第一章 土石方工程
第一节 土的性质与分类
一. 土的组成与结构
土是由岩石风化生成的松散沉积物，是由矿物颗粒（固相）、水（液相）和空气（气相）组成的三相体系。矿物颗粒构成土的骨架，空气和水填充骨架间的空隙。
二. 土的性质
(一)土的物理性质
1.土的质量密度和重力密度
天然状态单位体积土的质量成为土的质量密度，简称土的密度，用符号ρ表示。
天然状态单位体积土所受的重力称为土的重力密度，简称土的重度，用符号γ表示。
2.土粒相对密度
土粒单位体积的质量与同体积的4℃是纯水的质量相比，称为土粒相对密度，用符号ds 表示
3.土的含水量
土中水的质量与土颗粒质量之比的百分数称为土的含水量，用符号w表示。
4.土的干密度和干重度
土的单位体积内颗粒的质量称为土的干密度，用符号Pd表示;土的单位体积内颗粒 ;受重力称为土的干重度，用符号Yd表示。
5.土的孔隙比与孔隙率
土中孔隙体积与颗粒体积相比称为孔隙比，用符号e表示;土中孔隙体积与土的体积比的百分数称为土的孔隙率，用符号n表示。
6.土的饱和重度与土的有效重度
土中孔隙完全被水充满时土的重度称为饱和重度，用符号Ysat表示;地下水位以下的 t受到水的浮力作用，扣除水的浮力和单位体积上所受的重力称为土的有效重度，用符号γˊ表示。
7.土的饱和度
土中水的体积与孔隙体积之比的百分数称为土的饱和度，用符号Sr表示。 Sr=Vw/Vv X 100%
根据饱和度Sr的数值可把细砂、粉未砂土温度状态划分等土分为稍湿、很湿和饱和三种湿度状态。
8.土的可松性和压密性
土的可松性是指天然状态下的土经开挖后土的结构被破坏，因松散而体积增大，这种现象称为土的可松性。
（二）土的力学性质
1.土的抗剪强度
土的抗剪强度就是某一受剪面上抵抗剪切破坏时的最大剪应力，土的抗剪强度可由剪种切试验确定。
2.侧土压力
地下给水排水构筑物的墙壁和池壁，地下管沟的侧壁，施工中沟槽的支撑，顶管工作坑的后背，以及其他各种挡土结构，都受到土的侧向压力作用。这种土压力称为侧土压力。
根据挡土墙受力后的位移情况，侧土压力可分为以下三种:
（1） 主动土压力
挡土墙在墙后土压力作用下向前移动或移动土体随着下滑，当达到一定位移时，墙后土达极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压力就称为主动土压力。
（2） 被动土压力
挡土墙在外力作用下向后移动或转动，挤压填土，使土体向后位移，当挡土墙向后达到一定位移时，墙后土体达到极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压力称为被动土压力。
（3） 静止土压力
挡土墙的刚度很大，在土压力作用下不产生移动和转动，墙后土体处于静止状态，此时作用在墙背上的土压力称为静止土压力。
（三）土的工程分类及野外鉴别方法
1.土的分类
土的种类很多，分类方法也很多，一般按土的组成，生产年代和生产条件对土进行分类。按《建筑地基基础设计规范》 (GBJ 7-89)将地基土分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土、人工填土六类。
2. 土的工程分类及野外鉴别方法
按土石坚硬程度和开挖方法及使用工具，将土分为八类
第二节 给排水厂（站）场地平整
一.场地平整及土方量计算
场地平整就是将天然地面改为工程上所要求的设计平面。场地设计平面通常由设计单 位在总图竖向设计中确定，由设计平面的标高和天然地面的标高差，可以得到场地各点的施工高度(填挖高度) ，由此可以计算场地平整的土方量。
（1）划分方格网。根据已有地形图(一般1/500的地形图)划分成若干个方格网，其边长为10m×10m、20m×20m或40m×40m。
