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第1章 土 方 工 程

本章學習要求

掌握土方量計算的方法、場地設計標高確定的方法和用表上作業法進行土方調配。

能了解識別基槽、深淺基坑的各種支護方法并了解其適用范圍和基坑監測項目。

理解流沙產生的原因，并了解其防治方法；掌握輕型井點設計并了解噴射井點、電滲井點和深井井點的適用范圍。

掌握基坑土方開挖的一般原則、方法和注意事項，了解常用土方機械的性能及適用范圍并能正確合理地選用。

掌握填土壓實的方法和影響填土壓實質量的因素。

掌握土方工程質量標準與安全技術要求。

1.1 概 述

1.1.1 土方工程的施工特點

常見的土方工程包括以下內容。

(1) 場地平整。其中包括確定場地設計標高，計算挖、填土方量，合理地進行土方調配等。

(2) 土方的開挖、填筑和運輸等主要施工，以及排水、降水和土壁邊坡和支護結構等。

(3) 土方回填與壓實。包括土料選擇、填土壓實的方法及密實度檢驗等土方工程施工，要求標高、斷面合理、土體有足夠的強度和穩定性、土方量少、工期短、費用省。土方工程具有工程量大、施工工期長、勞動強度大的特點，如在大型建設項目的場地平整和深基坑開挖中，施工面積可達數平方公里，土方工程量可達數百萬立方米以上。

土方工程的另一個特點是施工條件復雜又多為露天作業，受氣候、水文、地質和鄰近建(構)筑物等條件的影響較大，且天然或人工填筑形成的土石成分復雜，難以確定的因素較多，因此在組織土方工程施工前，必須做好施工前的準備工作，完成場地清理，仔細研究勘察設計文件并進行現場勘察；制定嚴密合理和經濟的施工組織設計，作好施工方案，選擇好施工方法和機械設備，盡可能采用先進的施工工藝和施工組織，實現土方工程施工綜合機械化；制訂合理的土方調配方案、保障工程質量的技術措施和安全文明施工措施，對質量通病作好預防措施等。

1.1.2 土的工程分類與現場鑒別方法

土的種類繁多，其分類方法各異。在土方工程施工中，按土的開挖難易程度將其分為8類，見表1.1。表中一～四類為土，五～八類為巖石，在選擇施工挖土機械和套建筑安裝工程勞動定額時要依據土的工程類別。

表 1.1 土的工程分類

土的分類

土的級別

土的名稱

密度/(kg/m3)

開挖方法及工具

一類土

(松軟土)

Ⅰ

砂土；粉土；沖積砂土層；疏松的種植土；淤泥(泥炭)

600～1500

用鍬、鋤頭挖掘，

少許用腳蹬

二類土

(普通土)

Ⅱ

粉質粘土；潮濕的黃土；夾有碎石、卵石的砂；粉土混卵(碎)石；種植土；填土

1100～1600

用鍬、鋤頭挖掘，

少許用鎬翻松

三類土

(堅土)

Ⅲ

軟及中等密實粘土；重粉質粘土；礫石土；干黃土、含有碎石卵石的黃土；粉質粘土；壓實的填土

1750～1900

主要用鎬，少許用鍬、鋤頭挖掘，部分用撬棍

續表

土的分類

土的級別

土的名稱

密度/(kg/m3)

開挖方法及工具

四類土

(砂礫堅土)

Ⅳ

堅硬密實的黏性土或黃土；含碎石、卵石的中等密實的黏性土或黃土；粗卵石；天然級配砂石；軟泥灰巖

1900

先用鎬、撬棍，后用鍬挖掘，部分用楔子及大錘

五類土

(軟石)

Ⅴ

硬質粘土；中密的頁巖、泥灰巖、白堊土；膠結不緊的礫巖；軟石灰巖及貝殼石灰巖

1100～2700

用鎬或撬棍、大錘挖掘，部分使用爆破方法

六類土

(次堅石)

Ⅵ

泥巖；砂巖；礫巖；堅實的頁巖、泥灰巖；密實的石灰巖；風化花崗巖；片麻巖及正長巖

2200～2900

用爆破方法開挖，部分用風鎬

七類土

(堅石)

