第1章 土 方 工 程

本章学习要求

掌握土方量计算的方法、场地设计标高确定的方法和用表上作业法进行土方调配。

能了解识别基槽、深浅基坑的各种支护方法并了解其适用范围和基坑监测项目。

理解流沙产生的原因，并了解其防治方法；掌握轻型井点设计并了解喷射井点、电渗井点和深井井点的适用范围。

掌握基坑土方开挖的一般原则、方法和注意事项，了解常用土方机械的性能及适用范围并能正确合理地选用。

掌握填土压实的方法和影响填土压实质量的因素。

掌握土方工程质量标准与安全技术要求。

1.1 概 述

1.1.1 土方工程的施工特点

常见的土方工程包括以下内容。

(1) 场地平整。其中包括确定场地设计标高，计算挖、填土方量，合理地进行土方调配等。

(2) 土方的开挖、填筑和运输等主要施工，以及排水、降水和土壁边坡和支护结构等。

(3) 土方回填与压实。包括土料选择、填土压实的方法及密实度检验等土方工程施工，要求标高、断面合理、土体有足够的强度和稳定性、土方量少、工期短、费用省。土方工程具有工程量大、施工工期长、劳动强度大的特点，如在大型建设项目的场地平整和深基坑开挖中，施工面积可达数平方公里，土方工程量可达数百万立方米以上。

土方工程的另一个特点是施工条件复杂又多为露天作业，受气候、水文、地质和邻近建(构)筑物等条件的影响较大，且天然或人工填筑形成的土石成分复杂，难以确定的因素较多，因此在组织土方工程施工前，必须做好施工前的准备工作，完成场地清理，仔细研究勘察设计文件并进行现场勘察；制定严密合理和经济的施工组织设计，作好施工方案，选择好施工方法和机械设备，尽可能采用先进的施工工艺和施工组织，实现土方工程施工综合机械化；制订合理的土方调配方案、保障工程质量的技术措施和安全文明施工措施，对质量通病作好预防措施等。

1.1.2 土的工程分类与现场鉴别方法

土的种类繁多，其分类方法各异。在土方工程施工中，按土的开挖难易程度将其分为8类，见表1.1。表中一～四类为土，五～八类为岩石，在选择施工挖土机械和套建筑安装工程劳动定额时要依据土的工程类别。

表 1.1 土的工程分类

土的分类

土的级别

土的名称

密度/(kg/m3)

开挖方法及工具

一类土

(松软土)

Ⅰ

砂土；粉土；冲积砂土层；疏松的种植土；淤泥(泥炭)

600～1500

用锹、锄头挖掘，

少许用脚蹬

二类土

(普通土)

Ⅱ

粉质粘土；潮湿的黄土；夹有碎石、卵石的砂；粉土混卵(碎)石；种植土；填土

1100～1600

用锹、锄头挖掘，

少许用镐翻松

三类土

(坚土)

Ⅲ

软及中等密实粘土；重粉质粘土；砾石土；干黄土、含有碎石卵石的黄土；粉质粘土；压实的填土

1750～1900

主要用镐，少许用锹、锄头挖掘，部分用撬棍

续表

土的分类

土的级别

土的名称

密度/(kg/m3)

开挖方法及工具

四类土

(砂砾坚土)

Ⅳ

坚硬密实的黏性土或黄土；含碎石、卵石的中等密实的黏性土或黄土；粗卵石；天然级配砂石；软泥灰岩

1900

先用镐、撬棍，后用锹挖掘，部分用楔子及大锤

五类土

(软石)

Ⅴ

硬质粘土；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

1100～2700

用镐或撬棍、大锤挖掘，部分使用爆破方法

六类土

(次坚石)

Ⅵ

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

2200～2900

用爆破方法开挖，部分用风镐

七类土

(坚石)

Ⅶ

大理岩；辉绿岩；玢岩；粗、中粒花岗岩；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

2500～3100

用爆破方法开挖

八类土

(特坚土)