（2）计算施工高度。根据方格网，将自然地面标高与设计地面标高分别标注在方格网角点的右上角和右下角，自然地面标高与设计地面标高差值，即各角点的施工高度，将其填在方格网的左上角，挖方为(+) ，填方为(一)。
（3）计算零点位置。在一个方格网内同时有填方或挖方时，要先算出方格网边的零点位置，并标注在方格网上。将零点连线就得到零线，它是填方区和挖方区的分界线，在此线上各点施工高度等于零。
（4）计算方格土方工程量。方格土方工程量计算公式，参见表1-9
（5）将计算的各方格土方工程列表汇总，分别求出总的挖方工程量和填方工程量。
二.土方调配
土方工程量计算完成后，即可进行土方的调配工作。土方调配，就是对挖土的利用、堆弃和填方三者之间关系进行综合协调处理的过程。一个好的土方调配方案，应该是使土方运输量或费用达到最小，而且又能方便施工。为使土方调配工作做到更好应掌握如下原则:
（1）力求使挖方与填方基本平衡和就近调配使挖方与运距的乘积之和尽可能为最小，亦即使土方运输和费用最小。
（2）考虑近期施工与后期利用相结合的原则；考虑分区与全场相结合的原则；还应尽可能与大型地下建筑物的施工相结合，使土方运输无对流和乱流的现象。
（3）合理选择恰当的调配方向、运输路线，使土方机械和运输车辆的功率能得到充分发挥。
（4）土质好的土使用在回填质量要求高的地区。
三.场地土方施工
场地土方施工由土方开挖、运输、填筑等施工过程组成。
(一)场地土方开挖与运输
场地土方开挖与运输通常采用人工、半机械化、机械化和爆破等方法，目前主要采用机械化施工法。
推土机 铲运机
（二）场地填方与压实
场地平整施工常采用环形路线。
1.填方的质量要求
在场地土方填筑工程中，只有严格遵守施工验收规范，正确选择填料和填筑方法，才能保证填土的强度和稳定性。
（1）填方施工前基底处理：根据填方的重要性及填土厚度确定天然地基是否需要处理。
（2）填方土料的选择：用于填方的土料应保证填方的强度和稳定性。土质、夭然含水量等应符合有关规定。
（3）填筑方法：填方每层铺土厚度和压实次数应根据土质、压实系数和机械性能来确三，按表1-11选用。填方施工应接近水平地分层填土、压实和测定压实后土的干密度，检验其压实系数和压实范围符合设计要求后，才能填筑上层。分段填筑时，每层接缝处应 k成斜坡形，碾迹重叠0.5-1.0m。上下层错缝距离不应小于1.0m。
（4）填方的质量：填土必须具有一定的密实度，填土密实度以设计规定的控制干密度 Pd作为检查标准。
2.填方压实的影响因素
填方压实质量与许多因素有关，其中主要影响因素为:压实功、土的含水量及每层铺土厚度。
（1）压实功的影响：压实机械在土上施加功，土的密度增加，但土的密度大小并不与机械 施加功成正比例。
（2）含水量的影响：在同一压实功条件下，填土的含水量对压实质量有直接影响，较干燥的土不易压实，较湿的土也不易压实。当土的含水量最佳时，土经压实后的密度最大，压实系数最高。
（3）铺土厚度的影响：土在压实功的作用下地基应力是随深度增加而减少的。而压实机械的作用深度与压实机械、土的性质和含水量等有关。要保证压实土层各点和密实度都满足要求，铺土厚度应小于压实机械压土时的作用深度。但是铺土过厚，要压很多遍才能达到规定的密实度;铺土过薄，则也要增加机械的总压实遍数，所以铺土厚度应能使土方达到规定 的密实度，而机械功耗费最少，这一铺土厚度称为最优铺土厚度。
第三节 沟槽及基坑的土方施工
一. 沟槽断面形式
正确地选择沟槽断面形式，可以为管道施工创造良好的施工作业条件。在保证工程质量和施工安全的前提下，减少土方开挖量，降低工程造价，加快施工速度。要使沟槽断面形式选择合理，应综合考虑土的种类、地下水情况、管道断面尺寸、埋深和施工环境等因素。
常用的形式有：梯形、矩形、混合型和复合型。
二.沟槽及土方量计算
（一）槽土方量计算
