土木工程施工：工程质量验收与安全施工技术

1.1.2.3　土的压缩性

土的压缩性用土的压实系数λc来表示，按下式计算:

式中:ρd——填土压实后土的干密度;

ρdmax——土的最大干密度，可由击实实验测定。

1.1.2.4　土的休止角

土的休止角是指自然状态下的土体可以稳定的坡度角。在基坑土方开挖放坡时，应该考虑土体的稳定坡角，使土体边坡稳定，不会发生边坡垮塌现象。应根据现场施工情况制定合理的土方开挖方案，在满足稳定要求的前提下，减少土方开挖量，降低工程费用。

1.2　场地平整

场地平整就是将原始自然地面整理成满足施工作业条件、整个场地地面排水要求等的场地平面，并要力求场地内土方挖填平衡且总的土方量最小。因此，必须针对场地具体情况进行科学合理的设计。

1.2.1　场地设计标高的确定

场地设计标高是进行场地平整和土方量计算的依据，在确定场地设计标高时，需考虑以下因素:①应满足建筑功能、生产工艺和运输的要求，同时需要考虑最高洪水水位的要求;②应充分利用原有地形，尽量使土方挖填方平衡，尽量减少总的土方工程量;③应有一定的泄水坡度(≥2‰)，使其能满足场地排水要求。

(1)初步确定场地设计标高

初步确定场地设计标高根据场地内土方挖填量平衡的原则来进行，即场地内土方的绝对体积在平整前后是相等的。确定方法和步骤如下:

1)划分方格网。在具有等高线的地形图上将施工区域划分为若干个方格，方格边长a根据地形选取，长度一般为10～40 m，场地平缓时取大值，反之取小值，通常取20 m左右，见图1.2。

图1.2　场地设计标高计算示意图

(a)地形图上划方格网;(b)设计标高示意图
1－等高线;2－自然地面;3－设计标高平面;4－零线

2)确定各方格的角点高程。有在地形图上进行计算和用测量仪器直接测量两种方法。可以根据地形图上相邻两等高线的高程，用线性插入法求出;在无地形图的情况下，可以在地面用木桩或钢钎打好方格网，然后用仪器直接测出各方格角点的标高。

3)根据土方挖填方平衡原则确定场地设计标高H0，即:

从图1.2(a)可知，H11系一个方格仅有的角点标高，H12和H21均系两个方格公共的角点标高，H22则是四个方格公共的角点标高，它们分别在上式中要加一次、二次、四次。因此，上式可改写成下列形式:

式中:H1——一个方格仅有的角点标高(m);

H2——两个方格共有的角点标高(m);

H3——三个方格共有的角点标高(m);

H4——四个方格共有的角点标高(m)。

(2)考虑泄水坡度，对标高进行调整

当按设计标高H0进行场地平整时，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，场地表面需要有一定的泄水坡度。因此，必须根据场地泄水坡度的要求，计算出场地内各方格网各角点实际施工所用的设计标高。

1)单向泄水时:

设计标高的确定方法是把设计标高H0作为场地中心线的标高，见图1.3，则场地内任意一点的设计标高为:

式中:L——场地任意一点至场地中心线(设计标高为H0)的距离;

i——场地泄水坡度(≥2‰)。

2)双向泄水时:

把设计标高H0作为场地中心点的标高，见图1.4，则场地内任意一点的设计标高为:

图1.3　场地具有单向泄水坡度

图1.4　场地具有双向泄水坡度

式中:Lx、Ly——任意一点沿x－x、y－y方向距场地中心线的距离;

ix、iy——任意一点沿x－x、y－y方向的泄水坡度。

(3)考虑土的可松性，对标高进行调整

根据场地挖填平衡的原则求出的场地设计标高，只是一个理论值，实际上还应该考虑土的可松性，对设计标高进行调整。土具有可松性，挖填平衡时，填土会出现多余的土。因此，应该考虑由于土的可松性而引起的设计标高的增加值。

用VW、VT分别表示按理论设计计算的挖、填方的体积，用FW、FT分别表示按理论设计计算的挖、填方区的面积，用VW'、VT'分别表示调整以后挖、填方的体积，如图1.5所示，设Δh为由于土的可松性引起的设计标高增加值，则设计标高调整以后的总挖方体积VW'应为:

图1.5　设计标高调整计算示意图

最终可松性系数为，则总填方体积VT'应为:

同时，填方区的标高也应该和挖方区一样，要提高Δh，即有:

因此，有:

(4)考虑场地内局部挖、填及就近借、弃土的影响，对场地标高进行调整

当场地内存在局部区域的挖、填方区及在场外就近借、弃土的情况时，原有的设计标高就需要进行调整。场地内大型基坑挖出的土方，从经济角度考虑部分土方在场外就近弃土或就近借土，都会引起挖、填土方量的变化和标高的调整。

为了简化计算，场地设计标高调整值Δh可以按下面的近似公式来确定:

式中:Q——假定按原场地设计标高平整以后多余或不足的土方量(m3);

N——方格个数;

a——方格边长(m)。

1.2.2　场地及边坡土方量计算

土方工程施工中，土方工程量很难做到精确计算，一般采用满足工程需要的近似计算方法。场地土方量计算方法有两种，即方格网法和断面法。场地地形较为平坦时，一般采用方格网法;场地地形较为复杂或挖填深度较大，断面不规则时，一般采用断面法。本教材只介绍方格网法。

方格网法步骤如下:

(1)求出方格网各角点的施工高度

用hn表示各角点的施工高度，并以“+”表示填方，以“－”表示挖方;用Hn表示各角点的设计标高，用H表示各角点的自然标高，那么有:

求出hn后，其结果如为正值则表示该角点为填方，结果如为负值则表示该角点为挖方。

(2)绘出“零线”

在方格网边线上，既不挖方也不填方的点为“零点”。将方格网上两个相邻的挖、填角点之间的“零点”连接，形成一条折线，即为“零线”。可根据图1.6求出“零点”的位置。

图1.6　“零点”位置计算

h1－挖方高度;h2－填方高度

(3)计算场地挖、填土方量

“零线”求出以后，场地内的挖、填方区域即被确定，然后可以用四角棱柱体法或三角棱柱体法计算挖、填土方量，以下所有公式中的h1、h2、h3、h4均为施工高度，并且均以绝对值代入。

四角棱柱体法有三种情况:

1)在方格网中，某些方格的四个角全部为填方或者全部为挖方，见图1.7。其土方量的计算公式为:

2)方格有相邻的两个角点为挖方，另外两个相邻的角点为填方，见图1.8。其挖方部分土方量的计算公式为:

填方部分土方量计算公式为:

图1.7　全填或全挖的方格

图1.8　两挖两填的方格

3)方格有一个角点为填方，另外的三个角点为挖方(或方格有一个角点为挖方，另外的三个角点为填方)，见图1.9。其填方(或挖方)部分土方量计算公式为:

图1.9　三挖一填(或三填一挖)的方格

挖方(或填方)部分土方量计算公式为:

场地平整时，还要计算边坡土方量，见图1.10。其计算方法和步骤如下:

图1.10　场地边坡平面图

①标出场地四个角点A、B、C、D的挖填高度和场地边线上的“零点”的位置。

②根据土质确定挖、填边坡的边坡形式与坡度系数。

③计算出四个角点的放坡宽度。如A点为m1ha，D点为m2hd。

④绘出边坡图。

⑤计算边坡土方量。A、B、C、D四个角点的土方量，近似地按正方锥体计算，例如，A点土方量为:

AB、CD两边上土方量按平均断面面积法计算，例如，AB边土方量为:

AC、BD两边分段按三角锥体计算，例如，AC边AO段的土方量为:

1.2.3　土方调配

土方调配是指在场地内对土方的挖、运、填的综合调度运用，确定挖－填方区之间的调配区域和数量，使得土方工程的工程运输量最少、工期最短。土方调配步骤包括:划分调配区;计算土方调配区之间的平均运距或单位土方运价或单位土方施工费用;确定土方的最优调配方案;绘制土方调配图表。

土方工程施工前应进行挖、填方的平衡计算，综合考虑土方运距最短、运程合理和各个工程项目的合理施工程序等，做好土方平衡调配，减少重复挖运。土方平衡调配应尽可能与城市规划和农田水利相结合将余土一次性运到指定弃土场，做到文明施工。

1.2.3.1　土方调配区的划分

在划分调配区时应注意:调配区的划分应与房屋或构筑物的位置相协调，满足工程施工顺序和分期施工的要求，使近期施工和后期利用相结合;调配区的大小应考虑土方施工主导机械的技术性能，使土方施工机械的效率得到充分发挥;调配区的范围应与计算土方量的方格网相协调，通常情况下可由若干个方格组成一个调配区;从经济效益出发，考虑就近借土或就近弃土，一个借土区或一个弃土区均可作为一个独立的调配区。

