第一章 土方工程

⏹第一章土方工程⏹本章要求1. 了解土方工程施工特点；掌握土方量的计算、场地平整施工的竖向规划设计。

2. 掌握基坑开挖施工中的降低地下水位方法，基坑边坡稳定及支护结构设计方法的基本原理。

3. 熟悉常用土方机械的性能和使用范围。

4. 掌握填土压实和路堤填筑的要求和方法。

⏹本章重点：土的可松性，土方量的计算，场地平整施工的竖向规划设计，轻型井点系统的设计，边坡塌方、流砂的原因及防治，填土压实的原理、方法及施工控制。

⏹本章难点：利用土的可松性系数进行土方量的计算，轻型井点的计算，影响填土压实的因素。

概述土方工程包括土的开挖、运输和填筑等施工过程，有时还要进行排水、降水、土壁支撑等准备工作。

在建造工程中，最常见的土方工程有：场地平整、基坑（槽）开挖、地坪填土、路基填筑及基坑回填土等。

土方工程施工往往具有工程量大、劳动繁重和施工条件复杂等特点；土方工程施工又受气候、水文、地质、地下障碍等因素的影响较大，不可确定的因素也较多，有时施工条件极为复杂。

概述土方工程包括土的开挖、运输和填筑等施工过程，有时还要进行排水、降水、土壁支撑等准备工作。

在建造工程中，最常见的土方工程有：场地平整、基坑（槽）开挖、地坪填土、路基填筑及基坑回填土等。

土方工程施工往往具有工程量大、劳动繁重和施工条件复杂等特点；土方工程施工又受气候、水文、地质、地下障碍等因素的影响较大，不可确定的因素也较多，有时施工条件极为复杂。

⏹ 1.1 土的分类⏹土的分类土的分类繁多，其分类法也很多，如按土的沉积年代、颗粒级配、密实度、液性指数分类等。

在土木工程施工中，按土的开挖难易程度将土分为八类如下表，这也是确定土木工程劳动定额的依据。

⏹土的工程性质土的工程性质对土方工程施工有直接影响，也是进行土方施工设计必须掌握的基本资料。

土的主要工程性质有：土的可松性、渗透性、密实度、抗剪强度、土压力等。

⑴土具有可松性即自然状态下的土，经过开挖后，其体积因松散而增大，以后虽经回填压实，仍不能恢复。

土的可松性程度用可松性系数表示，即⑵土的渗透性是指土体被水透过的性质。

土体孔隙中的自由水在重力作用下会发生流动，当基坑开挖至地下水位以下，地下水在土中渗透时受到土颗粒的阻力，其大小与土的渗透性及地下水渗流路线长短关。

⏹ 1.2 土方量的计算1.1.1基坑、基槽、土方量的计算土方量可按拟柱体积的公式算：1.1.2场地平整土方量的计算在场地平整土方工程施工之前，通常要计算土方的工程量。

但土方外形往往复杂，不规则，要得到精确的计算结果很困难。

一般情况下，可以按方格网将其划为一定的几何形状，并采用具有一定精度而又和实际情况近似的方法进行计算。

场地平整的工程量计算的步骤如下：⑴划分方格网；⑵计算各角点的地面标高；⑶计算各角点的设计标高；⑷计算各角点的施工高度；⑸计算零点、绘出零线；⑹计算各方格内的挖填方体积；⑺统计挖、填方量；⑻调整设计标高。

⏹（一）划分方格网⏹划分方格网的步骤是：（1）在地形图上将施工区域画出方格网；（2）根据地形变化程度及要求的计算精度来确定方格网的边长，一般取10～40m；（3）在各方格的左上逐一标出其角点的编号。

⏹（二）计算各角点的地面标高⏹角点的地面标高也称为角点的自然地面标同，可根据地形图上相邻高等高线的高程，用插入法求得。

⏹（三）计算各角点的设计标高⏹首先，确定场地设计标高。

其次，考虑泄水坡度对角点设计标高的影响，当按以上确定的设计标高H0进行场地平整时，则整个场地表面均处于同一水平面。

但实际上由于排水的要求，场地表面需有一定的泄水坡度，一般取0~0.005。

因此，还需要根据场地泄水坡度的要求，计算出场地内各方格角点实际施工所用设计标高。

以H0作为场地中心点的标高，则场地任意点的设计标高为：⏹（四）计算各角点的施工高度⏹角点施工高度即角点需要挖或填方的高度，由角点的设计标高减去地面标高而得。

⏹（五）计算零点及绘出零线⏹在场地某方格的某边上相邻的两个角点的施工高度出现“＋”与“－”时，则表示该边从填至挖的全长中存在一个不挖不填的点，称为零点或不挖不填点。