沟槽土方量计算通常采用平均法，由于管径的变化、地面起伏的变化，为了更准确地计算土方量，应沿长度方向分段计算。
（二）基坑土方量计算
基坑土方量可按立体几何中柱体体积公式计算。
三.沟槽及基坑的土方开挖
（一）土方开挖的一般原则
（1）合理确定开挖顺序：保证土方开挖的顺序进行，应结合现场的水文、地质条件，合理确定开挖顺序。如相邻沟槽和基坑开挖时，应遵循先深后浅或同时进行的施工顺序。
（2）土方开挖不得超挖，减小对地基土的扰动。采用机械挖土时，可在设计标高以上留20cm土层不挖，待人工清理。即使采用人工挖土也不得超挖。如果挖好后不能及时进行下一工序时，可在基底标高以上留15cm土层不挖，待下一工序开始前再挖除。
（3）开挖时应保证沟槽槽壁稳定，一般槽边上缘至弃土坡脚的距离应不小于0.8～1.5cm，推土高度不应超过1.5cm。
（4）采用机械开挖沟槽时，应由专人负责掌握挖槽断面尺寸和标高。施工机械离槽边上缘应有一定的安全距离。
（5）软土、膨胀土地区开挖土方或进入季节性施工时，应遵照有关规定。
（二）开挖方法
土方开挖方法分为人工开挖和机械开挖两种方法。为了减轻繁重的体力劳动，加快施工速度，提高劳动生产率，应尽量采用机械开挖。沟槽、基坑开挖常用的施工机械有单斗挖土机和多斗挖土机两个种类。
1.单斗挖土机
单斗挖土机在沟槽或基坑开挖施工中应用广泛，种类很多。按其工作装置不同，分为正铲、反铲、拉铲和抓铲等。按其操纵机构的不同，分为机械式和液压式两类
2.多斗挖土机
多斗挖土机种类:按工作装置分，有链斗式和轮斗式两种;按卸土方法分，有装卸土皮带运输器和未装卸土皮带运输器两种。
（三）开挖质量标准
（1）不扰动天然地基或地基处理符合设计要求。
（2）槽壁平整，边坡坡度符合施工设计规定。
（3）沟槽中心没恻净宽，不应小于管道沟槽底部开挖宽度的一半。
（4）槽底高程应达到允许偏差。
（四）沟槽、基坑土方工程机械化施工方案的选择
大型工程的土方工程施工中应合理地选择机械，使各种机械在施工中配合协调，充分发挥机械效率，保证工程质量、加快施工进度、降低工程成本。
1.制定施工方案的依据
（1）工程类型及规模；
（2）施工现场的工程及水文地质情况；
（3）现有机械设备条件；
（4）工期要求。
2.施工方案的选择
在大型管沟、基坑施工中，可根据管沟、基坑深度、土质、地下水及土方量等情况，结合现有机械设备的性能、适合条件，采取不同的施工方法。
开挖沟槽常优先考虑采用挖沟机，以保证施工质量，加快施工进度。也可以用反向挖土机挖土，根据管沟情况，采取沟端开挖或沟侧开挖。
大型基坑施工可以采用正铲挖土机挖土，自卸汽车运土;当基坑有地下水时，可先用正铲挖土机开挖地下水位以上的土，再用反向铲或拉铲或抓铲开挖地下水位以下的土。采用机械挖土时，为了不使地基土遭到破坏，管沟或基坑底部应留200～300mm厚土层，由人工清理整平。
第四节 沟槽及基坑支撑
一.支撑的目的及要求
支撑的目的就是为防止施工过程中土壁坍塌创造安全的施工条件。支撑是一种由木材做成的临时性挡土结构，一般情况下，当土质较差、地下水位较高、沟槽和基坑较深而又必须挖成直槽时均应支设支撑。支设支撑既可减少挖方量、施工占地面积小，又可保证施工的安全，但增加了材料消耗，有时还影响后续工序操作。
（1）牢固可靠，支撑材料的质地和尺寸合格。
（2）在保证安全可靠的前提下，尽可能节约材料，采用工具式钢支撑。
（3）方便支设和拆除，不影响后续工序的操作。
二.支撑的种类及其使用的条件
在施工中应根据土质、地下水情况、沟槽或基坑深度、开挖方法、地面荷载等因素确定是否支设支撑。
支撑的形式分为水平支撑、垂直支撑和板桩支撑、开挖较大基坑时还采用锚键式支撑等几种。
三.支撑的材料要求
支撑的材料的尺寸应满足设计的要求。一般取决于现场已有材料的规格，施工时常根据经验确定。
（1）木撑板 一般木撑板长2～4m，宽度为20～30cm，厚5cm。