Ⅷ

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、角闪岩、玢岩、辉绿岩

2700～3300

用爆破方法开挖

《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)根据岩土的主要特征，按工程性能近似的原则，把作为建筑地基的岩土分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土六类。

(1) 岩石。颗粒间牢固联结，呈整体或具有文理裂隙的岩体。

(2) 碎石土。粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土。

(3) 砂土。粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%、粒径大于0.075mm的颗粒含量超过全重50%的土。

(4) 粉土。塑性指数IP≤10且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土，其性质介于砂土及黏性土之间。

(5) 黏性土。塑性指数IP>10的土。按其塑性指数可分为粘土( IP>17 )和粉质粘土(10

1.1.3 土的基本性质

1.土的天然含水量

土的含水量是指土中水的质量与固体颗粒质量之比的百分率，即

(1-1)

式中：--土中水的质量；

--土中固体颗粒的质量。

2.土的天然密度和干密度

土在天然状态下单位体积的质量，称为土的天然密度。土的天然密度用表示：

(1-2)

式中：--土的总质量；

--土的天然体积。

单位体积中土的固体颗粒的质量称为土的干密度，土的干密度用表示：

(1-3)

式中：--土中固体颗粒的质量；

--土的天然体积。

土的干密度越大，表示土越密实。工程上常把土的干密度作为评定土体密实程度的标准，以控制填土工程的压实质量。土的干密度与土的天然密度之间有如下关系：

即 (1-4)

3.土的可松性

土具有可松性，即自然状态下的土经开挖后，其体积因松散而增大，以后虽经回填压实，仍不能恢复其原来的体积。土的可松性程度用可松性系数表示，即

(1-5)

(1-6)

式中：--土的最初可松性系数；

--土的可松性系数；

--土在天然状态下的体积，m3；

--土挖出后在松散状态下的体积，m3；

--土经回填压(夯)实后的体积，m3。

土的可松性对确定场地设计标高、土方量的平衡调配、计算运土机具的数量和弃土坑的容积，以及计算填方所需的挖方体积等均有很大影响。各类土的可松性系数见表1.2。

表1.2 各种土的可松性参考值

土的类别

体积增加百分数

可松性系数

最 初

最 后

一类土(种植土除外)

8～17

1～2.5

1.08～1.17

1.01～1.03

续表

土的类别

体积增加百分数

可松性系数

最 初

最 后

一类土(植物性土、泥炭)

20～30

3～4

1.20～1.30

1.03～1.04

二类土

14～28

2.5～5

1.14～1.28

1.02～1.05

三类土

24～30

4～7

1.24～1.30

1.04～1.07

四类土(泥灰岩、蛋白石除外)

26～32

6～9

1.26～1.32

1.06～1.09

四类土(泥灰岩、蛋白石)

33～37

11～15

1.33～1.37

1.11～1.15

五至七类土

30～45

10～20

1.30～1.45

1.10～1.20

八类土

45～50

20～30

1.45～1.50

1.20～1.30

4.土的渗透性

土的渗透性是指水流通过土中孔隙的难易程度，水在单位时间内穿透土层的能力称为渗透系数，用K表示，单位为m/d。地下水在土中的渗透速度一般可按达西定律计算，其公式如下：

(1-7)

式中：--水在土中的渗透速度，m/d；

--水力坡度，，即A、B两点水头差与其水平距离之比；

K--土的渗透系数，m/d。

从达西公式可以看出渗透系数的物理意义：当水力坡度等于1时的渗透速度即为渗透系数K，单位同样为m/d。K值的大小反映土体透水性的强弱，影响施工降水与排水的速度。土的渗透系数可以通过室内渗透试验或现场抽水试验测定，一般土的渗透系数见表1.3。

表1.3 土的渗透系数K参考值

土的名称

渗透系数K/(m/d)

土的种类

渗透系数K/(m/d)

