第一章土方工程

1、第一章土方工程,授课老师：胡星,第一章土方工程,本章内容主要包括三个部分：1、排水和地下水处理2、基坑边坡与支护3、土方开挖与填筑,概述,一、土方施工特点土方工程的施工特点是工程量大，劳动强度高，工期长，施工条件复杂。因此，施工前应根据工程水文地质资料、气候环境特点制定合理的施工方案，采用机械化施工，做好排水、降水及土壁支护等工作，确保工程质量及安全。,二、土的工程分类,按照开挖的难易程度,土的工程分类见表1-1，各类土的工程性质直接影响土方工程施工方法的选择、劳动量消耗及工程费用。,三、土的工程性质,1、土的可松性土的可松性是土经开挖后组织破坏、体积增加、虽经回填压实仍不能恢复成原来体积的性

2、质。它可用最初可松性系数Kp和最终可松性系数Kp表示，即（1-4）式中V1土在自然状态下的体积；V2土经开挖后松散状态下的体积；V3土经回填压实状态下的体积。其值见表1-1。,2、土的渗透性,土的渗透性是指当水力坡度等于1时的渗透速度，用渗透系数k表示，按下式计算（1-6）式中Q单位时间内渗透通过的水量；A通过水量的总横截面积；V渗透水流的速度；I水力坡度（高低水位之差与渗透距离的比值）,第一节排水和地下水处理,在开挖基坑（槽）及其它土方时，土的含水层被切断，地下水会渗入坑内；雨期施工时，地面水也会流入坑内。为防止边坡失稳、基坑流砂、坑底隆起或管涌、地基承载力下降、恶化施工条件等，必须做好排水

3、、降水。,一、排除地面水,地面及场地排水一般采取设置排水沟、防洪沟、截水沟、挡水堤等方法并尽量利用原有的排水系统，使临时性与永久性排水设施相结合。,二、地下水处理,基坑（槽）降水有集水坑降水法和井点降水法。集水坑降水法一般用于面积及降水深度较小且土层中无细砂、粉砂情况；若降水深度较大、土层为细砂、粉砂、软土地区明沟排水易引起流砂、塌方等，应尽量采用井点降水法。无论采用哪种方法，降水工作应持续到基础施工完毕并回填土后结束。,（一）集水坑降水法,集水坑降水法是在坑（槽）底周围或中央开挖有坡度的排水沟，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，用水泵抽走。它的设备简单，施工方便。施工中应

4、注意流砂防治。1、集水坑设置。为防止基底土遭受破坏，集水坑应设在坑（槽）范围以外、地下水走向的上游。根据坑（槽）涌水量的大小及平面形状尺寸、水泵抽水能力，确定集水坑的数量和间距。一般每2040m设一个。集水坑直径或宽度0.60.8m。集水坑深随挖土不断加深并低于挖土工作面0.71.0m，坑槽达到标高后，集水坑底应低于基底12m，并铺设碎石滤水层。,2、流砂及其防治,流砂现象：当基坑挖土到达地下水位以下，而土质是细砂或粉砂，且采用集水坑降水时，在一定动水压力作用下，坑底下的土就会形成流动状态，随地下水一起流动涌进坑内，这种现象称为流砂现象。,流砂的防治,在枯水期施工抛大石块打板桩水下挖土井点降低

5、地下水位此外还可采用地下连续墙法、压密注浆法、土壤冻结法等截止地下水流入坑内，以防治流沙现象。,（二）井点降水法,井点降水法是在基坑（槽）开挖前于其周边埋设一定数量的井点管，利用抽水设备在开挖过程中不断抽水，使地下水位降至基底以下。它防止了水中作业和流砂发生，因边坡可陡些而减少挖土量，设备简单、使用灵活、装卸方便。井点降水法的井点类型有：轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点和深井井点。,（1）轻型井点。轻型井点是沿基坑（槽）四周或一侧以一定距离埋入直径较小的井点管至含水层内，井点管上端通过弯联管与集水总管相连，利用抽水设备经井点管降水至基底以下。,1）轻型井点设备。轻型井点设备由管路系统和抽