1.2.3.2　调配区之间的平均运距

平均运距是指挖方调配区土方重心至填方调配区土方重心之间的距离。当挖、填方调配区之间的距离较远，采用汽车、自行式铲运机或其他运土工具沿工地道路或规定路线运土时，其运距应按实际情况计算。

要求平均运距，需先求出每个调配区的重心。为便于计算，一般假定调配区平面的几何中心即为其体积的重心。取场地或方格网中的纵横两边为坐标轴，按下式计算:

式中:Xg、Yg——挖方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。

重心求出以后，则标于相应的调配区图上，然后用比例尺量出(或计算)每对调配区之间的平均运距。

1.2.3.3　最优调配方案的确定

最优调配方案的确定，是以线性规划为理论基础，常用“表上作业法”来求解，现结合实例说明“表上作业法”。

已知某一场地有四个挖方调配区和三个填方调配区，相应的挖、填土方量和各对调配区的平均运距如表1.4中所示。

表1.4　挖、填方调配区的挖、填土方量和调配区间的平均运距C(m)

(1)“最小元素法”编制初始调配方案

平均运距(用C来表示)是已知的，已填入表1.4中各相应方格，各方格内需要调配的土方调配量是未知的(用x表示)，“最小元素法”的原则是给最小运距方格以尽可能多的土方量。

首先找出一个最小运距值，确定其所对应的土方量，应使其土方量尽可能地大。表1.4中C22=C43=40 m最小，在这两个最小运距中任取一个，现取C43所对应的需调配的土方量为x43，从表1.4可知可调配的土方量最大就是400 m3，即把A4的挖方量全部运到B3去，而且A4的土方全部运往B3，就不能满足B1和B2的需要了，即x41=0、x42=0。把400填入x43中，同时在x41和x42的方格内画“×”，见表1.5。

表1.5　初始调配方案

然后在没有填入土方量和×的方格内，找出一个最小运距值，即C22=40，使x22尽可能最大，可以把A2挖方区的土方全部调配给B2，即x22=500 m3，同时x21=0、x23=0。把500填入x22中，同时在x21、x23填入×。

重复以上步骤，确定出初始调配方案，见表1.5。

运距最小的格内取尽可能大的土方值，即优先考虑“就近调配”，所以求得的运输量比较小。但是，并不能保证运输量最小，所以还要进行判别，看是否是最优方案。

(2)最优方案的判别

最优方案的判别法有闭回路法和位势法，二者实质都一样，都是通过求检验数λij来判别(λij是对应于运距表中第i行第j列的一个检验数)，只要所有的检验数λij≥0，则该方案即为最优方案，否则，不是最优方案，还需要进行调整。以下介绍位势法。

首先将初始方案中有调配数方格的平均运距Cij列出，见表1.6。然后按下式求出两组位势数ui(i=1，2，3，…，m)和vj(j=1，2，3，…，n):

式中:Cij——平均运距;

ui、vj——位势数。

对于本例根据式(1.21)有以下不定解方程组:

C11=u1+v1

C31=u3+v1

C32=u3+v2

C22=u2+v2

C33=u3+v3

C43=u4+v3

令u1=0，可求出位势数ui和vj，见表1.6。

表1.6　有调配数方格的运距及位势数

求出位势数后，便可由下式计算空格的检验数:

对于本例可求出各空格的检验数，并填入表1.7(在表中也可只写正负号，不写数字)。

λ12=C12－u1－v2=70－0－100=－30

λ13=C13－u1－v3=100－0－60=40

λ21=C21－u2－v1=70－(－60)－50=80

λ23=C23－u2－v3=90－(－60)－60=90

λ41=C41－u4－v1=80－(－20)－50=50

λ42=C42－u4－v2=100－(－20)－100=20

表1.7　空格的检验数

从表1.7中可以看出，检验数出现了负数，说明初始方案不是最优方案，需要进一步进行调整。

(3)方案的调整

用闭回路法:在所有负检验数中选一个(一般可选最小的一个，本例中为λ12)，从x12格出发，沿水平或竖直方向前进，遇到适当的有数字的方格作90°转弯，然后依次继续前进直到再回到出发点，形成一条闭回路(见表1.8)。

表1.8　闭回路

在各奇数次转角点的数字中，挑出一个最小的(本例即为500、100中选出100);各奇数次转角点方格均减此数，各偶数次转角点方格均加此数。这样调整后，便可得到新的调配方案，见表1.9。

表1.9　新调配方案

对新调配方案，仍用位势法进行检验，看其是否是最优方案。若检验数中仍有负数出现，就仍按上述步骤继续调整，直到找出最优方案为止。

对于本例，经检验表1.9中所有检验数均为正，故该方案即为最优方案。其土方的总运输量为:

Z=400×50+100×70+500×40+400×60+100×70+400×40

=94000(m3·m)

(4)土方调配图

最后将最优调配方案绘成土方调配图，见图1.11。在土方调配图上应注明挖填调配区、调配方向、调配土方数量，以及每对挖、填之间的平均运距。

图1.11　土方调配图

1.3　土方开挖

在土方开挖施工过程中，当垂直开挖超过一定深度后就会出现边坡塌方或滑坡现象，为保证施工安全，需要对边坡采取放坡或支护的方法进行加固。为保证作业面干燥，方便施工，当开挖深度超过地下水位时，在挖方之前，应做好地面排水和降低地下水位的工作。因此，土方开挖需要和边坡、降水工程共同考虑，采用三位一体方案。

1.3.1　土方边坡与土壁支护

1.3.1.1　土方边坡及其稳定性

(1)边坡形式

为了保证土体的稳定性和施工安全，基坑及各类挖方和填方的边沿，都应做成一定形状的边坡，见图1.12。

图1.12　土方边坡

(a)直线型;(b)折线型;(c)阶梯型;(d)分级型

(2)边坡坡度

边坡的坡度用边坡的高度h与其水平投影宽度b之比值来表示。坡度=h/b= 1∶(b/h)=1∶m。其中，m=b/h，称为边坡坡度系数。

边坡坡度与边坡高度、土质、施工条件等因素有关。一般施工时，边坡坡度可参见表1.10。

表1.10　深度在5 m内的基坑、管沟边坡的最陡坡度

如果挖方要经过不同类别的土层或深度超过某一限值时，其边坡可以做成折线型或阶梯型。

(3)影响边坡稳定的因素

土方边坡局部或一定范围内沿某一滑动面向下和水平移动而丧失其稳定性，这就是通常遇到的边坡失稳现象。

影响边坡稳定的因素很多，一般情况下，边坡失去稳定性发生滑动可以归结为土体内抗剪强度降低或剪应力增加两个方面。

1)引起土体内抗剪强度降低的原因有:

①气候。由于气候的影响，使土质松软。

②水的润滑。黏土中的夹层因浸水面产生润滑作用。

③液化。水的细砂、粉砂因振动而液化等。

2)引起土体内剪应力增加的原因有:

①高度。高度或深度增加，剪应力增加。

②坡顶荷载。边坡上面荷载(静、动)增加，尤其是有动荷载时。

③水压力。浸水一方面使土体自重增加，另一方面水在土体中渗流产生一定的动水压力。土体竖向裂缝中的水(地下水)产生静水压力。

1.3.1.2　边坡支护

当基坑开挖采用垂直自然开挖无法保证施工安全、场地周围无放坡条件或因挖填方工程量大而不经济时，一般采用边坡支护的方法，以保证基坑的边坡稳定和安全。基坑支护结构既要确保土壁稳定、邻近建筑物(构筑物)和管线安全，又要考虑支护结构施工方便、经济合理、有利于土方开挖和地下工程的施工。

支护体系主要由围护结构和撑锚结构两部分组成。围护结构为垂直受力部分，主要承担土压力、水压力、边坡上的荷载，并将这些荷载传递到撑锚结构。撑锚结构为水平部分，除自重的影响和承受围护结构传递来的荷载外，还要承受施工荷载，如机具、堆放的材料等施工荷载。

(1)支护体系按围护结构分类

支护体系按围护结构的类型归纳有挡墙(木、钢板、钢筋混凝土板、型钢等)、排桩(混凝土灌注桩)、重力式挡墙(旋喷桩、深层搅拌桩)、地下连续墙等，见图1.13。

支护结构一般作为保证施工安全的临时结构，待建筑物、构筑物的基础及地下工程施工完毕，土方回填完毕后即失去作用，这时就可拆除回收或废弃。所以围护结构常采用可回收再利用的材料，如木桩、钢板桩等;也可使用永久埋在地下的材料，如钢筋混凝土板桩、混凝土灌注桩、旋喷桩、深层搅拌水泥土墙等。

图1.13　支护体系按围护结构分类

(a)木水平挡板;(b)木垂直挡板;(c)槽钢挡墙;(d)锁口钢板桩挡墙;(e)钢筋混凝板桩挡墙; (f)H型钢支柱木挡板支护墙;(g)混凝土灌注桩挡墙(1－素桩;2－钢筋混凝土桩);(h)旋喷桩帷幕墙;(i)地下连续墙