Ⅶ

大理巖；輝綠巖；玢巖；粗、中粒花崗巖；堅實的白云巖、砂巖、礫巖、片麻巖、石灰巖；微風化安山巖；玄武巖

2500～3100

用爆破方法開挖

八類土

(特堅土)

Ⅷ

安山巖；玄武巖；花崗片麻巖；堅實的細粒花崗巖、閃長巖、石英巖、輝長巖、角閃巖、玢巖、輝綠巖

2700～3300

用爆破方法開挖

《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2011)根據巖土的主要特征，按工程性能近似的原則，把作為建筑地基的巖土分為巖石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土六類。

(1) 巖石。顆粒間牢固聯結，呈整體或具有文理裂隙的巖體。

(2) 碎石土。粒徑大于2mm的顆粒含量超過全重50%的土。

(3) 砂土。粒徑大于2mm的顆粒含量不超過全重50%、粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土。

(4) 粉土。塑性指數IP≤10且粒徑大于0.075mm的顆粒含量不超過全重50%的土，其性質介于砂土及黏性土之間。

(5) 黏性土。塑性指數IP>10的土。按其塑性指數可分為粘土( IP>17 )和粉質粘土(10

1.1.3 土的基本性質

1.土的天然含水量

土的含水量是指土中水的質量與固體顆粒質量之比的百分率，即

(1-1)

式中：--土中水的質量；

--土中固體顆粒的質量。

2.土的天然密度和干密度

土在天然狀態下單位體積的質量，稱為土的天然密度。土的天然密度用表示：

(1-2)

式中：--土的總質量；

--土的天然體積。

單位體積中土的固體顆粒的質量稱為土的干密度，土的干密度用表示：

(1-3)

式中：--土中固體顆粒的質量；

--土的天然體積。

土的干密度越大，表示土越密實。工程上常把土的干密度作為評定土體密實程度的標準，以控制填土工程的壓實質量。土的干密度與土的天然密度之間有如下關系：

即 (1-4)

3.土的可松性

土具有可松性，即自然狀態下的土經開挖后，其體積因松散而增大，以后雖經回填壓實，仍不能恢復其原來的體積。土的可松性程度用可松性系數表示，即

(1-5)

(1-6)

式中：--土的最初可松性系數；

--土的可松性系數；

--土在天然狀態下的體積，m3；

--土挖出后在松散狀態下的體積，m3；

--土經回填壓(夯)實后的體積，m3。

土的可松性對確定場地設計標高、土方量的平衡調配、計算運土機具的數量和棄土坑的容積，以及計算填方所需的挖方體積等均有很大影響。各類土的可松性系數見表1.2。

表1.2 各種土的可松性參考值

土的類別

體積增加百分數

可松性系數

最 初

最 后

一類土(種植土除外)

8～17

1～2.5

1.08～1.17

1.01～1.03

續表

土的類別

體積增加百分數

可松性系數

最 初

最 后

一類土(植物性土、泥炭)

20～30

3～4

1.20～1.30

1.03～1.04

二類土

14～28

2.5～5

1.14～1.28

1.02～1.05

三類土

24～30

4～7

1.24～1.30

1.04～1.07

四類土(泥灰巖、蛋白石除外)

26～32

6～9

1.26～1.32

1.06～1.09

四類土(泥灰巖、蛋白石)

33～37

11～15

1.33～1.37

1.11～1.15

五至七類土

30～45

10～20

1.30～1.45

1.10～1.20

八類土

45～50

20～30

1.45～1.50

1.20～1.30

4.土的滲透性

土的滲透性是指水流通過土中孔隙的難易程度，水在單位時間內穿透土層的能力稱為滲透系數，用K表示，單位為m/d。地下水在土中的滲透速度一般可按達西定律計算，其公式如下：

(1-7)

式中：--水在土中的滲透速度，m/d；

--水力坡度，，即A、B兩點水頭差與其水平距離之比；

K--土的滲透系數，m/d。

從達西公式可以看出滲透系數的物理意義：當水力坡度等于1時的滲透速度即為滲透系數K，單位同樣為m/d。K值的大小反映土體透水性的強弱，影響施工降水與排水的速度。土的滲透系數可以通過室內滲透試驗或現場抽水試驗測定，一般土的滲透系數見表1.3。

表1.3 土的滲透系數K參考值

土的名稱

滲透系數K/(m/d)

土的種類

滲透系數K/(m/d)

