土石方工程与地基处理3土的工程性质及分类

第一章土石方工程与地基处理 （三）边坡土方量的计算为了保持土体的稳定和施工安全挖填方的边沿，都应作成一定坡度的边坡。边坡坡度应根据不同的填挖高度、土的物理性质和工程的重要性由设计规定。场地边坡的土方量，一般可根据近似的几何形体进行计算。图1-15为一场地边坡的平面示意图，按照其形体可先分为三角棱锥体（如体积①～③，⑤～⑾）和三角棱柱体（如体积④），再分别按下列公式计算体积。 1、三角棱锥体边坡体积如图中①，其体积为：式中：l1——边坡①的长度；F1——边坡①的端面积，即：h2——角点的挖土高度；m——边坡的坡度系数。 2、三角棱柱体边坡体积如图中的④，其体积计算为：式中：l4——边坡④的长度；F1、F2、F0——边坡④两端及中部的横断面面积，算法同上（图1-15剖面系近似表示。实际上，地表面不完全是水平的）。 土方量经计算汇总求得全部挖方量和全部填方量后，尚需考虑土壤的松散率、压缩率、沉降量等因素对土方量的影响（查手册资料）并进行调整。按照调整后的土方量，即可着手土方的综合平衡调配。 六、土方的平衡调配土方的平衡调配，是对挖土、填土、堆弃或移运之间的关系是行综合协调，以确定土方的调配数量及调配方向。目的：是使土方运输量或土方运输成本最低。工作内容包括：划分土方调配区，计算土方的平均运距和单位土方的运价，编制土方调配图表，确定土方的最优调配方案。进行土方平衡调配，必须根据工程和现场情况、有关技术资料、进度要求、土方施工方法及分期分批施工工程的土方堆放和调运方案等，经综合考虑并确定平衡调配原则后，再着手进行。 （一）土方平衡调配的原则（1）应力求达到挖、填平衡和运距最短；(2)调配区的划分应该与建筑物和构筑物的平面位置相协调，并考虑它们的分期施工顺序，对有地下设施的填土，应留土后填；（3）好土要用在回填质量要求较高的地区；（4）分区调配应与全场调配相协调，避免只顾局部平衡，任意挖填而妨害全局平衡；（5）取土或弃土应尽量少占或不占农田及便利机械施工等。 （二）土方平衡调配图表的编制场地土方平衡调配需作相应的土方调配图表，编制方法如下：1、划分调配区。在场地平面图上先划出挖填区的分界线，按照土方量计算用的方格网，在挖方区和填方区分别划出若干个调配区。通常每个调配区的大小可由若干个方格组成，以满足土方机械的操作要求。如场地范围内土方不平衡时，可考虑就近借土或弃土，此时每个借土区或弃土区可作为独立的调配区。调配区划定后，计算其土方量并标明在图上。 2、计算各挖、填方调配区之间的平均运距。平均运距是指挖方区土方重心至填方区土方重心的距离。 求调配区重心的方法是，取场地方格网中的纵横两边为坐标轴，以一个角作为坐标原点，按下式求得各调配区土方的重心位置：式中X、Y——挖方调配区或填方调配区的重心坐标；v——每个方格的土方量；x、y——每个方格的重心坐标。 为了简化x、y的计算，可假定每个方格上的土方是各自均匀分布的，从而用图解法求出形心位置以代替重心位置。重心求出后，标于相应的调配区图上，然后用比例尺量出每对调配区之间的平均运距。 3、绘出土方调配图。根据以上计算，在图上标出调配方向、土方数量及平均距离。图1-16是土方调配的两个示意图。图上注明了挖填调配区、调配流向、土方数量及平均运距。图1-16（a）表洋总挖方与总填方平衡的土方调配方案；图1-16（b）表示有弃土和借土的调配图。图中Wi为挖方区编号，Ti为填方区编号。 4、列出土方量平衡表。土方调配计算结果需列入土方量平衡表。表1-11是图1-16（a）所示调配方案的土方量平衡表。在规划大规模场地平整的土方调配工作时，可以运用线性规划中的运输问题，采用表上作业法求解，使总土方运输量最小为目标函数，求得土方调配的最优方案。 土方量平衡表1-11注：表中土方数量栏右上角小方格内的数字系平均运距（有时可为土方的单位运价）。挖方区编号挖方数量（m3）填方区编号、填方数量（m3）T1T2T3合计8006005001900W15004005010070W250050040W35004006010070W440040040合计1900 七、场地平整施工方法场地平整的施工过程包括：土方的开挖、运输、填筑与压实等，当遇有坚硬土层、岩石或障碍物时，还常需爆破。