(2)支护体系按撑锚结构分类

支护体系按撑锚结构的类型归纳有悬臂式支护结构、拉锚式支护体系、内撑式支护体系、简易支撑支护结构，见图1.14。

图1.14　支护体系按撑锚结构分类

(a)悬臂式支护结构;(b)拉锚式支护体系;(c)、(d)内撑式支护体系;(e)、(f)简易支撑支护结构

1.3.2　基坑降水

开挖基坑时，渗入坑内的地下水和流入的地表水如不及时排走，不但会使施工条件恶化，造成土壁塌方，影响到施工安全，还会导致地基的承载力降低。当基坑下遇有承压含水层时，若不及时进行降水减压，则基底可能被冲溃破坏。所以，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，必须适时采取相应措施控制地下水位，使地基土在开挖及基础施工时保持干燥。基坑降(排)水方法主要有集水井降水法(明排水法)和井点降水法。

1.3.2.1　集水井降水

集水井降水法是在开挖基坑及基础施工过程中，沿坑底周围或中央开挖排水沟，在沟底设集水井，使基坑内的水经排水沟流向集水井，然后用水泵抽走，见图1.15。

图1.15　集水井降水法

1－排水沟;2－集水井;3－水泵

集水井应设置于基础范围之外、地下水的上游。集水井间距，根据土质的不同，一般每隔20～40 m设置一个，集水井的直径一般为0.6～0.8 m。集水井井底应低于挖土工作面0.7～1.0 m;当基坑挖至设计标高后，井底应低于坑底1～2 m，并铺设碎石滤水层，防止由于抽水时间较长而将泥沙抽出及井底土被搅动。集水井井壁可用竹、木等材料进行简易加固。排水沟一般沿基础四周布置，如基坑面积较大时，可在基础下设置盲沟，盲沟连通至集水井，可将基础下涌出的水排出。排水沟纵坡宜控制在1‰～2‰。基坑排水常用的水泵主要有潜水泵、离心泵等。

1.3.2.2　井点降水

井点降水就是在基坑(槽)开挖前，先在基坑周围埋设一定数量的滤水管(井)，利用抽水设备从中抽水，使地下水位降至坑底以下，直至地下工程施工完毕为止。

井点降水有轻型井点、喷射井点、电渗井点和管井井点等。一般根据土的渗透系数、降水深度、设备条件及经济比较等因素确定，可参照表1.11选择。其中轻型井点应用最为广泛。

表1.11　各类井点的适用范围

(1)轻型井点

轻型井点就是沿基坑四周将井点管按照设计的间距埋入含水层内，井点管的上部与集水总管连接，利用抽水设备通过总管将地下水从井点管内不断抽出，将原有的地下水位降至坑底以下，见图1.16。

1)轻型井点系统组成。轻型井点设备由管路系统和抽水设备两部分组成，主要包括井点管、滤管、集水总管、弯联管和抽水设备等。

滤管采用直径38～50 mm的钢管，长度一般为1～1.5 m，管壁上钻有直径为13～19 mm的小圆孔，圆孔面积占管道外表面积的25%～30%，外包滤网，防止土体颗粒进入管道(见图1.17)。

滤管的上端与井点管连接，井点管为直径38～50 mm的钢管，其长度为3～7 m，可整根或分节组成。井点管的上端用弯联管与总管相连。弯联管采用透明塑料管或黑橡胶管。

集水总管为内径100～127 mm的钢管，每节长4 m。总管上还装有与井点管连接的短接头，间距0.8 m或1.2 m。

轻型井点的设备如果主要由真空泵、离心水泵和水气分离器组成，称为真空泵轻型井点。轻型井点设备如果由射流泵、离心泵、循环水箱等组成，则称为射流泵轻型井点。

图1.16　轻型井点降低地下水位全貌图

1－井点管;2－滤管;3－总管;4－弯联管;5－水泵房;6－原地下水位线;7－降低后地下水位线

图1.17　滤管构造

1－钢管;2－管壁上小孔;3－缠绕的铁丝;4－细滤网;5－粗滤网;6－粗铁丝保护网;7－井点管;8－铸铁头

2)轻型井点的布置。

①平面布置。当基槽宽度小于6 m，且降水深度不超过5 m时，可采用单排井点，布置在地下水上游一侧，见图1.18(a);反之，则宜采用双排井点，见图1.18(b)。当基坑面积较大时则应采用环形井点，见图1.19;当土方施工机械需进出基坑时，需预留施工通道，可采用开口的环形布置方法或U形布置，U形布置井点管不封闭的部分应在地下水下游一侧。

②高程布置。单级轻型井点的降水深度一般不宜超过6 m，所以常用的井点管的长度为6 m。

井点管的埋置深度(不包括滤管)H，见图1.18(b)、图1.19(b)，可按下式计算:

式中:H1——井点管埋设面至基坑底面的距离(m);

h——基坑底边缘(单排井点)或基坑中心(环形井点)降低后的地下水位到基坑底面的距离，一般取0.5～1 m;

I——地下水降落坡度，单排井点为1/4，双排和环形井点为1/10;

L——井点管至基坑底边缘(单排井点)或基坑中心(双排井点或环形井点)的水平距离(m)。

图1.18　单排井点的布置

(a)平面布置;(b)高程布置
1－总管;2－井点管;3－泵站

图1.19　环形井点的布置

(a)平面布置;(b)高程布置
1－总管;2－井点管;3－泵站

如H小于或等于6 m时，则可用一级井点;稍大于6 m时，如降低井点管的埋置面可满足要求时，仍可采用一级井点;当一级井点深度达不到要求时，则可采用二级井点，见图1.20。

图1.20　二级轻型井点

1－第一级井点管;2－第二级井点管

在确定井点埋置深度时，要求滤管必须埋在透水层内。

3)轻型井点的计算。

①井点系统涌水量计算。井点系统所需井点的数量，是根据其涌水量的大小来确定的;而井点系统的涌水量，则按水井理论进行计算。水井的类型不同，其涌水量计算的方法亦不相同。根据地下水有无压力，水井分为无压井和承压井。水井布置在具有潜水自由面的含水层中时，称为无压井，见图1.21(a)、(b);布置在承压含水层中时，称为承压井，见图1.21(c)、(d)。当水井底部达到不透水层时称为完整井，见图1.21(a)、(c);否则，称为非完整井，见图1.21(b)、(d)。

图1.21　水井类型

(a)无压完整井;(b)无压非完整井;(c)承压完整井;(d)承压非完整井

对于无压完整井的环形井点系统，见图1.22(a)，涌水量计算公式为:

式中:Q——井点系统的涌水量(m3/d);

K——土壤的渗透系数(m/d)，通过现场扬水试验确定，也可查参考表;

H——含水层厚度(m);

S——基坑中心水位降落值(m);

R——抽水影响半径(m)，R=1.95 S(KH)1/2;

X0——环形井点系统的假想圆半径(m)，X0=(F/π)1/2;

F——环形井点系统所包围的面积。

利用公式(1.24)计算涌水量，需满足以下条件:井点管所围成的矩形的长宽比小于5且抽水影响半径R大于该矩形宽度的1/2。若不满足上述条件，应分块计算。

对于无压非完整井的环形井点系统，见图1.22(b)，地下水不仅从井的侧面流入井点管，还从井底流入，因此涌水量要比完整井大。为了简化计算，仍可采用式(1.24)，但需将式中含水层厚度H换成抽水有效影响深度H0。H0计算公式可查表1.12，当算得的H0大于实际含水层厚度H时，则仍取H值。

图1.22　环形井点系统涌水量计算简图

(a)无压完整井环形井点系统;(b)无压非完整井环形井点系统

表1.12　抽水有效影响深度计算公式

注:S'为井点管中水位降落值，l为滤管长度。

②确定井管数量及井距。确定井点管数量先要确定单根井管的最大出水量q，其计算公式为:

式中:d——滤管直径(m);

l——滤管长度(m);

K——渗透系数(m/d)。(www.xing528.com)

然后即可按下式计算井点管最少数量:

式(1.26)中系数1.1为考虑井点管堵塞等因素的井点管备用系数。

按下式计算井点管最大间距D:

式中:L1——总管长度(m)。

求出的井点管距应大于1.5d且小于2 m，并应与总管接头的间距(0.8 m或1.2 m)相匹配，根据井点管选用的间距，求出井点管的数量。

③抽水设备的选择。真空泵有干式真空泵(往复式)和湿式真空泵(旋转式)两种。干式真空泵由于其排气量大，所以在轻型井点中采用较多，但要采取措施，防止水分渗入真空泵。湿式真空泵具有重量轻、振动小、容许水分渗入等优点，但排气量小，宜在粉砂和黏性土中使用。干式真空泵常用的型号有W5、W6型。采用W5型泵时，总管长度应不大于100 m;采用W6型泵时应不大于120 m。真空泵在抽水过程中所需的最低真空度hK可按下式由吸水深度h及各项水头损失Δh计算:

