土木工程施工：第一章 土方工程

第一章土方工程本章内容概述土方边坡与土壁支护场地平整排水、降水施工土方填筑与压实土方工程机械1.1概述1.1.1土方工程施工特点1.土石方施工工程量大、面广。2.施工条件复杂、受气候条件、水文、地质条件影响较大；3.劳动强度较大土方工程包括：场地平整、降水、挖基槽、基坑、支护、挖土方、回填与压实。1.1.2土的工程性质（1）土的组成土由土颗粒（固相）、水（液相）、和空气（气相）组成

注：这三部分随着周围环境的不同，表现出不同的性质，如干燥和潮湿、密实和松散。分为：天然密度和干密度。土的天然密度——指土在天然状态下单位体积的质量；它影响土的承载力、土压力及边坡的稳定性。

天然密度范围：一般粘性土ρ=1800－2000kg/m3；砂土:ρ=1600－2000kg/m3；腐殖土:ρ=1500－1700kg/m3;

土的干密度，指单位体积土中固体颗粒的质量；它是用以检验填土压实质量的控制指标。（2）土的密度1.1.2土的工程性质土中含水量与土的固体颗粒质量的比值。（3）土的含水率注：含水超过20%时就可引起运输设备陷入土中；含水量超过25%时，机械施工困难。w<5---干土；5≤w≤30---潮湿土；w>30---湿土1.1.2土的工程性质土的渗透性是指水在土体中渗流的性能。达西定律(Darcy’sLaw)：渗流速率与水力坡度（单位长度的水头损失）成正比。由法国水力学家Darcy在1852～1855年通过大量实验得出。（4）土的渗透性K—土的渗透系数m/h；或m/dI—水力坡度(水力坡降)1.1.2土的工程性质土的渗透系数参考值K(m/d)1.1.2土的工程性质（5）土的可松性天然土经开挖后，其体积因松散而增加，虽经振动夯实，仍然不能完全复原，土的这种性质称为土的可松性。KsKs’分别称之为最初和最终可松性系数；V1,V2,V3分别为最初、开挖后和压实后的体积。V1V3V21.1.2土的工程性质例：某基础截面3.0m2，基坑深2m，底部宽1.5m，计算100米基槽的挖方量、填方量、弃土方量。已知：边坡坡度1:0.5，KS=1.3，KS’=1.05解：挖土方量：填土方量：弃土方量：（原土状态）（原土状态）（松散状态）1.1.3土的工程分类根据土的开挖难易程度分为八类。1.1.3土的工程分类1.2土方边坡与土壁支护1.2.1土方边坡1.边坡的类型边坡可做成直线形、折线形或阶梯形(c)折线形(b)折线形(a)直线形2.土方边坡的设置边坡系数坡度系数的应用：1）确定放线尺寸；2）确定开挖土方量注：确定坡度系数应考虑土质条件、深度、地下水位、坡上荷载、相邻建筑等等。

1）直壁不加支撑挖方量少、占地小、成本低、施工速度快。易出现坍方事故。2）基坑（槽）开挖最陡坡度3.边坡稳定性分析采用“简单条分法”式中稳定性:当K>1，表示边坡稳定；当K=1，表示边坡处于极限平衡状态；当K<1，表示边坡不稳定；4.影响边坡稳定的因素内在因素：抗剪强度：摩阻力和内聚力；剪力：自重和外荷载；外在因素：地下水、雨水、施工用水等水力作用；边坡上部荷载（堆土、堆料、重型机具）土质条件，边坡留置时间长短；5.土方量的计算：1)基坑（a:b<3）通用公式：实用公式：2)基槽（a:b≥3）通用公式：实用公式：作业：开挖一段长50m的排水管沟，施工要求管沟底宽1.0米，边坡坡度1:0.35,管沟最小深度2.0m，沟底纵向坡度为i=8‰,计算管沟的开挖土方量。1.2.2基坑支护建筑基坑（foundationpit）--为进行建筑物（包括构筑物）基础与地下部分工程的施工所开挖的地面以下空间。基坑支护（retainingandprotectingforfoundationexcavation）--为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采取的支挡、加固、与保护措施。“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”支护的作用：挡土、止水、保证侧壁的安全。支护结构分类：主要参考依据：JGJ120-99建筑基坑支护技术规程；

