1－18

重力式水泥挡土墙2021/10/10星期日44板式支护结构(1)、型钢横挡板挡墙图1—19

型钢桩横档板支护1一型钢桩；2一横向挡土板；3－木楔2021/10/10星期日45(2)钢板桩挡墙图1-20

常用钢板桩截面形式(a)(b)(a)一字形钢板桩；(b)U形板桩(“拉森”板桩)2021/10/10星期日46钢板桩施工现场2021/10/10星期日47图1－21

板式支护结构1－板桩墙；2－围檩；3－钢支撑；4－斜撑；5－拉锚；6－土锚杆；7－先施工的基础；8－竖撑(3)板墙式挡墙2021/10/10星期日48土钉墙图1－22

土钉墙1－土钉；2－喷射混凝土面层；3－垫板

2021/10/10星期日49土钉墙的施工顺序为：按设计要求自上而下分段、分层开挖工作面，修整坡面→埋设喷射混凝土厚度控制标志，喷射第一层混凝土→钻孔，安设土钉钢筋→注浆，安设连接件→绑扎钢筋网，喷射第二层混凝土→设置坡顶、坡面和坡脚的排水系统。若土质较好亦可采取如下顺序：开挖工作面、修坡→绑扎钢筋网→成孔→安设土钉→注浆、安设连接件→喷射混凝土面层。2021/10/10星期日50二、施工排水*

开挖基坑时，流入坑内的地下水和地面水如不及时排除，不但会使施工条件恶化，造成土壁塌方，亦会影响地基的承载力。因此，在土方施工中，做好施工排水工作，保持土体干燥是十分重要的。施工排水可分为明排水法和人工降低地下水位法两种。1、明排水法

明排水法也叫集水井降水法。这种方法是在基坑或沟槽开挖时，在坑底设置集水井，并沿坑底的周围或中央开挖排水沟，使水在重力作用下流入集水井内，然后用水泵抽出坑外。四周的排水沟及集水井一般应设置在基础范围以外。2021/10/10星期日511、排水沟的设置排水沟底宽应不少于0.2～0.3m，沟底设有0.2％～0.5％的纵坡,在开挖阶段，排水沟深度应始终保持比挖土面低0.4～0.5m

2、集水井的设置集水井应设置在基础范围以外。间距应根据水量大小、基坑平面形状及水泵能力确定，一般为20～40m。

1－排水沟；2－集水井；3－水泵；4－基础边线图1－23

明排水法2021/10/10星期日52

人工降低地下水位，就是在基坑开挖前，先在基坑周围埋设一点数量的滤水管(井)，利用抽水设备从中抽水，使地下水位降落到坑底以下，直至基础工程施工完毕为止。人工降低地下水位的方法有轻型井点*、喷射井点、电渗井点、管井井点以及深井泵井点等。2、人工降低地下水位法轻型井点

轻型井点，就是沿基坑周围将许多直径较小的井点管埋入蓄水层内，井点管上部与总管连接，通过总管利用抽水设备将地下水从井点管内不断抽出，使原有的地下水位降至坑底以下。图1-24

轻型井点法降低地下水位全貌图

1－井管；2－滤管；3－总管；4－弯联管；5－水泵房；

6－原有地下水位线；7－降低后地下水位线

2021/10/10星期日53(1)、轻型井点设备

轻型井点设备主要包括：井点管(下端为滤管)、集水总管、弯联管及抽水设备。(a)井点管(b)滤管图1-25

井点管构造

1－钢管；2－管壁上的小孔；3－缠绕的塑料管；4－细滤网；5－粗滤网；6－粗铁丝保护网；7－井管；8－铸铁头2021/10/10星期日54(2)、轻型井点的布置(a)、平面布置

井点管的平面布置可分为单排布置、双排布置、环形布置和U形布置。单排布置时，井点管布置在地下水流的上游一侧，两端延伸长度不小于坑槽宽度。单排布置时，位于地下水流上游一排井点管的间距应小些，下游一排井点管的间距可大些。图1-26

轻型井点的平面布置图1-27

单排轻型井点的布置2021/10/10星期日55(b)、高程布置

高程布置系确定井点管的埋深，即滤管上口至总管埋设面的距离。进行高程布置时，应考虑井点管的标准长度以及滤管必须在透水层内等因素。可按(*)式进行计算：图1-28

轻型井点高程布置(*)2021/10/10星期日56式中：

H1

——井点管埋设面至坑底面的距离(m)；

h

——降低后的地下水位至基坑中心底面的距离，一般为0.5－1m

；

i

——水力坡度，环形井点为1/10，单排井点为1/4；

L

——井点管至基坑中心的水平距离(m)；2021/10/10星期日57

图1－29

二级轻型井点1－第一层井点管；2－第二层井点管

如H值大于降水深度6m时，可采用二级井点。2021/10/10星期日58(3)、轻型井点计算

设计内容除井点系统的布置外，还需确定井点的数量、间距、井点设备的选择等。(a)、井点系统的涌水量计算

井点系统所需井点管的数量，是根据涌水量来确定的。而井点系统的涌水量，则是按水井理论进行计算。根据地下水有无压力，水井分为无压井和承压井。无压井分为无压完整井和无压非完整井。对于无压完整井的环状井点系统，涌水量计算公式为：(m3／d)

2021/10/10星期日59式中：

K——渗透系数(m／d)，应由实验测定；

H——含水层厚度(m)；

S——水位降低值(m)；

R——抽水影响半径(m)，取：x0——环形井点的假想半径(m)：F——基坑周围井点管所包围的面积(m2)

2021/10/10星期日60式中：

M——承压含水层厚度(m)；K、R、x0、S——与无压完整井公式相同。承压完整井环形井点涌水量计算公式为：(m3／d)