式中:h——吸水深度(m)，近似取集水总管至滤管的深度;

Δh——水头损失值(m)，包括进入滤管的水头损失、管路阻力及漏气损失等，近似取1～1.5 m。

水泵一般配套固定型号，但使用时应验算:水泵的流量是否大于井点系统的涌水量(应增大10%～20%)，即Q1≥1.1Q;水泵的扬程是否能克服集水箱中的真空吸力，以免抽不出水，即水泵的最小吸水扬程应为hS=h+Δh(m)。

4)井点管的埋设与使用。轻型井点的安装程序是按照设计的布置方案，先排放总管，在总管旁靠近基坑一侧开挖排水沟，再埋设井点管，然后用弯联管把井点管与总管连接，最后安装抽水设备。

井水管可以采用冲水管冲孔或钻孔后再将井点管安放的埋设方法。井孔直径一般为300 mm，以保证井管四周有一定厚度的砂滤层。成孔的深度宜比滤管底部深0.5 m左右，以防冲管拔出时，部分土颗粒沉于底部而影响井点管的埋设。

成孔后立即插入井点管，并在井点管与孔壁之间迅速填灌砂滤层，以防孔壁坍塌和淤积。砂滤层的填灌质量是保证轻型井点顺利抽水的关键。一般宜选用干净粗砂，填灌均匀，并填至滤管顶上1～1.5 m，以保证水流畅通。井点填砂后，须用黏土封口，以防井点漏气。

轻型井点安装完毕后，需进行试抽，以便检查抽水设备运转是否正常，管路有无漏气现象。轻型井点使用时应连续抽水，直到地下室或地下结构物竣工后将基坑进行回填土。若时抽时停，滤网易于堵塞，出水混浊，并引起附近建筑物周围地面由于土颗粒流失而沉降、开裂。同时由于中途停抽，地下水回升，也可能引起边坡塌方等事故。抽水过程中，应调节离心泵的出水量，使抽吸排水保持均匀，细水长流。正常的出水规律是“先大后小，先混后清”。真空度是判断井点系统工作情况是否良好的尺度，必须经常观察检查。造成真空度不足的原因很多，但多是井点系统有漏气现象，应及时采取措施。

井点系统抽水后地下水位降落曲线稳定的时间视土壤的性质而定，一般为1～5 d。在抽水过程中，还应检查井点管有无堵塞，即有无“死井”现象。如死井太多，严重影响降水效果时，不出水的井点管应逐个用高压水冲洗或拔出重埋。为监测地下水位的变化，减少对周围环境的影响，可在影响半径内设观察井。

5)井点系统的拆除。降水结束后，可将井点管拔出，重复使用。井点系统的拆除应在基础及已施工部分的自重大于浮力的情况下进行，且底板混凝土必须有一定的强度，防止因水浮力引起地下结构浮动或破坏底板。井点管拔出后所留的孔洞应用砂或土及时封堵;对有防渗要求的地基，地面以下2 m范围可用黏土填塞密实。

(2)喷射井点

喷射井点是指通过井点管内外间隙把高压水输送到井底后，由射流喷嘴高速上喷，造成负压，抽吸地下水与空气，并与工作水混合形成具有上涌势能的气水溶液排至地表，达到降低地下水位的目的。

当基坑开挖较深，降水深度超过8 m时，宜采用喷射井点。喷射井点可分为喷气井点和喷水井点两种。喷水井点的喷射井管由内外管组成，在内管下端装有升水装置(喷射扬水器)与滤管相连，见图1.23。当高压水经内外管之间的环形空间由喷嘴喷出时，地下水即被吸入而压出地面。喷射井点的间距一般为1.5～3.0 m。

图1.23　喷射井点

1－喷射井管;2－滤管;3－进水总管;4－排水总管;5－高压泵;6－水池;7－压力计;8－内管;9－外管;10－扩散器;11－喷嘴;12－混合室;13－水泵

图1.24　电渗井点

1－阳极;2－阴极;3－用扁钢、螺栓或电线将阴极连通;4－用钢筋或电线将阳极连通;5－阳极与发电机连接电线;6－阴极与发电机连接电线;7－直流电机; 8－水泵;9－基坑;10－原有地下水位线;11－降水后地下水位线

(3)电渗井点

电渗井点是应用电场的作用，以井点管作负(阴)极，以打入的钢筋或钢管作正(阳)极，在地下形成电场，当通以直流电后，弱含水层中带正电荷的水分子(自由水及结合水)向作阴极的井点管运动，再由水泵排出地面。土颗粒的移动称为电泳现象，水的移动称为电渗现象，故名电渗井点。

电渗井点排水原理见图1.24，电渗井点管(阴极)应布置在钢筋或钢管制成的电极棒(阳极)外侧0.8～1.5 m，露出地面0.2～0.3 m。

(4)管井井点

管井井点就是沿基坑边每隔一定距离设置一个管井，每个管井单独用一台水泵不断抽水来降低地下水位，见图1.25。

图1.25　管井井点

(a)钢管管井;(b)混凝土管管井
1－沉砂管;2－钢筋焊接骨架;3－滤网;4－管身;5－吸水管;6－离心泵;7－小砾石过滤层;8－黏土封口;9－混凝土实管;10－混凝土过滤管;11－潜水泵;12－出水管

(5)周围环境保护

1)降水对周围环境的影响。地下水位下降以后，降水漏斗范围内会造成地面沉降。该影响范围较大，有时影响半径可达百米。在实际工程中，由于井点管滤网及砂滤层结构不良，把土层中的黏土颗粒、粉土颗粒甚至细砂同地下水一同抽出地面的情况是经常发生的，这种现象会使地面产生的不均匀沉降加剧。过大的地面不均匀沉降会造成地面开裂、附近建筑基础沉陷、地下管线变形断裂等不同程度的损坏。

2)防治措施。井点降水引起周围地层的不均匀沉降，但在高水位地区开挖深基坑必须采用降水措施以保证地下工程的顺利进行。所以，一方面要保证土方开挖及地下工程的施工，另一方面又要防范对周围环境的不利影响。因此，在降水的同时，应采取相应的措施，减少井点降水对周围建筑物及地下管线造成的影响。

设置地下水位观测孔，在降水系统运转过程中随时检查观测孔中的水位，并对临近建筑物、管线进行监测，发现沉降量达到报警值时，应及时采取措施。

降水施工时，应做好井点管滤网及砂滤层结构，防止抽水带走土层中的细颗粒。

在建筑物和地下管线密集区等对地面沉降控制有严格要求的地区开挖深基坑，应尽可能采用止水帷幕，并进行坑内降水，一方面可疏干坑内地下水，另一方面可利用止水帷幕减少或切断坑外地下水的涌入，大大减小对周围环境的影响。

场地外缘设置回灌系统也是减小降水对周围环境影响的有效方法，回灌系统包括井点回灌和砂沟砂井回灌两种形式。井点回灌是在抽水井点设置线外4～5 m处，以间距3～5 m插入注水管。在降水井点与被保护的建(构)筑物之间设置砂井并作为回灌井，沿砂井布置一道砂沟，将降水井点抽出的水适时适量排入砂沟，再经砂井回灌到地下，实践证明亦能收到良好的效果。回灌砂井的灌砂量，应取井孔体积的95%，填料宜采用含泥量不大于3%、不均匀系数为3～5的纯净中粗砂。回灌井点运行时应注意观察，控制好回灌水量和水位。

1.3.3　流砂现象及其防治

在地下水位以下进行土方开挖施工，当土质为细砂土或粉砂土时，如施工方案不当，往往容易出现流沙现象，即土颗粒随渗透水流一起不断从基坑边或基坑底冒出。一旦出现流沙，土体边挖边冒，致使施工条件恶化，基坑难以挖到设计标高，并使地基的承载能力下降。严重时可以把基坑四周和坑底的土掏空，引起基坑边坡塌方、地面开裂沉陷、板桩崩塌，使邻近建筑因地基被掏空而出现开裂、下沉、倾斜甚至倒塌。

流沙现象的产生是水在土中渗流所产生的动水压力对土体作用的结果。静水中有静水压力，动水中有动水压力。当渗透水流向上时，土颗粒受到的向上作用力不仅有水的浮力作用，还有向上的动水压力。当动水压力GD等于或大于土的浮容重γ'时，即当GD≥γ'时，土粒处于悬浮状态，土颗粒往往会随渗流的水一起流动，涌入基坑，形成流沙。细颗粒、松散、饱和的非黏性土特别容易发生流沙现象。

产生流沙的主要原因是动水压力的大小和方向，当动水压力方向向上且足够大时，土颗粒被带出而形成流沙，当动水压力方向向下时，如发生土颗粒的流动，其方向向下，使土稳定。因此，防治流沙应从“水”着手，防治流沙的基本原则是减少或平衡或消除动水压力，设法使动水压力方向向下。具体措施有枯水期施工、水下挖土、井点降水、设止水帷幕、抢挖并抛大石块等。