GB50202-2002建筑地基基础工程施工质量验收规范。1.水泥土桩（墙）支护适用范围：含水量较大，地基承载力不大于120kPa的软土。可加固深度：H:约20m桩长：L=(1.8～2.2)H墙宽：B=(0.7～0.95)H1）什么是水泥土墙由水泥土搅拌桩（或加筋水泥土搅拌桩）、高压喷射注浆桩组成的维护结构，是将软土与固化剂强制拌合使软土硬结成具有整体性、水稳定性和足够强度的水泥加固土。2）水泥土墙加固机理①深层搅拌法加固土＋（7～15）%水泥；深层搅拌机将水泥和加固土均匀拌合，水泥吸收土壤中的水分发生水化硬化，使土颗粒发生胶结，使搅拌桩形成坚固的整体。

桩径：600（单轴）；700（双轴）②高压喷射注浆法水泥浆通过钻机端部的喷嘴，向周围土体喷射，将土与固化剂强制混合，使其硬化后在土中形成水泥土桩。桩径：600～1200（单管）1000～1600（二重管）1500～2500（三重管）3）水泥土墙设计计算①水泥土墙嵌固深度计算值h：基坑深度，m；n0：嵌固深度系数，根据土力学参数粘聚力系数、内摩擦角查表1-7；②嵌固深度设计值其中：粘聚力系数ck：土的粘聚力标准值，kPa；γ：土的重度，kN/m3；注：计算得到的hd小于0.4h时，取0.4h。③水泥土墙厚度计算碎石或砂土中时：γ0：侧壁重要性系数，见JGJ120表3.1.3；γ

cs：水泥土墙平均重度，kN/m3；γ

w：水的重度kN/m3；③水泥土墙厚度计算粘性土或粉土中时：④正截面承载力验算压应力：拉应力：式中：γcs—

水泥土墙重度，kN/m3；z—

从墙顶到计算截面的高度，m；

fcs—开挖时水泥土的抗压强度设计值，MPa；⑤抗滑移稳定性验算抗滑移稳定系数：（注：Kh一般取值1.3）φ0—内摩擦角；c0—

墙底土层粘聚力，kPa;⑤抗倾覆稳定性验算抗倾覆稳定系数：（注：K0:一般取值≥1.4）⑥整体稳定性验算整体稳定系数：（注：一般取值≥1.2）4）水泥土墙施工机械就位——预搅下沉——喷浆搅拌提升——重复搅拌下沉——重复搅拌提升。①深层搅拌注：提升速度依据设计水泥掺入量决定。建议：15%-18%

机械就位——钻孔——插管——喷射注浆——拔管冲洗注：压力：水泥浆压力大于1MPa，水灰比1.0-1.5

高压水射流压力大于201MPa；②高压旋喷以土钉作为受力构件的边坡支护方法，由土钉群、原位土体、喷射混凝土面层、防水系统组成。2.土钉支护1）土钉支护的构造Ф16～32螺纹钢筋，与水平方向夹角5～20度。

间距要求：垂直与水平间距相等；非饱和土中：1.2～1.5m；坚硬粘土、风化岩石：2.0m；软土：1.0m。土钉孔：直径70～120mm灌浆材料：水泥砂浆，强度不低于10MPa;钢筋网：直径6～10；间距150～300；喷射混凝土：不低于C20,厚度80～200mm。锚固长度要求：非饱和土0.6～1.2坑深，软塑粘性土1.0坑深。2）土钉支护的设计①土钉承载力设计值土钉受拉荷载标准值荷载折减系数注：1）基坑侧壁安全等级为二级时，土钉抗拉承载力依据实验确定。

2）基坑侧壁安全等级为三级时抗拉抗力分项系数，1.3第j根土钉锚固体直径；土钉穿过第i层土层的极限摩阻力标准值。表1-10第j根土钉直线破裂面外第i层土体内的长度。②土钉墙整体稳定性计算③土钉长度计算④喷射混凝土面层承受侧压力验算3）土钉墙施工要点①按设计要求确定孔位、打孔；②注浆可用重力注浆（0.4～

0.6MPa）或压力注浆（1～2MPa）水泥砂浆配比1：1或1：2,水灰比0.5；③C20喷射混凝土，水泥用量不少于400kg/m3;

④两遍喷射混凝土中间夹Φ8～Φ10@150～300的钢筋网片；⑤喷射自下而上进行，第一层40mm，第二层约30mm；⑥为排除混凝土层后面的积水，可设泄水孔，间距1.5～2m⑦深基础分层开挖，每层深度不超过3m（人工）（钻机）3.排桩支护连续式