场地平整的施工方法，小面积时采用人工；在大面积平整时，通常采用机械施工。常用的机械有推土机、铲运机和单斗挖土机。 （一）推土机施工1、开挖土的类别：推土机操作灵活，运行方便，所需工作面较小，适于开挖一~三类土。2、使用条件：可开挖深度1.5m内的基坑（槽）及回填基坑（槽）和管沟土方，以及配合挖土机从事平整与集中土方；清理石块或树木等障碍物及修筑道路等。3、经济运距：为100m以内，运距为60m时效率最高，推土机用于平整场地，既可挖土也可作短距离运土，移挖作填； 4、推土机的生产率：（1）推土机小时的生产率Ph为：（m3/h）式中T——从推土到将土送至填土地点的循环延续时间（s）；q——推土机每次的推土量（m3）Kp——土的最初可松性系数（土壤松散体积与原自然体积之比值）。（2）推土机台班生产率Pd为：（m3/台班）式中KB——时间利用系数，一般在0.72~0.75之间。 5、推土方式：（1）下坡推土。推土机顺下坡方向切土及推运，借助机械自身的重力作用以增加推土能力，但坡度不宜超过15º，以免后退时爬坡困难。 （2）并列推土。采用2~3台推土机并列作业（图1-17），铲刀相距15~30cm。一般采用两机并列推土，能提高生产率15%~30%。平均运距不宜超过50~75m，亦不宜小于20m。一般用于大面积场地平整。 （3）槽形推土。在挖土层较厚、推土运距较远时，采用槽形推土（图1-18），能减少土壤散失，可增加10%~30%推土量。槽的深度约1m左右为宜，两槽间的土埂宽度约50cm。 （4）分批集中、一次推送。当推土运距较远而土质比较坚硬时，因推土机的切土深度不大，可采用多次铲土，分批集中，一次推送（图1-19）。以便在铲刀前保持满载，有效地利用推土机的功率，缩短运输时间。 （5）铲刀加置侧板。当推运疏松土壤而运距较远时，在铲刀两边装上侧板，以增加铲刀前的土体，减少土壤向两侧漏失。 （二）铲运机施工1、铲运机分类：有拖式铲运机和自行式铲运机两种。拖式铲运机是由拖拉机牵扯引，工作靠拖拉机油泵或卷扬机进行操纵。自行式铲运机的行驶和工作，均靠自身的动力设备进行操纵。 2、使用条件：铲运机操纵灵活，运转方便，对行驶道路要求较低，能综合完成铲土、运土、卸土、填筑、压实等多项工作。其斗容量一般为2.5~9m3,切土深度15~30cm，铺土厚度为23~40cm。适合于开挖一~三类土。3、经济运距：适用运距为600~1500m，效率最高的铲运距离为200~350m。常用于地形起伏不大，坡度在20º以内的大面积场地平整，开挖大型基坑、沟槽，以及填筑路基、堤坝等工程。不适于砾石层和冻土地带、以及土壤含水量超过27%和沼泽区工作。 铲运机工作的示意图，如图1-20所示 4、铲运机生产率的计算（1）铲运机小时生产率Ph为：（m3/h）（1-39）式中T——从挖土开始至卸土完毕，循环延续的时间（s）；q——铲斗容量（m3）；Kc——铲斗装土的充盈系数（一般砂土为0.75，其它土为0.85~1.0，最高为1.3）Kp——土的最初可松性系数。 （2）铲运机台班产量Pd为：（m3/台班）（1-40）式中KB——时间利用系数（一般为0.65~0.75） 影响铲运机作业效率的因素有运土坡度、填筑高度及运行路线距离等。一般上坡运土坡度在5%~15%时，增加的台班系数为1.05~1.14；填筑路基填土高度5m以上时，降低台班产量系数为0.95；铲运机运行路线距离愈长则生产率愈低。 5、铲运机的施工方法（1）铲运机的开行路线铲运机的开行路线，对提高生产效率影响很大，应根据填、挖方区的分布情况并结合现场具体条件合理选择。一般可有以下几种形式： 1）环形路线。对于地形起伏不大，施工地段在100m以内和填土高度1.5m以内的路堤、基坑及场地平整施工常采用的开行路线（图1-21（a））。当填、挖交替，且相互之间距离不大时，则可采用图1-21(b)所示的大环形路线。每一个循环能完成多次铲土和卸土，减少了铲运机的转变次数，相应提高了工作效率。 采用环形路线时，铲运机应每隔一定时间按顺、反时针的方向交换行驶，避免长时间沿一侧转变导致机件单侧磨损。 2）“8”字形开行路线。这种开行路线的铲土与卸土，轮流在两个工作面上进行（图1-22），铲运机在上下坡时是斜向行驶，受地形坡度限制小。