1.3.4　基坑土方开挖

基坑开挖常用的方法是直接分层开挖、有内支撑支护的分层开挖、盆式开挖、岛式开挖及逆作法开挖等，工程中可根据具体条件选用。在无内支撑的基坑中，土方开挖应遵循“土方分层开挖、垫层随挖随浇”的原则;在有内支撑的基坑中，应遵循“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的原则，垫层也应随挖随浇。土方开挖的顺序、方法必须与设计工况相一致。此外，基坑(槽)开挖时应对支护结构、周围环境进行观察和监测，如出现异常情况应及时处理，待恢复正常后方可继续施工。

1.3.4.1　开挖方法

(1)直接分层开挖

基坑直接分层开挖包括放坡开挖和无内支撑支护开挖。

放坡开挖适合于基坑四周空旷，有足够的放坡场地，周围没有建筑设施或地下管线的情况。在软弱地基条件下，不宜挖深过大，一般控制在6～7 m;在坚硬土中，则不受此限制。

放坡开挖施工方便，挖土机作业时没有障碍，工效高，可根据设计要求分层开挖或一次挖至坑底;基坑开挖后基础结构施工作业空间大，施工工期短。

无内支撑支护有悬臂式、拉锚式、重力式、土钉墙等。无内支撑支护的土壁可垂直向下开挖。因此，不需要在基坑边四周有很大的场地，可用于场地较狭小、土质又较差的情况。同时，在地下结构完成后，其基坑土方回填工作量也小。

(2)有内支撑支护的分层开挖

在基坑较深、土质较差的情况下，一般的支护结构需要在基坑内设置支撑。有内支撑支护基坑土方开挖比较困难，其土方分层开挖主要考虑与支撑结构施工的协调。图1.26是一个两道支撑的基坑土方开挖及支撑设置的施工过程示意图，从中可见在有内支撑支护的基坑中进行土方开挖，其施工较复杂。

(3)盆式开挖

盆式开挖适合于基坑面积大、支撑或拉锚作业困难且无法放坡的基坑。它的开挖过程是先开挖基坑中央部分，形成盆式［图1.27(a)］，此时可利用留位的土坡来保证支护结构的稳定，土坡相当于“土支撑”。随后再施工中央区域内的基础底板及地下室结构［图1.27(b)］，形成中心岛。在地下室结构达到一定强度后开挖留坡部位的土方，并按“随挖随撑、先撑后挖”的原则，在支护结构和“中心岛”之间设置支撑［图1.27(c)］。最后再施工边缘部位的地下室结构［图1.27(d)］。

盆式开挖方法支撑用量小、费用低、盆式部位土方开挖方便，这在基坑面积很大的情况下尤显出优越性，因此，在大面积基坑施工中非常适用。但这种施工方法对地下室结构需设置后浇带或在施工中留设施工缝;将地下结构分两阶段施工，对结构整体性及防水性亦有一定的影响。

图1.26　有内支撑支护的分层开挖

(a)设置第一层支撑;(b)第二层挖土;(c)设置第二道支撑;(d)开挖第三层土

图1.27　盆式开挖

(a)中心挖土;(b)中心地下结构施工; (c)边缘土方开挖及支撑设置;(d)边缘地下结构施工
1－边坡留土;2－基础底板;3－支护墙;4－支撑;5－坑底

(4)岛式开挖

图1.28　岛式开挖方法

当基坑面积较大，而且地下室底板设计有后浇带或可以留施工缝时，还可采用岛式开挖方法(图1.28)。

这种方法与盆式开挖类似，但先开挖边缘部分的土方，将基坑中央的土方暂时留置，该土方具有反压作用，可有效地防止坑底土的隆起，有利于支护结构的稳定。必要时还可以在留土区与挡土墙之间架设支撑。在边缘土方开挖到基底以后，先浇筑该区域的底板，以形成底部支撑，然后再开挖中央部分的土方。

1.3.4.2　土方开挖应注意的问题

土方开挖应根据批准的方案进行，尽可能避免在坡顶堆放土方等重荷载，严禁超堆荷载。在施工过程中应经常测量和校核边坡平面位置、水平标高和边坡坡度，平面控制点和水准控制点应采取可靠保护措施，并定期进行复测和检查。监测人工降水系统工作情况，并随时观测周围环境的变化，必须确保支护结构的安全和周围环境的安全。基坑变形监控控制指标，当有设计指标时，以设计要求为依据;当无设计指标时，应按照表1.13的规定执行。

开挖至基坑底标高后，基坑底应及时进行基础施工封闭，避免基坑长时间暴露。当土方挖方较深时，应采取措施，防止基坑底部土的隆起。

表1.13　基坑变形的监控值

1.4　土方填筑与压实

为使填土满足强度和稳定性要求，土方填筑工程必须正确选择填方土料和土方填筑与压实方法。

在土方工程中，最好采用同类土进行填筑，并应分层填土压实。禁止将各类土混杂在一起填筑。如果采用不同类土填筑，应把透水性较大的土层置于透水性较小的土层下面。在透水性较小的土层上填筑透水性较大的土壤时，必须将两层结合面做成中央高、四周低的弧面排水坡度或设置盲沟，以免填土内形成水囊。

当填方位于倾斜的地面，坡度大于0.20时，应先将斜坡改成阶梯状，阶高0.2～0.3 m，阶宽大于1 m，然后分层填土以防填土层滑动。

填土施工前，应清除填方区的积水和杂物。如遇软土、淤泥，必须进行换土回填。填土时，若分段进行，每层分段接缝处应做成斜坡形，上下层分段接缝应错开不小于1.0 m。应防止地面水流入基坑。回填基坑(槽)和管沟时，应从四周或两侧均匀地分层进行，以防止基础和管道在土压力作用下产生偏移或变形。

填方土料应符合设计要求，如设计无要求时，应符合下列规定:碎石类土、砂土和爆破石渣(粒径不大于每层铺厚的2/3)可用于表层下的填料;含水量符合压实要求的黏性土，可用作各层填料;碎块草皮和有机质含量大于5%的土，仅用于无压实要求的填方;淤泥和淤泥质土一般不能用作填料，但在软土或沼泽地区，经过处理使含水量符合压实要求后，可用于填方中的次要部位;水溶性硫酸盐大于2%的土，不能用作填土，因为在地下水作用下，硫酸盐会逐渐溶解流失，形成孔洞，影响土的密实性;冻土、膨胀性土等不应作为填方土料。

1.4.1　填土压实方法与压实机械

填土的压实方法一般有碾压、夯实、振动压实等几种，见图1.29。

图1.29　填土压实方法

(a)碾压;(b)夯实;(c)振动压实

碾压适用于大面积填土工程。碾压机械有平碾、羊足碾和气胎碾等。平碾有静力作用平碾和振动作用平碾之分。平碾对砂土、黏性土均可压实。静力作用平碾适用于较薄填土或表面压实、平整场地、修筑堤坝及道路工程;振动平碾使土受振动和碾压两种作用，效率高，适用于填料为爆破石渣、碎石类土、杂填土或轻亚黏土的大型填方。羊足碾需要较大的牵引力，与土接触面积小，但单位面积的压力比较大，土壤的压实效果好，适用于碾压黏性土;不适合于碾压砂土，在砂土中碾压时，土的颗粒受到“羊足”较大的单位压力后会向四周移动，而使土的结构破坏。气胎碾在工作时是弹性体，给土的压力较均匀，填土质量较好。利用运土工具碾压土壤也可取得较大的密实度，但必须很好地组织土方施工路线，利用运土过程进行碾压。

夯实方法是利用夯锤自由下落时的冲击力来夯实土壤，主要用于基坑(槽)、管沟及各种零星分散、边角部位的小型填方工程。它的优点是可以夯实较厚的土层，且可以夯实黏性土及非黏性土。夯实机械主要有夯锤、内燃夯土机和蛙式打夯机等。夯锤是借助起重机悬挂一重锤提起并落下，锤底面积通常为0.15～0.25 m2，其重力不宜小于15 kN，落距一般为2.5～4.5 m，夯土影响深度可达0.6～1.0 m，常用于夯实砂性土、湿陷性黄土、杂填土以及含有石块的填土。内燃夯土机作用深度为0.4～0.7 m，它和蛙式打夯机都是应用较广的夯实机械。人工夯土用的工具有木夯、石夯等。人工夯土方法因效率低，现已很少采用。

振动压实法是将振动压实机放在土层表面，借助振动机构使压实机械振动，土颗粒发生相对位移而达到紧密状态。这种方法主要用于非黏性土的压实。

1.4.2　影响填土压实效果的主要因素

填土压实效果与许多因素有关，其中主要影响因素有压实功、土的含水量、每层铺土厚度。

1.4.2.1　压实功

填土压实后的密度与压实机械在其上所做的压实功(指压实工具的重量、碾压遍数或锤落高度、作用时间等)有一定的关系，如图1.30所示。在土的含水量一定时，开始压实时，土的密度急剧增加，待到接近土的最大密度时，压实功虽然增加很多，而土的密度则没有多大变化。所以，在实际施工中，对不同的土应根据选择的压实机械和密实度要求选择合理的压实遍数，见表1.14。此外，松土不宜用重型碾压机械直接滚压，否则土层有强烈起伏现象，效率不高。先用轻型机械碾平，再用重型机械碾压实就会取得较好的效果。