6、水设备等组成。管路系统由滤管、井点管、弯联管和总管组成。抽水设备常用真空泵和射流泵系统。干式真空泵系统由真空泵、离心泵和水气分离器组成。射流泵系统由射流器、离心泵和循环水箱组成。,干式真空泵井点设备由真空泵、离心泵和水气分离器（又叫集水箱）等组成。其优点是：对不同渗透系数的土有较大适应性，抽水和排气的能力大，带动井点数为70100根、总管长达80120m；缺点是设备数量较多，施工费用较大。,射流井点系统的降水深度可达6m，所带井点管一般只2540根、总管长度3050m。若采用两台离心泵和两个射流器联合工作，能带动井点管70根、总管长度100m。射流泵井点排气量较小，真空度波动较敏感，易于下降，

7、排水能力较低。但结构简单、制造容易、成本低、耗电小、使用检修方便。适于在粉砂、粉土等渗透系数较小的土层降水。,2）轻型井点布置。平面布置：井点布置及井点管间距应根据基坑（槽）平面形状与大小、深度、水文和地质情况、降水深度、工程性质等按计算或经验确定。当坑（槽）宽度小于6m且降水深度不超过6m时，可采用单排井点，布置在地下水上游一侧，两端延伸长度不小于坑（槽）宽度（图）；当坑（槽）宽度大于6m或土质排水不良时，宜采用双排线状井点，布置在坑（槽）两侧；当基坑面积较大时，宜采用环形井点（图）；挖土、运输设备出入道可不封闭，间距可达4m，一般留在地下水下游方向。,高程布置井点管的埋设深度H也可按下式计

8、算H1H2+h+IL1（1-53）式中H2井点管埋设面至基坑底面距离；h基坑底面至降低后地下水位线的距离，一般取0.51.0m；I水力坡度，单排井点取1/4，环形井点取1/10；L1井点管至基坑中心的水平距离；,a涌水量计算。轻型井点的涌水量计算以水井理论为依据。水井分为四种类型：无压完整井地下水上部为透水层，地下水无压力，井底达到不透水层；无压非完整井地下水上部为透水层，地下水无压力，井底达不到不透水层；承压完整井滤管布置在充满地下水的两层不透水层之间，地下水有压力，井底达到不透水层；承压非完整井滤管布置在充满地下水的两层不透水层之间，地下水有压力，井底未达到不透水层。,无压完整井（环形井点

9、系统）涌水量Q计算无压完整井单井涌水量按下式计算式中H含水层厚度；h井内水深；R抽水影响半径(m)；r水井半径；K渗透系数。,井点系统总涌水量为：式中H含水层厚度；S水位降低值；R环状轻型井点的抽水影响半径，近似的按下式计算x0环状轻型井点的假想半径，F为环状轻型井点井点管包围的面积。矩形基坑的长宽比大于5或基坑宽度大于抽水影响半径两倍时，需将基坑分割成符合计算公式适用条件的单元，再将各单元涌水量相加得到总涌水量。,无压非完整井涌水量计算无压非完整井涌水量Q为式中H0含水层有效深度，按表1-4计算，且H0H。承压完整井和承压非完整井公式见教材P15.,b、井点管数量与间距计算。井点管的数量n取

10、决于井点系统涌水量Q和单根井点管的最大出水量q，按下式计算式中m考虑堵塞等因素的井点备用系数，一般取1.1；q单根井点管的最大出水量，按下式计d滤管直径；l滤管长度；k渗透系数。,井点管数量算出后，便可根据井点系统布置方式，求出井点管间距D式中L总管长度。为防止彼此干扰大，影响出水量，井点管间距不能过小，必须大于15d；在总管拐弯处及靠近河流处，井点管宜适当加密；考虑渗透系数小的土抽降水位的时间较长，宜缩小间距；井管间距应与总管上的接头间距相配合。,c、抽水设备的选择。由真空泵和离心泵组成的轻型井点机组可根据所带动的总管长度、井点管根数及降水深度选用。一套抽水机组通常设真空泵一台、离心泵两台。