一个循环能完成两次铲土和卸土，减少了转弯次数及空车行驶距离，比环形路线缩短运行时间。同时，一个循环两次转弯方向不同，机械磨损较为均匀。这种开行路线主要适用于坡度较大的场地平整和取土坑较长的路基填筑作业。 3）锯齿形路线。这是“8”字形路线的发展。适合于工作地段很长，如堤坝、路基填筑，采用这种开行路线最为有效。 （2）提高铲运机生产率的措施为了提高铲运机的生产率，除应合理规划开行路线外，还必须充分利用和发挥拖拉机的牵扯引能力，通常要根据不同施工条件，采用下列方法。 1）下坡铲土。利用机械重力作用所产生的附加牵扯引力加大切土深度，坡度一般为3º～9º，最大不得超过20º，铲土厚度以20cm左右为宜，其效率可提高25%左右。当在平坦地形铲土时，可将取土地段的一端先铲低，并保持一定坡度向后延伸，逐步创造一个下坡铲土的地形。2）跨铲法。在较坚硬土层铲土时，采用预留土埂间隔铲土法（图1-24），可使铲运机在挖土埂时增加两个自由面，阻力减小，铲土快，易于充满铲斗。比一般方法约提高效率10%。 3）交错铲土法。在铲较坚硬土层时，为了减少铲土阻力，可采用此法（图1-25）。由于铲土阻力的大小与铲土宽度成正比，交错铲土法就是随铲土阻力的增加而适当减小铲土宽度。4）助铲法。在坚硬土层中，采用另配推土机助铲（图1-26），以缩短铲土时间。一般每台推土机配3~4台铲运机。 （三）挖土机施工1、使用条件：挖土机适用于开挖场地为一～四类、含水量不大于27%的丘陵地带土壤及经爆破后的岩石和冻土。多使用在挖土高度一般在3m以上（使每次挖土可装满铲斗），并在卸土区配备推土机平整土堆。2、挖土机的施工方法及设备选择。 四、填土与压实1、目的：为了保证填土的强度和稳定性，填土前应对填土区基底的垃圾和软弱土层进行清理压实；在水田、池塘及沟渠上填土时，先需排水疏干，对基底进行处理。还必须正确选择土料及填筑、压实方法 2、回填土料选择与填筑作为回填用的土料，应符合如下规定：含水量大的粘土不宜作填土用；碎石类土、砂土和爆破石渣等，可用于表层以下的填料；对碎块草皮和有机质含量大于8%的土，仅用于无压实要求的填方区。填土应分层进行，每层厚度，应根据土的种类及选用的压实机具确定。对于有密实度要求的填方，应按选用的土料、压实机具性能，经试验确定含水量控制范围、分层铺土厚度、压实遍数等。对于无密实度要求的填土区，可直接填筑，经一般碾压即可。但应预留一定的沉陷量。 同一填方工程应尽量采用同类土填筑；如采用不同土料时，应按土类分层铺填，并应将透水性较大的土层置于透水性较小的土层之下。当填土区位于倾斜的地面时，应先将斜坡挖成阶梯状，然后分层填土，防止填土滑坡应按设计规定或查阅有关资料选用。对使用时间较长的临时性填方边坡坡度，当填土高度在10m以内，可采用1:1.5，高度超过10m,可作成折线形，上部为1:1.5，下部采用1:1.75。 3、填土压实方法填土压实一般有：碾压、夯实、振动压实及利用运土工具压实等方法。碾压机械一般有平碾压路机和羊足碾两种。压路碾按重量有轻型（小于5t）、中型（5~10t）和重型（大于10t）三种。平碾对砂类土和粘性土均可压实，羊足碾适宜压实粘性土。 碾压法：主要用于大面积的填土，如场地平整、大型车间地坪填土等。碾压方向廉洁奉公人填土两侧逐渐压向中心。机械开行速度，一般平碾为2km/h；羊足碾3km/h。速度不宜过快，以免影响压实效果。填方施工应从场地最低处开始，水平分层整片回填碾压。上下层错缝应大于1m。 碾压法主要用于大面积的填土，如场地平整、大型车间地坪填土等。碾压方向应从填土两侧逐渐压向中心。机械开行速度，一般平碾为2km/h；羊足碾3km/h。速度不宜过快，以免影响压实效果。填方施工应从场地最低处开始，水平分层整片回填碾压。上下层错缝应大于1m。 夯实法：通常用于基坑（槽）、沟的回填压实。利用运土工具压实法：对于密实度要求不高的大面积填方，可采用铲运机、推土机结合行驶、推（运）土方和平土进行压实。在最佳含水量的条件下，每层铺土厚度为20~30cm时，压4~5遍也能接近最佳密实度要求。但采用此法应合理组织好开行路线，能大体均匀地分布在填土的全部面积上。 在进行大规模场地平整时，可根据现场具体情况和地形条件、工程量大小、工期等要求，合理组织综合机械化施工。