第1篇土木工程施工技术 第1章土方工程 【本章要点】 掌握： 土的工程性质，并能熟练应用土的可松性解决实际问题； 基坑（槽）土方量计算； 单斗挖土机的土方开挖方式； 土方边坡的稳定性分析； 土方压实方法和影响压实的因素。 熟悉： 土的含水率和土的渗透性及土方边坡的概念； 基坑降水方法和流砂产生的原因与防治方法； 人工降低地下水位方法的适用性； 基坑（槽）的验收内容和方法； 土料选择和填土压实的一般要求； 填土压实的质量要求。 了解： 土的工程分类； 轻型井点设计思路及管井井点降水的应用。 1.1概述 在建筑工程施工中，首先需进行土方工程施工。土方工程包括场地平整、基坑（槽）与管沟开挖、地下建筑工程开挖、基坑回填、地坪填土等。 土方工程施工的难易程度与土的类别和土的工程性质、工程量的大小、开挖深度和开挖方式，以及该地区的地质条件和地形情况有关。土方工程的特点是： 工程量大，施工范围广； 土的种类繁多； 施工受地区气候、地质、地貌的影响大，施工条件复杂等。因此，施工前必须做好周密的调查研究和试验研究工作，以便制定合理的施工方案。 1.1.1土的工程分类 在土方工程施工和工程预算定额中，根据土的开挖难易程度，将土分为八类（十六级），如表11所示。前四类为一般土，即： 一类土（Ⅰ级）为松软土，二类土（Ⅱ级）为普通土，三类土（Ⅲ级）为坚土，四类土（Ⅳ级）为砂砾坚土； 后四类为岩石，即： 五类土（Ⅴ、Ⅵ级）为软石，六类土（Ⅶ～Ⅸ级）为次坚石，七类土（Ⅹ～ⅩⅢ级）为坚石，八类土（ⅩⅣ～ⅩⅥ级）为特坚石。土的类别越高则越坚硬，越不易开挖，但土体结构越稳定，开挖后土体不易松散、坍塌。 表11土的工程分类与开挖方法和工具 土的 分类土的 级别土的名称 土的可松性系数 KpK′p开挖方法及工具 一类土 (松软土)Ⅰ砂土、粉土、冲积砂土、疏松的种植土、淤泥（泥炭）1.08～ 1.171.01～ 1.03用锹、锄头挖掘，少许用脚蹬 续表 土的 分类土的 级别土的名称 土的可松性系数 KpK′p开挖方法及工具 二类土 (普通土)Ⅱ粉质黏土、潮湿的黄土、夹有碎石/卵石的砂、粉土混卵（碎）石、种植土、填土1.20～ 1.301.03～ 1.04用锹、锄头挖掘，少许用镐翻松 三类土 (坚土)Ⅲ软及中等密实的黏土、重粉质黏土、砾石土、干黄土、含有碎石/卵石的黄土、粉质黏土、压实的填土1.14～ 1.281.02～ 1.05主要用镐，少许用锹、锄头挖掘，部分用撬棍 四类土 (砂砾坚土)Ⅳ坚硬密实的黏土或黄土、含有碎石卵石的中等密实黄土、粗卵石、天然级配砂石、软泥灰岩 1.26～ 1.32 (除泥灰岩、 蛋白石外)1.06～ 1.09 (除泥灰岩、 蛋白石外) 1.33～ 1.37 (泥灰岩、 蛋白石)1.11～ 1.15 (泥灰岩、 蛋白石)整个先用镐、撬棍，后用锹挖掘； 部分用楔子及大锤 五类土 (软石)Ⅴ、Ⅵ硬质黏土、中密的页岩、泥灰岩、白垩土、胶结不紧的砾岩、软石灰岩及贝壳石灰岩 六类土 (次坚石)Ⅶ～Ⅸ泥岩、砂岩、砾岩、坚实的页岩、泥灰岩、密实的石灰岩、风化花岗岩、片麻岩及正长岩 七类土 (坚石)Ⅹ～ⅩⅢ大理石、辉绿岩、玢岩、粗或中粒的花岗岩、坚实的白云岩、砂岩、砾岩、片麻岩、石灰岩、微风化安山岩、玄武岩1.30～ 1.451.10～ 1.20 用镐或撬棍、大锤挖掘，部分用爆破方法开挖 用爆破方法开挖，部分用风镐 用爆破方法开挖 八类土 (特坚石)ⅩⅣ～ ⅩⅥ安山岩、玄武岩、花岗片麻岩、坚实的细粒花岗岩、闪长岩、石英岩、辉长岩、辉绿岩、玢岩、角闪岩1.45～ 1.501.20～ 1.30用爆破方法开挖 1.1.2土的工程性质 土的工程性质决定了土方工程施工方法、土方机械的选择、基坑（槽）降水方法及土方工程费用等。