1.4.2.2　含水量

在同一压实功条件下，填土的含水量对压实效果有显著的影响。当含水量较小时，由于颗粒间摩擦力使土保持着比较疏松的状态或凝聚结构，土中孔隙大都互相连通，水少而气多，在一定的外部压实功作用下，虽然土孔隙中气体易被排出，但由于水膜润滑作用不明显，外部压实功不易克服粒间摩擦力，压实效果较差;当含水量逐渐增大时，水膜又起着润滑作用，外部压实功比较容易使土颗粒移动，压实效果渐好;当土中含水量过大时，孔隙中出现了自由水，压实功部分被自由水抵消，减小了有效作用，压实效果反而又降低，易夯成橡皮土。实际上每种土壤都有其最佳含水量，土在这种含水量条件下，使用同样的压实功进行压实，所得到的干密度最大，称为最大干密度，见图1.31。用干密度作为表征填方密实程度的技术指标;取干密度最大时的含水量为最佳含水量。

图1.30　土的密度与压实功的关系

图1.31　土的干密度与含水量

土的最佳含水量和最大干密度，应由击实试验取得。一般砂土的最佳含水量为8%～12%，粉土为16%～22%，粉质黏土为18%～21%，黏土为19%～23%。

施工中，土料的含水量与其最佳含水量之差可控制在－4%～+2%范围内，使用振动碾压时，可控制在－6%～+2%范围内。当含水量过大时，应采取翻松、晾干、风干、换土回填、掺入干土或其他吸水材料等措施;如土料过干，则应预先洒水润湿，每1 m3铺好的土层需要补充的水量可按下式计算:

式中:V——单位体积内需要补充的水量(L);

w——土的天然含水量(%);

wop——土的最佳含水量(%);

ρ——填土碾压前的密度(kg/m3)。

当含水量小时，亦可采取增加压实遍数或使用大功率压实机械等措施。在气候干燥时，须加快挖土、运土、平土和碾压过程，以减少土中水分散失。当填料为碎石类土时，碾压前应充分洒水湿润，以提高压实效果。

1.4.2.3　每层铺土厚度

土在压实功的作用下，压应力随深度增加而减小，其影响深度与压实机械、土的性质和含水量有关。所以，每层铺土厚度应小于压实机械压土时的有效作用深度，而且还应考虑最优铺土厚度。铺土过厚，要压很多遍才能达到规定的密实度，甚至由于下部土体所受压实作用力小于土体本身的黏结力和摩擦力，土颗粒不能相互移动，无论压多少遍，填方也不能被压实;铺土过薄，则要增加总压实遍数，增加机械的功耗费，且下层土体压实次数过多，而受剪切破坏。最优的铺土厚度应能使填方被压实而机械的功耗费最小，所以规定一定的铺土厚度，见表1.14。

表1.14　分层填土虚铺厚度与压实遍数

1.5　土方施工机械

场地平整常用的土方施工机械主要为推土机、铲运机、挖土机等。

1.5.1　推土机及其施工

推土机是一种在拖拉机前端悬装推土刀的铲土运输机械。作业时，机械向前开行，放下推土刀切削土壤，碎土堆积在刀前，待逐渐积满以后，略提起推土刀，使刀刃贴着地面推移碎土，推到指定地点以后，提刀卸土，然后调头或倒车返回铲掘地点。推土机由于牵引力大，生产率高，工作装置简单，操纵灵便，能进行多种作业，应用甚为广泛。在场地平整、大型、较浅的基坑可采用推土机。

推土机按照推土刀安装形式分固定推土刀式和回转推土刀式两种，见图1.32。固定推土刀装成垂直于推土机纵轴线，只能上下升降和向前推土，故又称直铲推土机。回转推土刀在水平面内可以倾斜，与推土机横轴线成0°～25°角，还可在垂直面内倾斜，与水平面成0°～9°角。回转推土刀在水平面内倾斜作业时，刀前碎土沿着推土刀表面斜向移动而卸于一侧，故又称斜铲推土机，其铲、运、卸三个过程同时进行。推土刀在垂直面内倾斜作业时，可对坚实地面进行铲运。

图1.32　履带式推土机

(a)固定推土刀式;(b)回转推土刀式

推土机按照行走装置分履带式和轮胎式两种。履带式推土机的履带板有多种形式，以适应在不同的地面上行走。轮胎式推土机大多采用宽基轮胎，全轮驱动，以提高牵引性能并改善通过性能。履带式推土机由于后端可以装松齿耙、绞盘和反铲装置，还可以作为其他机械的牵引车或铲运机的助铲机，故应用更广泛。

推土机按照工作操纵系统分液压操纵式和机械操纵式。液压操纵式利用液压缸来操纵推土刀的升降，可以借助整机的部分重力，强制推土刀切土，切土力大，操纵轻便，广泛用于中小型推土机上;机械操纵式依靠钢丝滑轮组操纵，只能利用推土刀的自重切土，效率较低，一般用于大型和特大型推土机上。

推土机按照发动机功率分特大、大、中、小型四种，国产推土机大多是中型和大型的。常用推土机的功率有45 kW、75 kW、90 kW、120 kW等。

推土机适用于推挖一～三类土，用于平整场地、移挖作填、回填土方、堆筑堤坝、配合挖土机集中土方和修路开道等。推土机作业以切土和推运土方为主，切土时应根据土质情况，尽量采用最大切土深度在最短距离(6～10 m)内完成，以便缩短低速行进的时间，然后直接推运到预定地点。上下坡坡度不超过35°，横坡不超过10°。几台推土机同时作业时，前后距离应大于8 m。

推土机的作业效率与运距有很大关系。推土机的经济运距一般在100 m以内，效率最高的运距一般为60 m。为提高生产率，可采用下坡推土、槽型推土、并列推土及多铲集运等方法(图1.33)。

图1.33　推土机提高生产率方法

(a)槽形推土法;(b)并列推土法

1.5.2　铲运机施工

铲运机是一种利用铲斗铲挖土壤，并将碎土装入铲斗进行运送的铲土运输机械，能够完成铲土、装土、运土、卸土和分层填土、局部碾实的综合作业，适用于铁路、道路、水利、电力等工程平整场地工作。铲运机具有操纵简单，不受地形限制，能独立工作，行驶速度快，生产效率高等优点。其适用于一～三类土，如铲挖三类以上土壤，需要事先松土。

铲运机由铲斗、行走装置、操纵机构和牵引机等组成。铲运机工作过程包括:放下铲斗，打开斗门，向前开行，斗前刀片切削土壤，碎土进入铲斗并装满［图1.34(a)］;提起铲斗，关上斗门，进行运土［图1.34(b)］;到卸土地点后打开斗门、卸土，并调节斗的位置，利用刀片刮平土层［图1.34(c)］;卸土完毕，返回。

图1.34　铲运机的作业过程

(a)铲土;(b)运土;(c)卸土
1－斗门;2－斗体

铲运机分自行式和拖式两种。自行式铲运机［图1.35(a)］由牵引机和铲斗车两部分合成整体，中间用绞销连接，牵引车和铲斗车均为单轴，其经济运距可达1500 m以上，具有结构紧凑、机动性大、行驶速度快等优点，得到广泛的应用。拖式铲运机［图1.35(b)］需要有拖拉机牵引作业，装有宽基低压轮胎，适用于土质松软的丘陵地带，其经济运距一般为50～500 m，由于机动性差，工程中较少应用。

图1.35　铲运机外形图

(a)自行式;(b)拖式

铲运机按照铲斗卸土方式分强制卸土式、半强制卸土式和自由卸土式三种。

铲运机按照铲斗容量分特大、大、中、小型四种。中型的铲斗容量一般为6～15 m3，大型的铲斗容量一般为15～30 m3，特大型的铲斗容量可达30 m3以上。

铲运机运行路线和施工方法根据工程大小、运距长短、土的性质和地形条件等确定。其运行路线可采用环形路线或8字形路线(图1.36)。采用下坡铲土法、跨铲法、推土机助铲法等可缩短装土时间、提高土斗装土量，以充分发挥其效率。

图1.36　铲运机开行路线

(a)环形路线;(b)环形路线;(c)大环形路线;(d)8字形路线

1.5.3　挖土机施工

如平整的场地上有土堆或土丘，需要向下挖掘或填筑土方时可采用挖土机进行挖掘、填筑。基坑土方开挖一般采用单斗挖土机进行施工。挖土机在施工中一般需有运土汽车与之配合作业。