柱列式排桩：混凝土桩、钢桩、水泥土桩，或与土层锚杆等共同共作用的挡土形式。适用于：地质情况较好，地下水位较低的情况。适用于：软土，或地下水位较高的情况。组合式适用于：地质情况较好，地下水位较高的情况。1）平面布置形式：单支撑支护结构

无支撑支护结构适用于：基坑较浅，悬臂不大于5m的情况。适用于：基坑较深的情况。多支撑支护结构适用于：基坑较深，桩抗弯能力不足的情况。2）结构形式：注：支撑形式：拉锚、锚杆、或内支撑。

无支撑悬臂式按悬臂梁计算。3）排桩设计计算单支点排桩根据破坏形式不同，有以下几种情况：3）排桩设计计算

自由单支点：桩入土较浅，整个排桩向内变形，桩底发生转动并有位移发生，相当于简支。主动土压力：被动土压力：可求出埋深t可求支反力Ra

嵌固支撑单支点排桩：桩入土较深，底部嵌固，下部无位移和转角，一端铰支的超静定结构。可按等值梁计算，简化原理如图：首先找出反弯点C的位置：即土压力强度为零的点。计算土压力为零的点距基坑内地面的距离y计算支坐反力P0,和锚杆支反力Ra，即可求出最大弯矩，计算截面。计算桩埋深t0:注：用等值梁计算的弯矩要大于实际弯矩，实际工程中乘以折减系数0.6-0.8（一般取0.74）；计算锚杆拉力扩大系数：1.35～1.4设计桩埋深t:截面形式

U型钢排桩：H型+挡板4.土层锚杆支护1）组成特点：2）分类承力方式（锚固体形式）不同：普通锚杆高压注浆扩孔锚杆机械扩孔锚杆使用要求不同分为：临时性锚杆永久性锚杆施工工艺不同分为：普通锚杆预应力锚杆构造要求：锚杆倾角15～25度。锚杆以土的自由滑动面为界，分为非锚固段和锚固段，非锚固段不宜小于5m，锚固段不宜小于4m。最上层锚杆以上土厚不小于4m。锚杆上下层间距不宜小于2m，水平间距不宜小于1.5m。以免产生群锚效应。即：由于间距太小，锚杆在地层产生的应力场相互重叠，将减小锚杆的抗拔能力并增加位移量，即产生群锚效应。2）设计计算锚杆受拉承载力设计值：d1—扩孔锚固体直径,m；d—锚杆或扩孔锚杆直孔段直径,m；li—第i层土直孔段锚固长度,m；lj—第j层土扩孔段锚固长度，m；q—土体与锚固体摩阻力标准值，kPa；ck—扩孔部分土内聚力标准值，kPa；γ—

分项系数，取1.32）设计计算锚杆水平拉力设计值：非锚固段长度计算式中lt—

锚头至基坑底部以下某个深度，该深度处坑外侧压力标准值与内侧压力标准值相等。锚杆截面积：Km—安全系数，1.4-2.0；d—

锚固体直径,m；τ

—土体与锚固体的粘结强度，kPa；锚固段长度计算3）土层锚杆施工施工要点：坚硬土壤采用湿作业，水钻；钻孔应顺直，灌浆管与拉杆绑在一起，距底部100～200mm；自由段涂润滑油，用塑料布包裹。灌浆材料：灰砂比1：1～1：2,或纯水泥浆；为增加承载力，采用二次灌浆法（拉杆就位时安放两根灌浆管）；灌浆采用高压注浆设备。为提高锚固效果，可对拉杆进行预应力张拉。机械就位－钻孔－安放拉杆－注浆－张拉锚固支护方式的选择JGJ120-19993月23日上午10时许，深圳市南山区西丽医院住院部大楼出现倾侧，墙体出现多处裂缝，246名住院病人、家属及工作人员全部撤离大楼，动用急救车20辆。应满足生产工艺和运输的要求；充分利用地形，分区或分台阶布置，分别确定不同的设计标高；使挖填平衡，土方量最少；要有一定泄水坡度(≥2‰)，使能满足排水要求；要考虑最高洪水位的影响。1.3场地平整施工1.3.1设计标高确定一般原则：1.初步确定设计标高实施步骤：1)(在1:500的地形图上)将场地划分为边长a=10～40m的方格;2)在各方格角点左上方标注角点编号、左下方标注自然地面标高(H)方法：“方格网法”