粘土

<0.005

中砂

5.0～25.0

粉质粘土

0.005～0.1

均质中砂

35～50

粉土

0.1～0.5

粗砂

20～50

黄土

0.25～0.5

圆砾

50～100

粉砂

0.5～5.0

卵石

100～500

细砂

1.0～10.0

无填充物卵石

500～1000

1.2 土方与土方调配量计算

1.2.1 基坑、基槽土方量计算

1.土方边坡

在开挖基坑、沟槽或填筑路堤时，为了防止土体塌方，保障施工安全及边坡稳定，其边沿应考虑放坡。土方边坡的坡度以其高度与底宽之比如表示，图1.1所示，即

土方边坡坡度=1∶m

式中：，称为坡度系数。其意义为：当边坡高度已知为时，其边坡宽度则等于。

图1.1 土方边坡量的计算

2.基坑、基槽土方量计算

基坑土方量可按立体几何中的拟柱体(由两个平行的平面作底的一种多面体)体积公式计算，如图1.2所示，即

(1-8)

式中：--基坑深度，m；

--基坑上、下的底面积，m2；

--基坑中间位置的截面面积，m2。

基槽和路堤的土方量可以沿长度方向分段后，再用同样方法计算(见图1.3)，即

式中：--及时段的土方量，m3；

--及时段的长度，m。

将各段土方量相加即得总土方量

式中：，，...，--各分段的土方量，。

图1.2 基坑土方量计算 图1.3 基槽土方量计算

1.2.2 场地平整土方量计算

1.场地设计标高的确定

对于较大面积的场地平整，合理地确定场地的设计标高，对减少土方量和加速工程进度具有重要的经济意义。一般来说应考虑以下因素。

(1) 满足生产工艺和运输的要求。

(2) 尽量利用地形，分区或分台阶布置，分别确定不同的设计标高。

(3) 场地内挖填方平衡，土方运输量最少。

(4) 要有一定的泄水坡度(≥2‰)，使其能满足排水要求。

(5) 要考虑较高洪水位的影响。

场地设计标高一般应在设计文件中规定，若设计文件对场地设计标高没有规定时，可按下述步骤来确定。

1) 初步计算场地设计标高

初步计算场地设计标高的原则是场地内挖填方平衡，即场地内挖方总量等于填方总量。计算场地设计标高时，首先将场地的地形图按要求的精度划分为10～40m的方格网，如图1.4(a)所示；然后求出各方格角点的地面标高，地形平坦时，可根据地形图上相邻两等高线的标高，用插入法求得；地形起伏较大或无地形图时，可在地面用木桩打好方格网，然后用仪器直接测出。

图1.4 场地设计标高H0计算示意

1-等高线；2-自然地面；3-场地设计标高平面

按照场地内土方在平整前及平整后相等，即挖填方平衡的原则(见图1.4(b))，场地设计标高可按式(1-9)计算

(1-9)

式中：--所计算的场地设计标高，m；

--方格边长，m；

--方格数；

、、、--任一方格的四个角点的标高，m。

从图1.4(a)可以看出，系一个方格的角点标高，及系相邻两个方格的公共角点标高，系相邻四个方格的公共角点标高。如果将所有方格的四个角点相加，则类似这样的角点标高需加一次，类似、的角点标高需加两次，类似的角点标高要加四次。如令：

--为一个方格仅有的角点标高；

--为二个方格共有的角点标高；

--为三个方格共有的角点标高；

--为四个方格共有的角点标高。

则场地设计标高的计算公式(1-9)可改写为下列形式

(1-10)

2) 场地设计标高的调整

按上述公式计算的场地设计标高仅为一理论值，在实际运用中还需考虑以下因素进行调整。

(1) 土的可松性影响。由于土具有可松性，如按挖填平衡计算得到的场地设计标高进行挖填施工，填土多少会有富余，特别是当土的可松性系数较大时填土更不容忽视。如图1.5所示，设为土的可松性引起设计标高的增加值，则设计标高调整后的总挖方体积应为

(1-11)

总填方体积应为

(1-12)

此时，填方区的标高也应与挖方区一样提高，即

(1-13)

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