土的主要工程性质如下。 1. 土的可松性 土的可松性是指天然状态下的土经挖掘以后，内部组织破坏，体积增大，以后虽经回填压实，仍不能恢复到原来的体积。土的可松性程度用可松性系数表示，即 土的最初可松性系数Kp=V2V1（11） 土的最终可松性系数K′p=V3V1（12） 式中，V1——土在天然状态下的体积，m3； V2——土经开挖后的松散体积，m3； V3——填方的土经压实后的体积，m3。 土的可松性是挖、填土方时，计算土方机械生产率、运土机具数量、回填土方量，进行场地平整规划竖向设计、土方平衡调配的重要参数。 2. 土的含水量 土的含水量是指土中水的质量与固体颗粒质量之比，以百分率表示，即 w=m1-m2m2×100%=mwms×100%(13) 式中，m1——含水状态时土的质量，kg； m2——烘干后土的质量，kg； mw——土中水的质量，kg； ms——土中固体颗粒质量，kg。 土的含水量随气候条件、季节和地下水位的不同而变化。它对基坑（槽）降水、土方边坡稳定及填土密实程度都有直接的影响。 3. 土的渗透性 土的渗透性是指土体被水透过的性质。当基坑（槽）开挖至地下水位以下时，地下水会在土中渗流，渗流中受到土颗粒的阻力，渗流速度与土的渗透性和渗流路程的长短有关。即 v=KI（14） 式中，v——水在土中的渗流速度，m/d或cm/d； K——比例系数，m/d或cm/d，称为土的渗透系数； I——水力坡度，I=h/L； h——水位差值，m； L——水的渗流路程，m。 土的渗透性与土的颗粒级配、密实程度等有关，一般由现场试验确定。它是选择基坑（槽）降、排水方法，确定分层填土时相邻两层结合面形式的重要参数。 4. 土方边坡 图11边坡坡度示意 土方边坡是指在某一状态下土体可以稳定的倾斜能力，一般用边坡坡度和边坡系数表示。边坡坡度为边坡高度h与边坡宽度b之比，如图11所示。工程中通常用1∶m表示边坡的大小，m称为边坡系数，即 边坡坡度=tanα=h/b=1b/h=1∶m（15） 1.2土方量计算 1.2.1基坑土方量计算 基坑土方量计算可近似采用拟柱体（由两个平行的平面做底的一种多面体）体积的计算公式（见图12），即 图12基坑土方量计算简图 V=H6(A1+4A0+A2)(16) 式中，H——基坑挖深，m； A1、A2——基坑上、下平面的面积，m2； A0——基坑中部截面的面积，m2。 1.2.2基槽、管沟土方量计算 基槽和管沟比基坑的长度大，宽度小。为了保证计算的精度，可沿长度方向分段计算土方量（见图13），即 图13基槽土方量计算简图 Vi=li6(Ai1+4Ai0+Ai2)（17） 式中，li——第i段的长度，m； Ai1、Ai2——第i段两端部的截面面积，m2； Ai0——第i段中部截面的面积，m2。 若沟槽两端部亦放坡，则第一段和最后一段按三面放坡计算。 将各段土方量相加，即得总土方量 V=∑ni=1Vi（18） 基坑（槽）或管沟开挖的底口尺寸除了考虑垫层尺寸外，还应考虑施工工作面和底部排水沟的宽度。