Hn:由n个方格共用的角点。设计原则：总挖方等于总填方量Hi,j：第i行，第j列的角点的原有标高3)

设计标高确定注：设计标高标注在角点右下方。土具有可松性，设计标高有一个增加值。注：场地应设有泄水坡度，一般取值不小于2‰

①单向排水时，各角点设计标高：Hn=H0±li②双向排水时，各角点设计标高：Hn=H0±lxix±lyiy2.场地设计标高的调整1.3.2场地平整土方量计算1)计算各方格角点施工高度h0=Hn－H’n式中：h0—角点填挖高度(以“+”为填，“-”为挖)，m；

Hn—角点设计标高，m；

H’n—角点原地面标高，m.2)确定零线边线上零点确定：注：施工高度标注在角点右上方。xa-x3)连接零点--零线4)完成施工图标注5)土方量计算1.3.3土方调配土方调配方案的制定原则：

1.土方运输量最小；

2.力争做到挖填平衡；

3.近期施工和后期利用相结合；

4.在经济合理的前提下，可以考虑在挖方区附近弃土，在填方区附近另取土。例：某建筑场地方格网如图所示，方格边长20米，双向泄水，ix=iy=4‰，土层为亚粘土，土的最终可松性系数为1.05，计算场地设计标高，角点施工高度，施工土方量。解：1）计算设计标高设计标高调整2）计算各角点施工高度考虑双向泄水，计算各角点标高（场地中心为设计标高）............3）确定零线4）计算挖填方量挖方注：填方量与挖方量近似相等。1.4排水降水施工降水的目的和意义1、防止涌水、流砂，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。1.4.1集水坑降水法集水坑降水（集水明排）：沿基坑周围（或中央）开挖一定坡度的排水沟，并每隔一定距离高集水坑（井），把坑内积水通过水泵抽走的施工方法。适用条件：面积较小，降水深度不大的基坑（槽）。不适于软土、砂土或淤泥。1.4.1集水坑降水法1.设计原则排水沟和集水井宜布置在拟建建筑基础边净距0.4m以外；排水沟边缘离开边坡坡脚不应小于0.3m;在基坑四角或地上水的上游设集水井，间隔30～40m；排水沟底面应比坑底低0.3～0.4m,集水井底面应比沟底面低0.5m以上；挖至标高后，低于基底1-2m；集水井宽0.6-0.8m；坡度1%；集水坑低铺设滤水层（填上石子或粗砂）2.设备选型工艺参数：出水量q(m3/h);

实际吸水扬程Hs(m);

实际出水扬程H(m);常用水泵离心泵潜水泵后果：基底土丧失承载能力，严重时造成塌方甚至危及临近的建筑物。防治方法：

①钢板桩法；②水下挖土法；

③地下连续墙法④井点降水法等。流沙及其防治流砂现象:基坑开挖到地下水位以下时,坑底土会进入流动状态,随地下水涌入基坑的现象。产生原因：动水压力；1.4.2井点降水法

在基坑开挖之前，在基坑四周设一定数量的井，抽水使地下水位降至基坑底以下——井点法1.轻型井点设备组成：管路（滤管、井点管、弯管、总管）、水泵管路系统构成滤管：直径50mm，长1.0-1.5m，由外到内依次为：粗铁丝网、粗滤网、细滤网、螺旋状铁丝、带孔钢管。井点管为φ50的钢管,每节长5m、6m或7m的钢管；总管为100-127mm的钢管，每段4m;接头间距0.8m弯联管：硬塑料透明管抽水设备真空泵设备：真空泵、离心泵、水气分离箱射流泵设备：射流器、离心泵、循环水箱；潜水泵注：真空泵、射流泵均用到真空原理，吸水扬程均不超过9.8米。布置形式单排布置适用于基坑宽度小于6m，降水深度不大于5m;

注：井点布置在地下水上游一侧。两端延伸长度不小于基坑宽度。双非布置适用于基坑较长、面积较大的情况。环形布置形式轻型井点的高程布置H1——井点管埋置面到基坑底部的距离；h——基坑底部到降水后地下水位的距离,0.5-1.0m；i——水力坡度,单排取1/4,环形取