1.5.3.1　挖土机及其施工

挖土机按照行走方式分为履带式和轮胎式两种。按照传动方式分为机械传动式和液压传动式两种。挖土机利用土斗直接挖土，斗容量有0.2 m3、0.4 m3、1.0 m3、1.5 m3、2.5 m3等多种。单斗挖土机按照土斗作业装置分为正铲、反铲、拉铲和抓铲，使用较多的是前三种。

(1)正铲挖土机及其施工

正铲挖土机外形如图1.37所示，其作业特点是:前进向上，强制切土。它适用于开挖停机面以上的土方，且需与汽车配合完成整个挖运工作。正铲挖土机挖掘力大，适用于开挖含水量较小的一类土和经爆破的岩石及冻土。一般用于大型基坑开挖，也可用于场地平整施工。正铲的开挖方式根据开挖路线与汽车相对位置的不同分为正向挖土、侧向卸土以及正向挖土、后方卸土两种，前者生产率较高，见图1.38。

图1.37　正铲挖土机

图1.38　正铲挖土机作业方式

(a)正向挖土、侧向卸土;(b)正向挖土、后方卸土
1－正铲挖土机;2－自卸汽车

正铲挖土机的生产率主要取决于每斗作业的循环延续时间。为了提高其生产率，除了工作面高度必须满足装满土斗的要求之外，还要考虑开挖方式和与运土机械的配合，尽量减小回转角度，缩短每个循环的延续时间。

(2)反铲挖土机及其施工

反铲挖土机的外形见图1.39，其作业特点是:后退向下，强制切土。它适用于开挖一至三类的砂土或黏土，主要用于开挖停机面以下的土方，一般最大挖土深度为4～6 m，经济合理的挖土深度为3～5 m。反铲挖土机也需要配备运土汽车进行运输。

反铲挖土机的开挖方式可以采用沟端开挖法，即挖土机停于沟端，后退挖土，向沟的一侧弃土或装汽车运走，见图1.40(a);也可采用沟侧开挖法，即挖土机停于沟侧，沿沟边开挖，它可将土弃于距沟较远的地方，如装车则回转角度较小，但边坡不易控制，见图1.40(b)。

图1.39　反铲挖土机

图1.40　反铲挖土机作业方式

(a)沟端开挖;(b)沟侧开挖
1－反铲挖土机;2－自卸汽车;3－弃土堆

(3)拉铲挖土机及其施工

拉铲挖土机的外形见图1.41，拉铲挖土时，依靠土斗自重及拉索拉力切土，卸土时斗齿朝下，利用惯性较湿的黏土也能卸尽。但其开挖的边坡及坑底平整度较差，需更多的人工修边坡和坡底。它适用于开挖停机面以下的一至三类土，其特点是开挖的深度和宽度均较大，可用于开挖较大的基坑(槽)和沟渠以及挖取水下泥土，也可用于大型场地平整、填筑路基和堤坝等。拉铲的开挖方式和反铲一样，也有沟端开挖和沟侧开挖两种。

(4)抓铲挖土机及其施工

机械传动抓铲挖土机的外形如图1.42所示，它适用于开挖较松软的土。对施工面狭窄而深的基坑、深槽、深井采用抓铲可取得理想效果，也可用于场地平整中土堆与土丘的挖掘。抓铲还可用于挖取水中淤泥，装卸碎石、矿渣等松散材料。抓铲也有采用液压传动操纵抓斗作业的。

图1.41　拉铲挖土机

图1.42　抓铲挖土机

抓铲挖土时，通常立于基坑一侧，对较宽的基坑则在两侧或四侧抓土。抓挖淤泥时，应避免起吊用力过猛，以防翻车。

1.5.3.2　挖土机与运土车辆的配合

当挖土机挖出的土方需要运土车辆运走时，挖土机的生产率不仅取决于本身的技术性能，而且还取决于所选的运输工具是否与之协调。

根据挖土机的技术性能，其生产率可按下式计算:

式中:P——挖土机生产率(m3/台班);

t——挖土机每次作业循环延续时间(s);

q——挖土机斗容量(m3);

Ks——土的最初可松性系数，见表1.1;

Kc——挖土机土斗充盈系数，可取0.8～1.1;

KB——挖土机工作时间利用系数，一般为0.6～0.8。

为了使挖土机充分发挥生产能力，应使运土车辆的载重量与挖土机的每斗土重保持一定的倍数关系，并有足够数量的车辆以保证挖土机连续工作。从挖土机方面考虑，汽车的载重量越大越好，可以减少等待车辆调头的时间。从车辆方面考虑，载重量小，则台班费便宜，但使用数量多;载重量大，则台班费高，但数量可减少。最适合的车辆载重量应当是使土方施工单价为最低，可以通过核算确定。一般情况下，汽车的载重量以每斗土重的3～5倍为宜。运土车辆的数量N，可按下式计算:

式中:T——运输车辆每一工作循环延续时间(s)，由装车、重车运输、卸车、空车开回及等待时间组成;

t1——运输车辆调头而使挖土机等待的时间(s);

t2——运输车辆装满一车土的时间(s)。

式中:n——运土车辆每车装土次数;

t——挖土机每次作业循环延续时间(s);

Q——运土车辆的载重量(t);

q——挖土机斗容量(m3);

Ks——土的最初可松性系数，见表1.1;

Kc——挖土机土斗充盈系数，可取0.8～1.1;

γ——土的重度(kN/m3)。

为了减少车辆的调头、等待和装土时间，装土场地必须考虑调头方法及停车位置。如在坑边设置两个通道，使汽车不用调头，可以缩短调头、等待时间。

1.6　土方工程质量验收与安全施工技术

1.6.1　土方工程验收

平整场地的表面坡度应符合设计要求，如设计无要求时，排水沟方向的坡度不应小于2‰。平整后的场地表面应逐点检查。检查点为每100～400 m2取1点，但不应少于10 点;长度、宽度和边坡均为每20 m取1点，每边不应少于1点。

临时性挖方的边坡值应符合表1.15的规定。

表1.15　临时性挖方边坡值

注:1)设计有要求时，应符合设计标准。
2)如采用降水或其他加固措施，可以不受本表限制，但应计算复核。
3)开挖深度，对软土不应超过4 m，对硬土不应超过8 m。

土方开挖工程质量检验标准见表1.16。

表1.16　土方开挖工程质量检验标准

注:地(路)面基层的偏差只适用于直接在挖、填方上做地(路)面的基层。

土方回填前应清除基底垃圾、树根等杂物，抽除坑穴积水、淤泥，验收基底标高。如在耕植土或松土上填方，应在基底压实后再进行。对填方土料应按设计要求验收后方可填入。

填方施工过程中检查排水措施、每层填筑厚度、含水量控制、压实程度。填土厚度及压实遍数应根据土质、压实系数及所用机具确定。如无试验依据，应符合表1.14的规定。

填方施工结束后，应检查标高、边坡坡度、压实程度，检验标准见表1.17的规定。

表1.17　填土工程质量检验标准

土方施工过程中，要采取可靠措施和合理的支护方案，防止土方边坡塌方。边坡支护结构要经常检查，如有松动、变形、裂缝等现象，要及时加固或更换。多层支撑拆除要自下而上进行，随拆随填。

钢筋混凝土桩支护要在桩身达到规定强度后开挖土方。开挖土方不要伤及支护桩及支撑结构。锚杆应验证其锚固力后方可受力，必要时应实验验证后再施工。相邻土方开挖要按照先深后浅的顺序施工，并及时施工垫层和基础。土方开挖严禁超挖，机械挖土并至少留0.3 m深不挖，而由人工挖至设计标高。

1.6.2　土方工程安全施工技术

为保证土方工程的施工安全，土石方工程施工应由具有相应资质及安全生产许可证的企业承担。在施工前应编制专项施工安全方案，严格按照方案实施，并进行安全教育及安全技术交底。特种作业人员必须持证上岗，机械操作人员应经过专业技术培训。施工现场发现危及人身安全和公共安全的隐患时，必须立即停止作业，排除隐患后方可恢复施工。在土石方施工过程中，当发现古墓、古物等地下文物或其他不能辨认的液体、气体及异物时，应立即停止作业，做好现场保护，并报有关部门处理后方可继续施工。

1.6.2.1　基坑工程安全施工

基坑工程应按现行行业标准《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120)进行设计;必须遵循先设计后施工的原则;应按设计和施工方案要求，分层、分段、均衡开挖。

土方开挖前，应查明基坑周边影响范围内建(构)筑物、上下水、电缆、燃气、排水及热力等地下管线情况，并采取措施保护其使用安全。基坑开挖深度范围内有地下水时，应采取有效的地下水控制措施。

(1)开挖防护

开挖深度超过2 m的基坑周边必须安装防护栏杆。防护栏杆应符合下列规定:

1)防护栏杆高度不应低于1.2 m。

2)防护栏杆应由横杆及立杆组成;横杆应设2～3道，下杆离地高度宜为0.3～0.6 m，上杆离地高度宜为1.2～1.5 m;立杆间距不宜大于2.0 m，立杆离坡边距离宜大于0.5 m。