施工工作面的宽度视基础形式确定，一般不大于0.8 m； 排水沟宽度视地下水的涌水量而定，一般不大于0.5 m。 1.3土方开挖 1.3.1土方施工前的准备工作 土方工程施工前，应做好以下各项准备工作。 （1） 场地清理： 包括拆除施工区域内的房屋、地下障碍物； 清除耕植土和河道淤泥等。 （2） 地面水排除： 场地内积水会影响施工，因此应排除地面水。地面水的排除一般采用排水沟、截水沟、挡水土坎等方法。临时性排水设施应尽可能与永久性排水设施相结合。 （3） 搭设临时设施： 搭建必需的临时建筑，如加工棚、工具库、材料库、办公和生活临时用房等。设置好临时供水、供电、供压缩空气（开挖石方时）管线，并试水、试电、试气。 （4） 修筑运输道路： 修筑场地内机械运行的道路（宜结合永久性道路修建），路面宜为双车道，其宽度不小于6m，路侧应设排水沟。 （5） 安排好设备运转： 对施工中需使用的土方机械、运输车辆及各种辅助设备进行维修检查、试运转，并运往现场。 （6） 编制土方工程施工组织设计： 主要是确定基坑（槽）的降水方案，确定挖、填土方的方法和边坡处理方法，选择及组织土方开挖机械，选择填方土料及回填方法。 1.3.2基坑（槽）降水 在地下水位较高的地区开挖基坑或沟槽时，开挖至地下水位后，土的含水层被切断，地下水会不断渗流入基坑中。雨季施工时，雨水也会落入基坑。为了保证施工的正常进行，防止出现流砂、边坡失稳和地基承载能力下降等现象，必须在基坑（槽）开挖前或开挖时做好降水、排水工作。基坑（槽）的降水方法有明排水法和人工降低地下水位法。 1. 流砂及其防治 1） 地下水简介 地下水即地面以下的水，可分为上层滞水（结合水）、潜水（重力水）和层间水（自由水）三种，如图14所示。 2） 地下水流网 水在土中稳定渗流时，水流情况不随时间而改变，土的孔隙比和饱和度也不变，流入任意单元的水量等于该单元流出的水量，以保持平衡。若用流网表示稳定渗流，则其流网由一组流线和一组等势线组成，如图15所示。 图14地下水 1—潜水； 2—无压层间水； 3—承压层间水； 4—不透水层； 5—上层滞水 图15流网示意图 如果根据降水方案绘出相应的流网，就可直观地考察水在土体中的渗流途径，更主要的是，流网可以用于计算基坑（槽）的渗流量（涌水量）及确定土体中各点的水头和水力梯度。 3） 动水压力和流砂 当基坑（槽）挖土达到地下水位以下，而土质是细砂和粉砂，又采用明排水时，基坑（槽）底的土会呈现流动状态而随地下水涌入基坑，这种现象称为流砂。此时土体完全失去承载能力，边挖土边冒砂，致使施工条件恶化，严重时会造成边坡塌方，甚至造成附近地下管线变形及建筑物、构筑物下沉、倾斜、倒塌等。因此，在施工前必须对工程地质和水文地质资料进行详细调查研究，采取有效措施防止流砂现象的产生。 （1） 动水压力 动水压力是指流动中的地下水对土颗粒产生的压力，其方向与水流方向一致。动水压力的性质可以通过图16的试验来说明。 图16动水压力原理 （a） 水在土中渗流的力学现象； (b) 动水压力对地基土的影响 1、2—单位土体 在图16（a）中，由于高水位的左端（水头h1）与低水位的右端（水头h2）之间存在水头差，因此水从左端向右端流动，对土体产生压力； 而土颗粒骨架对水的流动产生阻力。根据作用力和反作用力原理，得 γwh1F-γwh2F=-TFL 简化得 T=-h1-h2Lγw（19） 式中，h1-h2L——水头差与渗流路程长度之比，即为水力坡度，用I表示。 