如采用铲运机、挖土机及推土机开挖土方；用松土机松土、装载机装土、自卸汽车运土；用推土机平整土壤；用碾压机械进行压实，如图1-27所示。 第三节沟槽、基坑开挖一、沟槽与基坑断面形式1、形式：在施工中常采用的沟槽断面形式有直槽、梯形槽、混合槽等。当有两条或多条管道共同埋设时，还需采用联合槽 2、使用条件：选择沟槽断面通常要根据：土的种类、地下水情况、现场条件及施工方法，并按照设计规定的基础、管道的断面尺寸、长度和埋置深度等进行。正确选定沟槽的开挖断面，可以为后续施工过程创造良好条件，保证工程质量和施工安全，以及减少开挖土方量。 沟槽底宽由下式决定：W=B+2b式中B——管道基础宽（m）b——工作宽度(m)工作宽度根据管径大小确定，一般不大于0.8m。沟槽开挖深度按管道设计纵断面图确定。当采用梯形槽时，其边坡的选定，应按土的类别并符合表1-12的规定。不设支撑的直槽边坡一般采用1:0.05。 沟槽断面选定后，当须满足后续施工过程的要求时，可将沟槽断面进行调整，再根据地面平坦程度和计算精度的要求，选择两相邻断面的间距。对于排水管道的距离，能常以两相邻检查井所处沟槽断面为计算长度。 梯形槽的边坡表1-12土的类别密实度或状态坡度允许值（高宽比）深度在5m以内深度5~10m碎石土密实中密稍密1:0.35~1:0.501:0.50~1:0.751:0.75~1:1.001:0.50~1:0.751:0.75~1:1.001:1.00~1:1.25粉土Sr≤0.51:1.00~1:1.251:1.25~1:1.50粘性土坚硬硬塑1:0.75~1:1.001:1.00~1:1.251:1.00~1:1.251:1.25~1:1.50 二、沟槽与基坑土方量计算（注意松散系数、充盈系数）根据选定的断面及两相邻断面间距离，按其几何体积计算出区段间沟槽土方量，将各区段计算结果汇总，求得沟槽开挖的总土方量。基坑土方量同样可按其几何体积计算，计算时其断面底宽，每侧工作宽度为1~2m。计算方法可参照前节所述。 三、土方开挖的机械施工沟槽、基坑土方的开挖，除工程量不大而又分散时可采用人工或小型机械施工外，应争取机械化施工，以减轻繁重的体力劳动并加快施工速度。沟槽与基坑机械开挖，应依施工具体条件，选择单斗挖土机和多斗挖土机。 （一）单斗挖土机施工单斗挖土机是给排水工程中常用的一种机械，根据其工作装置不同，可分为正铲、反铲、拉铲和抓铲等 1、正铲挖土机 正铲挖土机的工作特点：开挖停机面以上的土壤，其挖掘力大，生产率高。适用于无地下水，开挖高度在2m以上，一~四类土的基坑，但需设置下坡道。正铲挖土机传动方式：有液压传动和机械传动两种。机身可回转360º，动臂可升降，斗柄能伸缩，铲斗可以转动，当正换工作装置后还可进行其它施工作业。图1-31为正铲挖土机的简图及其主要工作状态。表1-13和表1-14为正铲的主要技术性能。 机械传动正铲挖土机的主要技术性能表1-13技术参数符号单位W-501W-1001土斗容量qm30.51.0铲臂倾角最大挖土高度最大挖土深度最大挖土半径最大卸土高度最大卸土高度时卸土半径最大卸土半径最大卸土半径时卸土高度xHhRH1R1R2H2度mmmmmmm45º6.51.57.84.56.57.12.760º7.91.17.25.65.46.53.045º8.02.09.85.58.08.73.360º9.01.59.06.87.08.03.7 正铲液压挖土机的主要技术性能表1-14技术参数符号单位W2-200W4-60铲斗容量最大挖土半径最大挖土高度最大挖土深度最大卸土高度qRHhH1m3mmmm2.011.111.02.457.00.66.75.83.83.4 正向铲的挖土和卸土方式，根据挖土机的开挖路线与运输工具的相对位置不同，可分为正向挖土、侧向卸土和正向挖土、后方卸土两种 其中侧向卸土，动臂回转角度小，运输工具行驶方便，生产率高，采用较广。当沟槽、基坑宽度较小，而深度较大时，才采用后方卸土方式。正铲挖土机的开行通道：根据挖土机的工作面大小与基坑的横断面尺寸，划分挖土机的开行通道 图1-33为某基坑划分三条开行通道进行挖土的情况。第一次开行，采用正面挖土后方卸土；第二、三次开行则为正面挖土侧向卸土 当开挖基坑较深时，可分层划分开行通道，逐层下挖，如图1-34所示