11、两台离心泵既可轮换备用，又可在地下水量较大时一起开动排水。,真空泵的真空度最大可达100kPa，抽水过程中所需的最低真空度hk应根据降水深度所需的可吸真空度及各项水头损失按下式计算Hk=（H1+H）104式中kA根据降水深度要求的可吸真空度，近似取总管至滤管的深度；h水头损失，包括进水滤管的水头损失，管路阻力损失及漏气损失等，近似取11.5m。,d、轻型井点施工与运行（录像）。井点施工工艺：放样定位铺设总管冲孔安装井点管填砂砾滤料上部填粘土封闭井点管与总管用弯联管连接安装抽水设备试抽。井点管埋设方法有射水法、冲孔（或钻孔）法及套管法，根据设备条件及土质情况选用。射水法是在井点管的底端装上冲水装

12、置（射水式井点管）冲孔下沉井点管。冲孔直径应不小于300mm，深度应比滤管底深0.5m左右，以利沉泥砂。井点管应位于砂滤层中间。,（2）管井井点。管井井点是沿基坑周围每隔一定距离（2050m）设一个管井，每个管井单独用一台水泵不断抽降地下水位。在土的渗透系数k20m/d，地下水量大的土层中，宜采用管井井点。管井井点由滤水管井、吸水管和抽水泵组成。采用离心式水泵或潜水泵抽水,管井的间距一般为2050m，深度为815m。井内降水可达610m，两井间距35m。管井井点计算参照轻型井点。滤水井管的埋设，可采用泥浆护壁钻孔法成孔。孔径应比井管直径大200以上。井管下沉前应先清孔，并保持滤网畅通。井管与土

13、壁间用粗砂或小砾石灌填滤层。,（3）井点降水对邻近建筑物的影响和预防。井点降水使地基自重应力增加、土层被压缩、土颗粒流失，将引起周围地面沉降。由于土层的不均匀性和形成的水为降低漏斗曲线，地面沉降多不均匀，会导致邻近建筑物的基础下沉、房屋开裂。因此，井点降水时，必须采取相应措施，防降防裂。,1）回灌井点法。回灌井点是在降水井点与需保护建筑间设置的一排井点。降水同时回灌井点向土层内灌入适量的水，使需保护的建筑维持原地下水位，防止或减小其沉降。它是一种经济、简便、有效、可使井点降水对周围建筑的影响减小到最低程度的方法。为确保基坑安全和回灌效果，回灌井点与降水井点间应保持一定距离（一般不宜小于6m），

14、降水与回灌应同步进行。回灌井点两侧应设水位观测井，监测水位变化，调节控制降水井点和回灌井点的运行及回灌水量。,2）设置止水帷幕法。在降水井点区域与需保护建筑间设置一道止水帷幕，使基坑外地下水的渗流路线延长，而使需保护建筑维持原地下水位。它可结合挡土支护结构设置，也可单独采用。常用的止水帷幕做法有深层搅拌法、压密注浆法、冻结法等。,3）减缓降水速度法。减缓井点的降水速度，可防止土颗粒随水流流出。具体措施包括：加长井点、调小离心泵阀、按土颗粒径级改换滤网、加大砂滤层厚度等。土方开挖后应进行打钎验槽(录像）,第二节基坑边坡与支护,一、基坑边坡1、土方边坡坡度坡度系数即当边坡高为H时，边坡宽度为B=m

15、H。土方边坡大小应根据土质条件、挖填方高度、地下水位、排水情况、施工方法、留置时间、坡顶荷载、相邻建筑的情况等因素综合考虑确定。边坡可做成直线形、折线形、台阶形。,基坑边坡的大小，应根据土质条件、开挖深度、地下水位、施工方法及开挖后边坡留置时间长短、坡顶有无荷载以及相邻建筑物情况等因素而定。临时性挖方边坡值应符合表1-5的规定。,2、边坡稳定基坑边坡的稳定主要是由于土体内颗粒间存在摩擦阻力和粘聚力，从而使土体具有一定的抗剪强度。土体抗剪强度的大小主要取决于土的内摩擦角和粘聚力的大小。边坡失稳的主要原因是土体的抗剪强度降低或剪应力增加。,3、边坡防护当基坑放坡开挖时，应考虑到在施工期间，基坑边坡