1/10；L——井点管到基坑中心的距离。注：计算出后，一般再加滤管长度的一半，l/2

井点降水计算水井的分类承压井：承压完整井、承压非完整井；无压井：无压完整井、无压非完整井

涌水量计算①无压完整井涌水量计算法国水力学家“裘布依（Dupuit）于1857年提出的“水井理论”水流向水井要通过一个柱面柱面面积：断面处水力坡度：

涌水量计算由Darcy定律可知涌水量的理论值：

涌水量计算K:土的渗透系数,m/dH：含水层厚度；h：井内水深；R:抽水影响半径；r：水井半径。换成常用对数：注：井群同时工作时，总的涌水量并不等于单井涌水是之和考虑相互影响，总的涌水量：引入变量：s,水位降低值，一般取基坑中心处水位的降低值。A：环状井点管所包围的面积。R：环状布置的井群的抽水影响半径。x0：轻型井点的假想半径，也称等效半径。x0取值：圆形基坑，取井点管所包围的圆的半径；方形基坑取：不规则基坑：a，b井点管所转矩形的长宽。②无压非完整井群涌水量H0：抽水影响深度H0取值如下0.20.30.50.8H01.3（s’+l）1.5（s’+l）1.7（s’+l）1.85（s’+l）s’井点管内的降水深度井点管数量井点间距L：总管长度单根井点的最大出水量d,l:滤管直径和长度；K：土壤渗透系数施工要点：井距不宜过小，影响出水量，大于5πd;总管转弯处，及水位上游应加密；土壤渗透性差时，应适当加密。选取抽水设备时，抽水能力应较涌水量扩大10-20%总管长度一般不大于120m；轻型井点施工：施工顺序：挖井点沟槽敷设总管冲孔沉设井管填砂滤料连接装泵试抽例：基坑底宽8m，长12m，深4.5m，土层构造：自然地面以下1m为亚粘土，下8m为细砂土，再下为不透水层。地下水位标高-1.5m，边坡坡度1:0.5，渗透系数K＝5m/d，进行轻型井点设计。解：考虑基坑的实际大小，采用环型布置,总管埋设于0.5米深沟内。基坑上口尺寸：长：12+4×0.5×2＝16m宽：8+4×0.5×2＝12m

总管布置在上口1m外总管长：

L＝（16+2+12+2）×2＝64m基坑中部降水：

s=(-1.5)-(-4.5)+0.5=3.5m

井点管埋设深度（不包括滤管）

HA=4.5-0.5+0.5+(1/10)×7＝5.2m注：井点管取长6m直径50的钢管；露出沟底0.2m；井点管底部标高(-0.5)-6+0.2=-6.3m，滤管取直径50mm，长1m，滤管底部标高-7.3m。冲孔深度取：７.8m。属无压非完整井涌水量：抽水影响深度,本例7.5m井点管数量：间距：根据抽水量和扬程，选用适当的泵。1.5土方填筑与压实

碎石类土、砂土和爆破石渣（粒径不大于每层铺厚的2/3）可用于表层下的填料；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，仅用于无压实要求的填方；淤泥和淤泥质土一般不能用作填料，但在软土或沼泽地区，经过处理使含水量符合压实要求后，可用于填方中的次要部位；有水溶性硫酸盐大于5%的土，不能用作回填土，在地下水作用下，硫酸盐会逐渐溶解流失，形成孔洞，影响土的密实性。冻土、膨胀性土等不应作为填方土料。1.5.1填方土料的要求密实程度，用压实系数表示

压实系数——施工控制干密度与最大干密度的比值。

1.5.2填方质量要求压实系数要求：表1-18注：土的最大干密度用击实法，实际干密度用环刀取土并通过试验测量。当无实验条件时，土的最大干密度计算：注：压实分层压实，尽量用同类土，不同类土不得任意混杂。分层时透水性强的位于透水性差的土层以上。土的干密度不易测量，可用湿密度控制。

碾压法用于大面积土的压实。1.5.2土的压实方法

平碾羊足碾按自重分为：轻型（3-5T）、中型（6-9T）、重型（10-14T）注：羊足碾与土接触面积小，压实效果好，适用于粘性土。夯实法适用于施工场地受限，或工程量较小的工程。冲击夯强夯蛙式夯注：强夯法主要用于地基夯实。振动压实法机械：

振动碾：在压路机基础上加上振动装置。

冲击式压路机：特