零点的位置可按下式计算：⏹（六）计算方格内的挖或填方体积⏹场地土方量计算⏹场地边坡土方量计算⏹（七）统计挖、填土方量⏹将计算的场地方格中挖、填方体积分别相加，即得全场地的总挖方量和总填方量：⏹（八）调整设计标高⏹按移挖做填、挖填平衡的原则所确定的场地设计标高h0，实质上仅为一理论值，并未考虑土的可松性（一般填土会有多余），以及场内有高筑或深挖的要求等，会使土方量增加或减少，一般均以调整设计标高解决。

由于土具有可松性，需相应的拉高设计标高。

工程实例：计算方格网零点及其零线零线即挖方区与填方区的交线，在该线上，施工高度为零。

零线的确定方法是：在相邻角点施工高度为一挖一填的方格边线上，用插入法求出（下图）方格边线上零点的位置，再将各相邻的零点连接起来即得零线。

⏹ 1.4 土方工程量事故的原因及其防治在基坑（基槽）施工过程中，可能会发生边坡塌方或流砂，将会影响工程的正常进行，延误工期，甚至造成人身事故，所以需要采取相应的防治措施。

边坡塌方：⑴边坡塌方的原因；⑵防治塌方的措施流砂：⑴产生流砂的成因；⑵流砂的防治措施⏹一、边坡塌方1、边坡塌方的原因⑴边坡塌方的主要原因⑵影响边坡稳定的因素⏹开挖太深，填筑过高，边坡太陡；⏹雨水、地下水渗入基坑（槽）；⏹边坡顶面临近坡缘大量荷载作用。

2、防治塌方的措施（1）注意防止边坡内浸水，避免顶缘附近有附加荷载。

（２）选择合宜的边坡坡度。

⏹（3）加设支撑护壁。

⏹支护结构包括挡墙和支撑（或拉锚）两部分。

⏹挡墙或支撑中任何一部分的选型不当或产生破坏（包括变形过大），都会导致整个支护结构的失败。

⏹支护结构的型式⏹放坡开挖⏹悬臂式支护结构⏹内撑式支护结构⏹拉锚式支护结构⏹土钉墙支护结构⏹环梁护壁支护结构⏹其它形式支护结构⏹1）横撑式支撑⏹2）锚桩式支撑⏹3）板桩支撑⏹4）排桩式支护⏹5）土层锚杆支护⏹6）土钉支护⏹土钉施工⏹盾构施工⏹ 1.3 基坑降水在基坑开挖过程中，当基底低于地下水位时，由于土的含水层被切断，地下水会不断地渗入坑内。

雨期施工时，地面水也会不断流入坑内。

如果不采取降水措施，把流入基坑内的水及时排走或把地下水位降低，不仅会使施工条件恶化，而且地基土被水泡软后，容易造成边坡塌方并使地基的承载力下降。

另外，当基坑下遇有承压含水层时，若不降水减压，则基底可能被冲溃破坏。

因此，为了保证工程质量和施工安全，在基坑开挖前或开挖过程中，必须采取措施，控制地下水位，使地基土在开挖及基础施工时保持干燥基坑降水的方法有集水坑降水和井点降水法。

⏹一、集水坑降水集水井降水法一般适用于降水深度较小且土层为粗粒土层或渗水量小的粘性土层。

当基坑开挖较深，又采用刚性土壁支护结构挡土并形成止水帷幕时，基坑内降水也多采用集水井降水法。

在井点降水仍有局部区域降水深度不足时，也可辅以集水井降水。

二、井点降水开挖土质不好且地下水位较高的深基坑（槽）时，应采用井点降水的方法，即在基坑开挖前，预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管（井），在基坑（槽）开挖前和开挖过程中，从管（井）内不间断抽水排出，使其四周地下水位下降而形成水位降落漏斗；漏斗的竖向外缘线称之为水位降落曲线。