则式（19）可改写成 T=-Iγw(110) 由于单位土体阻力与水在土中渗流时对单位土体的压力GD大小相等，方向相反，所以有 GD=-T=Iγw(111) 式中，GD——动水压力，kN/m3。 由式（111）可以看出，动水压力GD与水力坡度成正比，其水位差值Δh=h1-h2越大，GD越大； 而渗流路程L越长，GD越小。 （2） 流砂产生的原因 水流在水位差的作用下，对单位土体（土颗粒）产生动水压力（见图16（b）），动水压力的方向与水流方向一致。对于图中单位土体1而言，水流方向向下，即动水压力向下，与重力方向一致，土体趋于稳定； 对单位土体2而言，水流方向向上，即动水压力向上，这时土颗粒不仅受到水的浮力作用，还受到向上的动水压力作用，有上举的趋势。当动水压力GD大于或等于土的浸水重度γ′，即 GD≥γ′(112) 时，则土颗粒失去自重，处于悬浮状态，并随渗流的水一起流入基坑，即发生流砂现象。 当地下水位越高，坑（槽）内外水位差越大时，动水压力越大，就越容易发生流砂现象。 实践表明，具有下列性质的土，在一定动水压力作用下，可能发生流砂现象： ①土颗粒的组成中，黏粒含量小于10%，粉粒的粒径为0.005~0.05 mm，含量大于75%； ②在土颗粒级配中，土的不均匀系数小于5； ③土的天然孔隙比大于43%； ④土的天然含水量大于30%。因此，流砂现象经常发生在细砂、粉砂及粉质砂土中。实践还表明，在可能发生流砂的土质中，若基坑挖深超过地下水位线0.5 m左右，就有可能发生流砂现象。 图17管涌现象 1—不透水层； 2—承压水层； 3—压力水位线； 4—承压水的顶托力 此外，当基坑（槽）底部位于不透水层内，而其下面为承压水层，基坑（槽）底不透水层的覆盖厚度所受的重力小于承压水的顶托力时，在基坑（槽）底部便可能发生管涌现象（见图17）。即发生管涌的条件为 Hγw＞hγ（113） 式中，H——压力水头，m； h——坑（槽）底部透水层厚度，m； γw——水的重度，kN/m3； γ——土的重度，kN/m3。 （3） 流砂的防治 防治流砂的主要途径有三个。一是减小或平衡动水压力，其方法有： ①在枯水期施工； ②打板桩； ③水下挖土法； ④筑地下连续墙或地下连续灌注桩； ⑤筑水泥土墙。二是改变动水压力的方向，设法使坑底的水压力方向向下，或是截断地下水流，一般采用人工降低地下水位的方法。三是改善土质，采用向土中注入水泥浆或硅化浆的方法加固土体，使其稳定。此外，在含有大量地下水的土层或沼泽地区施工时，还可以采用土壤冻结法、烧结法等。 当基坑出现局部或轻微流砂现象时，可采用抛入石块、装土（或砂）麻袋把流砂压住。若坑底冒砂太快，土体已失去承载力，则此法不可行，必须预先采取上述措施进行防治。 2. 明排水法 明排水法又称集水井法，属于重力降水。它是采用截、疏、抽的方法进行排水，即在基坑开挖过程中，沿基坑底部周边或中央开挖排水沟，并设置一定数量的集水井，使基坑内的水经排水沟流向集水井，然后用水泵抽走，如图18所示。 图18集水井降水示意 1—排水沟； 2—集水井； 3—水泵 施工中，应根据基坑（槽）底涌水量的大小、基础的形状和水泵的抽水能力，确定排水沟的截面尺寸和集水井的数量。排水沟和集水井应设在基础底边0.4 m以外，当坑（槽）底为砂质土时，排水沟边缘应离开坡脚不小于0.3 m，以免影响边坡的稳定。