3)防护栏杆宜加挂密目安全网和挡脚板;安全网应自上而下封闭设置;挡脚板高度不应小于180 mm，挡脚板下沿离地高度不应大于10 mm。

4)防护栏杆应安装牢固，材料应有足够的强度。

基坑内宜设置供施工人员上下的专用梯道。梯道应设扶手栏杆，梯道的宽度不应小于1 m。梯道的搭设应符合相关安全规范的要求。

基坑支护结构及边坡顶面等有可能坠落的物件时，应先行拆除或加以固定。同一垂直作业面的上下层不宜同时作业。需同时作业时，上下层之间应采取隔离防护措施。

(2)作业要求

在电力管线、通信管线、燃气管线2 m范围内及上下水管线1 m范围内挖土时，应有专人监护。基坑支护结构必须在达到设计要求的强度后，方可开挖下层土方，严禁提前开挖和超挖。施工过程中，严禁设备或重物碰撞支撑、腰梁、锚杆等基坑支护结构，亦不得在支护结构上放置或悬挂重物。

基坑边坡的顶部应设排水措施。基坑底四周宜设排水沟和集水井，并及时排除积水。基坑挖至坑底时应及时清理基底并浇筑垫层。对人工开挖的狭窄基槽或坑井，开挖深度较大并存在边坡塌方危险时，应采取支护措施。

在软土场地上挖土，当机械不能正常行走和作业时，应对挖土机械行走路线用铺设渣土或砂石等方法进行硬化。场地内有孔洞时，土方开挖前应将其填实。遇异常软弱土层、流沙(土)、管涌，应立即停止施工并及时采取措施。除基坑支护设计允许外，基坑边不得堆土、堆料、放置机具。

采用管井井点降水时，井口应设置防护盖板或围栏，设置明显的警示标志。降水完成后，应及时将井填实。施工现场应采用防水型灯具，夜间施工的作业面及进出道路应有足够的照明措施和安全警示标志。

(3)险情预防

为保证施工安全，基坑工程应编制应急预案，明确管理机构及责任。土方开挖过程中，应定期对基坑及周边环境进行巡视，随时检查基坑位移(土体裂缝)、倾斜、土体及周边道路沉陷或隆起、地下水涌出、管线开裂、不明气体冒出和基坑防护栏杆的安全性等情况。

在冰雹、大雨、大雪、6级及以上强风等恶劣天气之后，应及时对基坑和安全设施进行检查。

深基坑开挖过程中必须进行基坑变形监测，当基坑开挖过程中出现位移超过预警值、地表裂缝或沉陷等情况时，应及时报告有关方面，并及时采取措施。出现塌方险情等征兆时，应立即停止作业，组织撤离危险区域，立即通知有关方面进行研究处理，并采取以下措施:暂停施工，转移危险区内人员和设备;对危险区域采取临时隔离措施，并设置警示标志;坡脚被动区压重或坡顶主动区卸载;做好临时排水、封面处理;采取应急支护措施。

1.6.2.2　边坡工程安全施工

边坡工程应按现行国家标准《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)进行设计;应遵循先设计后施工，边施工边治理，边施工边监测的原则。边坡开挖施工区域应有临时排水及防雨措施。边坡开挖前，应清除边坡上方已松动的石块及可能崩塌的土体。

(1)作业要求

临时性挖方边坡坡率可按施工方案的要求执行。对土石方开挖后不稳定或欠稳定的边坡，应根据边坡的地质特征和可能发生的破坏形态，采取有效处置措施。土石方开挖应按设计要求自上而下分层实施，严禁随意开挖坡脚。开挖至设计坡面及坡脚后，应及时进行支护施工，尽量减少暴露时间。

在山区挖填方时，应遵守下列规定:

1)土石方开挖宜自上而下分层分段依次进行，并应确保施工作业面不积水。

2)在挖方的上侧和回填土尚未压实或临时边坡不稳定的地段不得停放、检修施工机械和搭建临时建筑。

3)在挖方的边坡上如发现岩(土)内有倾向挖方的软弱夹层或裂隙面时，应立即停止施工，并应采取防止岩(土)下滑措施。

4)山区挖填方工程不宜在雨期施工。当需在雨期施工时，应编制雨期施工方案，并应遵守下列规定:随时掌握天气变化情况，暴雨前应采取防止边坡坍塌的措施;雨期施工前，应对施工现场原有排水系统进行检查、疏浚或加固，并采取必要的防洪措施;雨期施工中，应随时检查施工场地和道路的边坡被雨水冲刷情况，做好防止滑坡、坍塌工作，保证施工安全;道路路面应根据需要加铺炉渣、砂砾或其他防滑材料，确保施工机械作业安全。

5)冬期施工应及时清除冰雪，采取有效的防冻、防滑措施。

(2)人工开挖时应遵守的规定

1)作业人员相互之间应保持安全作业距离。

2)打锤与扶钎者不得对面工作，打锤者应戴防滑手套。

3)作业人员严禁站在石块滑落的方向撬挖或上下层同时开挖。

4)作业人员在陡坡上作业应系安全绳。

1.6.2.3　土方工程机械设备安全

土石方施工的机械设备应按照规定的技术性能、承载能力和使用条件等要求，正确操作，合理使用，严禁超载作业或任意扩大使用范围。新购、经过大修或技术改造的机械设备，应按有关规定要求进行测试和试运转。机械设备应按规定进行定期维修保养，严禁带故障作业。机械设备照明装置应完好无损。机械设备运行时，严禁接触转动部位和进行检修。

机械设备进场前，应对现场和行进道路进行踏勘。不满足通行要求的地段应采取必要的加固措施。

作业前应检查施工现场，查明危险源。机械作业不宜在有电缆或燃气管道等地下管线2 m半径范围内进行。冬、雨期施工时，应及时清除场地和道路上的冰雪、积水，并应采取有效的防滑措施。

机械设备连续作业时，应遵守交接班制度，禁止无关人员进入作业区和操作室。作业时操作人员不得擅自离开岗位或将机械设备交给无证人员操作，严禁疲劳和酒后作业。配合机械设备作业的人员，应在机械设备的回转半径以外工作，当在回转半径内作业时，必须有专人协调指挥。夜间工作时，现场必须有足够照明。作业结束后，应将机械设备停到安全地带。

遇到下列情况之一时应立即停止作业:填挖区土体不稳定，有坍塌可能;地面涌水冒浆，出现陷车或因下雨发生坡道打滑;发生大雨、雷电、浓雾、水位暴涨及山洪暴发等情况;施工标志及防护设施损坏;工作面净空不足以保证安全作业;出现其他不能保证作业和运行安全的情况。

思考题

1.土方施工的特点是什么?

2.土的工程性质有哪些?它们对土方工程施工有何影响?

3.试述场地平整设计标高的确定方法和步骤。

4.对场地平整设计标高H0进行调整，应考虑哪些因素?

5.试述场地平整土方量计算的方法和步骤。

6.土方调配应遵循哪些原则?

7.试述单斗挖土机的工作特点、适用范围。

8.试述单斗挖土机的作业方式。

9.土方开挖工程量如何计算?

10.试述土方边坡的形式、表示方法及影响边坡稳定的因素。

11.土壁支护体系有哪些种类?

12.试述流沙形成的原因及防治流沙的途径和方法。

13.试述井点降水法的种类及适用范围。

14.轻型井点系统设计布置的方法和步骤有哪些?

15.试述水井的类型及井点系统涌水量的计算方法。

16.基坑降水对周围环境有何影响?如何防治?

17.影响填土压实的主要因素有哪些?怎样检查填土压实的质量?

18.填土压实有几种方法?使用什么机械?各有什么特点?

19.试述如何进行挖土机与运土车辆的配套计算。

20.基坑土方开挖的常用施工方法有哪些?

21.试述如何进行填方土料的选择，以及土方填筑应注意哪些问题。

22.土方开挖的原则是什么?

习题

1.某基坑底面积为35 m×30 m，深4.0 m，地下水位在地面下1.5 m，不透水层在地面下11 m，地下水为无压水，渗透系数K=15 m/d，基坑边坡为1∶0.5。现拟用轻型井点系统降低地下水位:

(1)进行井点系统的平面和高程布置。

(2)计算井点系统涌水量、井点管根数和间距。

(3)选择抽水设备。

2.某土方工程采用单斗挖土机配运土汽车施工，已知土方工程量为3000 m3，土的最初可松性系数Ks=1.2，挖土机的斗容量为2 m3，一次性费用为2000元/台，台班费为950 元/台班，挖土机土斗充盈系数为Kc=1.05，时间利用系数KB=0.8，挖土机每次作业循环延续时间是40 s，运输车辆调头而使挖土机等待的时间是30 s，运土汽车的载重量为12 t，一次性费用为100元/台，台班费为700元/台班，汽车运土循环一次需12 min，试计算该施工方案的单方费用。