当各管（井）所形成的水位降落曲线互相衔接时，大面积的水位即降落至基底以下（图11）。

这样，可使所挖的土始终保持干燥状态，从根本上防止了流砂的发生，改善了工作条件；同时土内水分排除后，边坡可改陡，减少了挖土量。

此外，由于水压力向下作用，可以加速地基土的团结，防止基底隆起，以利于很高工程质量。

井点降水方法按其系统的设置、吸水方法和原理的不同，可以分为轻型井点。

喷射井点、电渗井点、管井井点和深井井点等。

各种井点的适用范围，可根据土的渗透系数、降低水位的深度、工程特点及设备条件等。

⏹轻型井点设计轻型井点设计包括：⑴井点系统的平面布置⑵井点系统的高程布置⑶涌水量计算⑷确定井点管的数量根据基坑（槽）形状，轻型井点可采用单排布置、双排布置、环形布置，当土方施工机械需进出基坑时，也可采用U形布置。

⏹⑴井点系统的平面布置：当基坑（槽）宽度小于6m，且降水深度不超过5m时，一般可用单排井点，布置在地下水的上游一侧，其两端延伸长度一般不小于该坑（槽）的宽度为宜；如基坑宽度大于6m或土质不良，则宜采用双排井点。

当基坑面积较大时，宜采用环形井点。

为便于挖土机械和运土车辆出入基坑，环形井点也可以地下水的下游保留一段不设井管，而形成不封闭的布置。

井管与坑壁距离不宜小于1m，以防止坑壁产生泄漏而影响抽水系统的真空度。

井管间距应根据土质、降水深度，工程性质按计算或经验确定，一般为0.8~1.6m。

靠近河流处与总管四角部位，井管应适当加密。

⏹⑵井点系统的高程布置：⏹高程布置即是井点系统的竖向布置，取决于基坑的开挖深度，地下水位高度、降水深度等条件。

井管的埋设深度H（不包括滤管）可按下式计算；⏹⏹⑶涌水量计算⏹目前一般是运用以达西定律为基础的裘布依水井理论求其近似值，其中水井的类别不同，反映在计算公式中的参数有所差别。

水井根据地下有无压力分为无压井和承压进。

当水井布置在具有潜水自由面的含水层中时（即地下水面为自由水面），称为无压井；⏹当水井布置在承压含水层中时（含水层中的地下水充满在两层不透水层间，含水层中的地下水面具有一定水压），称为承压井。

另外，根据井底是否达到不透水层，可将水井分为完整井和非完整井，达到者为完整井，否则为非完整井。

在实际工程中，以无压非完整井为多见。

⏹1）无压完整井的单井涌水量：在无压完整井内抽水时，水位变化如图所示。

当抽水一定时间后，井周围水面最后降落成渐趋稳定的漏斗状曲面，称为降落漏斗。

水井中心至漏斗外缘的水平距离称为抽水影响半径R。

⏹根据达西定律，无压完整井涌水量Q（m3/d为Q=KIωω=2πxy⏹2）无压完整井的群井水量：实际井点系统是由许多单井组成的。

各井点同时抽水时，由于各个单井相互距离都小于两倍抽水影响半径，因而各个单井水位降落漏斗彼此干扰，其涌水量比单独抽水时要小，所以群井的总涌水量不等于各个单井涌水量之和。

⏹3）无压完整井的环形井点涌水量：设环形布置的群井范围内任意点o距各井中心距离为x1=x2=……=x n=x0，即各单井布置在等半径的圆周上，则可简化为：⏹4)无压非完整井环形井点涌水量其计算较为复杂，为了简化计算，仍可采用无压完整井的环形井点涌水量计算公式，只是式中的H应换成抽水影响深度H0（当井底距不透水层的距离很大时，抽水时扰动显然不能影响至下层），H0值系经验值，可查表选用。

当算得的H0大于实际含水层厚度Ｈ时，则仍取Ｈ值。

⏹ 1.4 土方的填筑与压实⏹影响填土压实因素填土压实质量与许多因素有关，其中主要影响因素为：压实功、土的含水量以及每层铺土厚度。