2021/10/10星期日61式中：

d——滤管直径(m)；

l——滤管长度(m)；

K——渗透系数(m／d)。(m3／d)

(b)、确定井点管数量与井距确定井管数量先要确定单根井管的出水量，单井的最大出水量q，主要取决于土的渗透系数、滤管的构造与尺寸，按下式确定：2021/10/10星期日62式中：

1.1——备用系数，考虑井点管堵塞等因素。其它符号同前；

L——总管长度(m)

。(根)

(m)

井点管的最少根数nmin，按下式计算：井点管的最大井距为：2021/10/10星期日63*轻型井点系统的计算步骤确定井点系统的布置方式；计算涌水量；计算井点数量和井距；选择水泵规格等。(c)、抽水设备选择

水泵一般也配套固定型号，但使用时还应验算水泵的流量是否大于井点系统的涌水量，水泵的扬程能否克服集水箱中的真空吸力，以免抽不出水。2021/10/10星期日64确定井点管间距时，还应注意以下几点：

(a)井距过小时，彼此干扰大，影响出水量，因此井距必须大于15倍管径。

(b)在渗透系数小的土中井距宜小些，否则水位降落时间过长。

(c)靠近河流处，井点宜适当加密。

(d)井距应能与总管上的接头间距相配合。根据实际采用的井点管间距，最后确定所需井点管根数。2021/10/10星期日65(4)、井点管的埋设与使用

轻型井点的安装程序(动画演示)：放线定位→打井孔→埋设井点管→安装总管→用弯联管将井点管与总管接通→安装抽水设备。1)、埋设方法：水冲法；钻孔法；振动水冲法

3)、轻型井点系统安装完毕后，应立即进行抽水试验，如发现漏气、漏水现象，应及时处理。若发现滤管被泥砂堵塞，则属于“死井”，应逐根用高压水反向冲洗或拔出重新沉设。2)、认真做好井点管埋设和孔壁与井点管之间砂滤层的填灌。砂滤层宜选用粗砂，以免堵塞管的网眼。4)、连续抽水不间断（水量先大后小，先混后清），防止堵塞。2021/10/10星期日66井点降水2021/10/10星期日67*降水对周围地面的影响及预防措施

降低地下水位时，由于土颗粒流失或土体压缩固结，易引起周周地面沉降。由于土层的不均匀性和形成的水位呈漏斗状，地面沉降多为不均匀沉降，可能导致周围的建筑物倾斜、下沉、道路开裂或管线断裂。因此，井点降水时，必须采取回灌措施，以防造成危害。2021/10/10星期日68(a)(b)图1－31回灌井点布置示意图降水与回灌井点；(b)加阻水支护结构的回灌井点1－原有建筑物；2－开挖基坑；3－降水井点；4－回灌井点；5－原有地下水位线；6－降灌井点间水位线；7－降水后的水位线；8－不回灌时的水位线；9－基坑底2021/10/10星期日691、流砂现象及其危害

三、流砂及其防治

粒径很小、无塑性的土壤，在动水压力推动下，极易失去稳定，而随地下水一起流动涌入坑内，这种现象称流砂现象。2021/10/10星期日702、产生流砂的原因

产生流砂现象的原因有其内因和外因。内因取决于土壤的性质，流砂现象经常发生在细砂、粉砂和亚砂土中(粘粒含量少，粉粒多)。但会不会发生流砂现象，还应取决于一定的外因条件，即地下水及其产生动水压力的大小。图1－32动水压力原理图动水压力GD

为：式中：I－水力坡度；h1－h2

－水位差；L－地下水渗流长度；γW

－水的重度(kN/m3)2021/10/10星期日71

由上式可知，动水压GD与水力坡度I成正比，水位差越大，动水压力越大，而渗透路程越长，动水压力越小。产生流砂现象主要是由于地下水的水力坡度大，即动水压力大，而且动水压力的方向(与水流方向一致)与土的重力方向相反，土不仅受水的浮力，而且受动水压力的作用，有向上举的趋势，当动水压力等于或大于土的浮重度时，土颗粒处于悬浮状态，并随地下水一起流入基坑，即发生流砂现象。2021/10/10星期日72

此外，当基坑位于不透水层内，而不透水层下面为承压蓄水层，坑底不透水层的覆盖厚度的重量小于承压水的顶托力时，基坑底部即可能发生管涌冒砂现象，即：式中：H－压力水头(m)；

h－坑底不透水层厚度(m)；γW

－水的重度(kN/m3)；γ－土的重度(kN/m3)2021/10/10星期日733、流砂的防治

流砂防治总的原则是“治砂必治水”，主要途径是减小或平衡动水压力、改变其方向或者截住地下水流。具体措施为：

(1)、在枯水季节开挖

(2)、打钢板桩，以截住水流

(3)、水下挖土法，使坑内外的水压相平衡，不致形成动水压力

(4)、地下连续墙法

(5)、抛大石块抢挖法2021/10/10星期日74四、填土压实*1、填土的要求

土的特性是分散性，颗粒之间没有紧密的连接，水容易侵入。为使填土满足强度及水稳性两方面要求，正确选择土料和填筑方法。填方工程应分层铺土压实，最好采用同类土壤填筑。填方土料为粘性土时，应检验其含水量是否在控制范围内，含水量大的粘土不宜做填土用。过湿时应晒干或掺入干土及其他吸水材料；过干时，则应洒水进行湿润。当采用土料的透水性不同时，不得掺杂乱倒，应分层填筑，并将透水性较小的土料填在上层，2021/10/10星期日75图1-32碾压机械(a)自行式平碾；(b)拖式羊脚碾2、填土压实方法1)、碾压法

碾压法是由沿着表面滚动的