16、受到气候季节变化和降雨、渗水、冲刷等的作用，会使边坡土质变松，土内含水量增加，土的自重加大，导致土体抗剪强度降低而土体内的剪应力增加，造成边坡坍塌或产生不利于边坡稳定的影响。,二、基坑支护（一）支护结构的类型支护结构按受力情况可分为重力式和非重力式两类。重力式支护结构：深层搅拌水泥土桩、水泥旋喷桩非重力式支护结构：钢板桩、H形钢桩、混凝土灌注桩和地下连续墙,1、挡墙钢板桩由带锁口的热轧型钢制成。常用的截面形式有平板型、波浪型。钢板桩通过锁口连接、相互咬合而形成连续的钢板桩挡墙，除起到挡土作用外，还有一定的止水作用。适用于基坑深度不太大的软土地层的基坑支护。,混凝土灌注桩挡墙其布置方式可采用间隔

17、式排列和交错相接排列等形式。排桩式挡墙平面布置灵活，施工工艺简单，成本低，无噪音，无挤土，对周围环境不会造成危害。但整体性较差。多用于较弱土层中两层地下室及其以下的深基坑支护。,某工程钢筋混凝土排桩支护,某工程护坡桩倒塌事故现场图片,深层搅拌水泥土桩挡墙水泥土墙属于重力式支护结构，利用自身重力挡土，维持支护结构在侧向土压力和水压力等作用下的整体稳定。宽度往往比较大，尤其是采用格栅式时墙宽可达45m。水泥土墙适用于深度不大于6m的基坑支护。,地下连续墙沿拟建工程基坑周边利用专门的挖槽设备，在泥浆护壁的条件下，每次开挖一定长度的沟槽，在槽内放置钢筋笼，利用导管法浇筑水下混凝土，即完成一个单元槽段施

18、工。施工时，每个单元槽段之间，通过接头管等方法处理后，形成一道连续的地下钢筋混凝土墙，简称地下连续墙。,2、冠梁在钢筋混凝土灌注桩挡墙、水泥土墙和地下连续墙等顶部设置的一道钢筋混凝土连梁，称为冠梁，也称为压顶梁。,3、撑锚体系设置撑锚体系的目的：改善挡墙的受力状态，减少挡墙的位移和变形。坑内支撑体系：内撑式支护结构的重要组成部分。由支撑、腰梁和立柱等构件组成，是承受挡墙所传递的土压力、水压力等的结构体系。,坑外拉锚体系水平拉杆锚碇：拉杆通过开沟浅埋于地表下，以免影响地面交通，锚碇位置应处于地层滑动面之外，以防止坑壁土体整体滑动时，引起支护结构整体失稳。施工简便，经济可行，适用于土质较好，开挖深

19、度不大，基坑周边有较开阔施工场地时的基坑支护。,土层锚杆：土层锚杆是埋设在土层深处的受拉杆体，由设置在钻孔内的钢绞线或钢筋与注浆体组成。钢绞线或钢筋一端与支护结构相连，另一端深入稳定土层中，承受由土压力和水压力产生的拉力，维护支护结构的稳定。适用于基坑开挖深度大，而地质条件为砂土或粘性土地层的深基坑支护。,（二）支护结构的施工1、钢板桩施工施工前的准备工作钢板桩的检验与矫正钢板桩的布置导架的安装打设单独打入法、围檩插桩法,2、深层搅拌水泥土桩施工施工机具：深层搅拌机、灰浆搅拌机、贮浆桶、灰浆泵等。施工工艺定位预搅下沉制备水泥浆喷浆、搅拌、提升重复搅拌下沉和喷浆搅拌提升,3、土层锚杆施工构造锚头