排水沟的宽度一般为0.3 m，深度为0.3～0.5 m，并向集水井方向保持0.3%左右的纵向坡度。集水井法降水深度一般在5 m以内，每间隔20～40 m设置一个，其直径或宽度为0.6～0.8 m，深度随挖土深度的增加而增加，且应低于挖土面0.7～1.0 m。集水井每积水达到一定深度后，应及时将水抽出坑外。基坑（槽）挖至设计标高后，集水井底应低于排水沟底0.5 m以上，并铺设碎石滤水层。为了防止井壁由于抽水时间较长而将泥砂抽出以及井底土被搅动而塌方，井壁可用竹、木、砖、水泥管等进行简单加固。 3. 人工降低地下水位 人工降低地下水位，就是在基坑开挖前预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管（井），利用抽水设备不断地抽出地下水，使地下水位降低到坑底标高以下，直至基础工程施工完毕为止。这样，可使挖土始终保持干燥状态，改善了施工条件。同时，还可使动水压力方向向下，从根本上防止流砂发生，并增加土中的有效应力，提高土的强度和密实度。 人工降低地下水位的方法有轻型井点、喷射井点、电渗井点及管井井点（大口井）等。施工时可根据土的渗透系数、需要降水的深度、工程特点、设备条件及经济性等具体情况选用（参照表12）。其中以轻型井点的理论最为完善。目前很多深基坑降水也常采用管井井点方法，其降水设计是以经验为主、理论计算为辅。本节重点介绍轻型井点的理论和管井井点降水的成功经验。 表12降水井类型及适用条件 降水井类型渗透系数/（ｍ/ｄ）降水深度/m土质类型水文地质特征 轻型井点0.1~20.0 喷射井点0.1~20.0 电渗井点<0.1 单级<6 多级<20 <20 按井点管确定 填土、粉土、黏土、砂土 黏性土含水量不大的潜水 管井井点1.0~200.0>5粉土、砂土、碎石土、软石、破碎带含水丰富的潜水、承压水、裂缝水 1） 轻型井点 轻型井点降低地下水位的方法如图19（a）所示。它是沿基坑周围以一定间距埋入井点管（下端为滤管）至蓄水层内，井点管上端通过弯连管与地面上水平铺设的集水总管相连接，利用真空原理，通过抽水设备将地下水从井点管内不断抽出，使原有地下水位降至坑底以下。 （1） 轻型井点设备 轻型井点设备主要包括井点管、滤管（其构造如图19（b）所示）、弯联管、集水总管、水泵房等。 图19轻型井点降水示意图及滤管构造图 （a） 轻型井点法降水示意图； （b） 滤管构造图 1—井点管； 2—滤管； 3—集水总管； 4—弯联管； 5—水泵房； 6—原有地下水位线； 7—降低后的地下水位线； 8—钢管； 9—管壁上小孔； 10—缠绕的铁丝； 11—细滤网； 12—粗滤网； 13—粗铁丝保护网； 14—铸铁头 （2） 轻型井点的布置 轻型井点平面布置应根据基坑大小和深度、土质、地下水位高低与流向、降水深度要求而定。井点布置是否恰当，对降水效果、施工速度影响很大。 ① 平面布置。当基坑（槽）宽度小于6 m，水位降低值不大于6 m时，可采用单排井点，布置在地下水的上游一侧（见图110）。如基坑面积较大（L/B≤5，降水深度S≤5 m，基坑宽度B小于2倍抽水影响半径R）时，宜采用环形井点（见图111）。当基坑面积过大或L/B>5时，可分段进行布置。无论哪种布置方案，井点管距基坑（槽）壁一般不小于0.7~1.0 m，以防漏气。井点管间距应根据土质、降水深度、工程性质等确定，一般为0.8~1.6 m。