粘土

<0.005

中砂

5.0～25.0

粉質粘土

0.005～0.1

均質中砂

35～50

粉土

0.1～0.5

粗砂

20～50

黃土

0.25～0.5

圓礫

50～100

粉砂

0.5～5.0

卵石

100～500

細砂

1.0～10.0

無填充物卵石

500～1000

1.2 土方與土方調配量計算

1.2.1 基坑、基槽土方量計算

1.土方邊坡

在開挖基坑、溝槽或填筑路堤時，為了防止土體塌方，保障施工安全及邊坡穩定，其邊沿應考慮放坡。土方邊坡的坡度以其高度與底寬之比如表示，圖1.1所示，即

土方邊坡坡度=1∶m

式中：，稱為坡度系數。其意義為：當邊坡高度已知為時，其邊坡寬度則等于。

圖1.1 土方邊坡量的計算

2.基坑、基槽土方量計算

基坑土方量可按立體幾何中的擬柱體(由兩個平行的平面作底的一種多面體)體積公式計算，如圖1.2所示，即

(1-8)

式中：--基坑深度，m；

--基坑上、下的底面積，m2；

--基坑中間位置的截面面積，m2。

基槽和路堤的土方量可以沿長度方向分段后，再用同樣方法計算(見圖1.3)，即

式中：--及時段的土方量，m3；

--及時段的長度，m。

將各段土方量相加即得總土方量

式中：，，...，--各分段的土方量，。

圖1.2 基坑土方量計算 圖1.3 基槽土方量計算

1.2.2 場地平整土方量計算

1.場地設計標高的確定

對于較大面積的場地平整，合理地確定場地的設計標高，對減少土方量和加速工程進度具有重要的經濟意義。一般來說應考慮以下因素。

(1) 滿足生產工藝和運輸的要求。

(2) 盡量利用地形，分區或分臺階布置，分別確定不同的設計標高。

(3) 場地內挖填方平衡，土方運輸量最少。

(4) 要有一定的泄水坡度(≥2‰)，使其能滿足排水要求。

(5) 要考慮較高洪水位的影響。

場地設計標高一般應在設計文件中規定，若設計文件對場地設計標高沒有規定時，可按下述步驟來確定。

1) 初步計算場地設計標高

初步計算場地設計標高的原則是場地內挖填方平衡，即場地內挖方總量等于填方總量。計算場地設計標高時，首先將場地的地形圖按要求的精度劃分為10～40m的方格網，如圖1.4(a)所示；然后求出各方格角點的地面標高，地形平坦時，可根據地形圖上相鄰兩等高線的標高，用插入法求得；地形起伏較大或無地形圖時，可在地面用木樁打好方格網，然后用儀器直接測出。

圖1.4 場地設計標高H0計算示意

1-等高線；2-自然地面；3-場地設計標高平面

按照場地內土方在平整前及平整后相等，即挖填方平衡的原則(見圖1.4(b))，場地設計標高可按式(1-9)計算

(1-9)

式中：--所計算的場地設計標高，m；

--方格邊長，m；

--方格數；

、、、--任一方格的四個角點的標高，m。

從圖1.4(a)可以看出，系一個方格的角點標高，及系相鄰兩個方格的公共角點標高，系相鄰四個方格的公共角點標高。如果將所有方格的四個角點相加，則類似這樣的角點標高需加一次，類似、的角點標高需加兩次，類似的角點標高要加四次。如令：

--為一個方格僅有的角點標高；

--為二個方格共有的角點標高；

--為三個方格共有的角點標高；

--為四個方格共有的角點標高。

則場地設計標高的計算公式(1-9)可改寫為下列形式

(1-10)

2) 場地設計標高的調整

按上述公式計算的場地設計標高僅為一理論值，在實際運用中還需考慮以下因素進行調整。

(1) 土的可松性影響。由于土具有可松性，如按挖填平衡計算得到的場地設計標高進行挖填施工，填土多少會有富余，特別是當土的可松性系數較大時填土更不容忽視。如圖1.5所示，設為土的可松性引起設計標高的增加值，則設計標高調整后的總挖方體積應為

(1-11)

總填方體積應為

(1-12)

此時，填方區的標高也應與挖方區一樣提高，即

(1-13)

移項整理簡化得(當) &n