20、、套管、钢拉杆和锚固体等布置施工过程钻孔安放钢拉杆灌浆张拉与锚固,4、土钉墙施工土钉支护由密集的土钉群、被加固的原位土、喷射混凝土面层和必要的防水系统组成。土钉是用作加固或同时锚固原位土体的细长杆件。采用直径1632的螺纹钢筋，置入土层钻孔中并沿钻孔全长注浆而成。其与水平面夹角一般为520；长度在非饱和土中宜为基坑（槽）深度的0.61.2倍，软塑粘性土中宜为1.0倍；水平、垂直间距相等（非饱和土中为1.21.5m，坚硬粘土或风化岩中可为2m，软土中为1m）且两者乘积应不大于6；钻孔直径为70120，注浆强度不低于10MPa。土钉依靠与土体间截面粘结力或摩擦力在土体发生变形条件下被动受力，主要受

21、拉力作用。,土钉墙施工工艺流程：开挖工作面后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、注浆绑扎钢筋网、安设连接件喷射第二层混凝土设置坡顶、坡面和坡脚排水系统。,（三）基坑支护工程的现场监测1、监测的主要内容水平位移监测、沉降监测、裂缝监测及漏水情况的监测等。2、基本要求详见P35,第三节土方开挖与填筑,一、基坑土方开挖遵循“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则。1、开挖方式分段分块开挖基坑平面不规则、开挖深浅不一、土质又较差时，为了加快支撑的形成，减少时效影响，可采用分段分块开挖方式。分段长度一般不大于25m。,分层开挖当基坑较深、土质较软、又不允许分段分块施

22、工混凝土垫层或基础时，可采用分层开挖方式。分层开挖的厚度，对软土地基一般为23m，硬质土一般不应超过5m。,“中心岛”式开挖先挖去基坑中心部位的土，而周边一定范围内的土暂不开挖，以平衡支护结构外面产生的侧压力，待中心部位挖土结束，浇筑好混凝土垫层或施工完地下结构后，在支护结构与岛式部位之间设置临时斜撑或对撑，然后再进行支护结构内四周土方的开挖和结构施工。,“盆”式开挖采取与岛式开挖相反的施工顺序，先开挖基坑四周或两侧的土，中间留土墩，再进行周边支撑，浇筑混凝土垫层或地下结构施工，然后进行中间余留土墩的开挖和结构施工。,2、开挖机械特点与施工反铲挖土机施工（录像）能开挖停机面以下的12类土，挖土

23、时后退向下，强制切土。沟端开挖沟侧开挖,正铲挖土机能开挖停机面以上的14类土，挖土时前进向上，强制切土。挖掘力大，生产效率高。拉铲挖土机（录像）后退向下，自重切土。适于开挖停机面以下一三类土基坑（槽）、沟渠、修筑路基、堤坝及水下挖土。抓铲挖土机（录像）直上直下，自重切土。他挖掘力较小。适于开挖停机面以下一二类土施工面窄而深的基坑（槽）、沉井和水下挖土。,3、基坑土方开挖中应注意的问题做好基坑内外的降水、排水工作重视打桩效应，防止桩的位移和倾斜支护结构与挖土应紧密配合，先撑后挖注意减少坑边地面荷载，防止开挖完的基坑暴露时间过长基坑土方开挖中要有安全技术措施，以确保施工安全,4、挖土机与运土车辆配套计算挖土机数量的确定Q土方量P挖土机生产率T工期C每天工作班数K时间利用系数（0.80.9）,单斗挖土机的生产率P可查定额手册或按下式计算：t挖土机每斗作业循环延续时间q挖土机斗容量KC土斗的充盈系数（0.81.1）KS土的最初可松性系数KB工作时间利用系数（0.70.9）,运土车辆配套计算N1=T1/t1T1运土车辆每一运土循环延续时间l运土距离VC重车与空车的平均速度t2卸土时间，一般为1mint3操纵时间，一般取23mint1运土