（2）横梁 截面尺寸为10cm×15cm～20cm×20cm。
（3）纵梁 截面尺寸为10cm×15cm～20cm×20cm。
横撑 采用10cm×10cm～15cm×15cm的方木或采用直径大于10cm的圆木。为支撑方便尽可能采用工具式撑杠
四.支撑的支设和拆除
（一）水平支撑和垂直支撑的支设
沟槽挖到一定深度时，开始支设支撑，先校核一下沟槽开挖断面是否符合要求宽度，然后用铁锹将槽壁找平，按要求将撑板紧贴于槽壁上，再将纵梁或横梁紧贴撑板，继而将横撑支设在纵梁或横梁上，若采用木撑板时，使用木模、扒钉将撑板固定于纵梁或横梁上，下边钉一木托防止横撑下滑。支设施工中一定要保证横平竖直，支设牢固可靠。
（二）板桩撑的支设
主要介绍钢板桩的施工过程，板桩施工要正确选择打桩方式、打桩机械和流水段划分，保证打入后的板桩，有足够的刚度，且板桩墙面平直，对封闭式板桩墙要封闭合拢。
（三）支撑的拆除
沟槽或基坑内的施工过程全部完成后，应将支撑拆除，拆除时必须边回填土边拆除，拆除时必须注意安全，继续排除地下水，避免材料的损耗。
水平支撑拆除时，先松动最下一层的横撑，抽出最下一层撑板，然后回填土，回填完毕后再拆除上一层撑板，依次将撑板全部拆除，最后将纵梁拔出。
垂直支撑拆除时，先松动最下一层的横撑，拆除最下一层的横梁，然后回填土。回填完毕后，再拆除上一层横梁，依次将横梁拆除。最后拔出撑板或板桩，垂直撑板或板桩一般采用导链或吊车拔出。
第五节 土方回填
一.回填土方夯实方法
沟槽回填土穷实通常采用人工夯实和机械夯实两种方法。 管顶50cm以下部分返土的务实，应采用轻夯，夯击力不应过太，防止损坏管壁与接口，可采用人工夯实。管顶50cm以上部分返土的夯实，应采用机械夯实。
1.蛙式夯
由劳头架、拖盘、电动机和传动减速机构组成。该机具轻便、构造简单，目前广泛采用。
2.内燃打夯机
又称"火力夯"，一般用来夯实沟槽、基坑、墙边墙角，同时返土方便。
3.履带式打夯机
用履带起重机提升重锤，秀锤重9.8-39. 2kN，夯击高度为1.5～5.0m。夯实土层的厚度可达3m，它适用于沟槽上部务实或大面积夯土工作。
4.压路机
沟槽上层穷实，常采用轻型压路机，工作效率较高。碾压的重叠宽度不得小于20cm。
二.土方回填的施工
沟槽回填前，应建立回填制度。根据不同的穷实机具、土质、密实度要求、穷击遍 数、走穷形式等确定返土厚度和务实后厚度。
沟槽回填前，管道基础混凝土强度和抹带水泥砂浆接口强度不应小于5MPa，现浇混 凝土管渠的强度达到设计规定;砖沟或管渠顶板应装好盖板。
沟槽回填顺序，应按沟槽排水方向由高向低分层进行
第六节 土石方工程冬、雨期施工
一.土石方工程的冬期施工
在土壤冻结之前，采取一定的措施使土壤免遭冻结或减少冻结深度，常采用和松法和覆盖法。
（一）土壤保温法
1.表土耙松法
将表层土翻松，作为防冻层，减少土壤的冻结深度。根据经验，翻松的深度应不小于30cm。
2.覆盖法
用隔热材料覆盖在开挖的沟槽(基坑)上面，作为保温层以缓解减少冻结，常用的保温材料一般为干砂、锯末、草叶等。其厚度视气温而定，一般为15～20cm。
（二）冻土破碎法
冻土破碎采用的机具和方法，应根据土质、冻结深度、机具性能和施工条件等到确定，常用重锤击碎二冻土爆破等方法。
1.重锤击碎法
重锤由吊车做起重架，重锤下落锤击冻结的土壤。
重锤击碎法适用于冻结深度较小的土壤。
重锤击土振动较大，在市区或靠近精密仪表、变压器等处，不宜采用。
2.冻土爆破法
冻土爆破法常用爆破炮孔垂直设置，炮孔深度一般为冻土层厚度的0.7~0. 8倍，炮孔间距和排距应根据炸药性能、炮孔直径和起爆方法确定。
（三）回填
由于冻土孔隙率比较大，土块坚硬，压实困难，当冻土解冻后往往造成很大沉降，因此冬季回填土时应注意以下几点：
（1）沟槽（基坑）可用含有冻土块的土回填，但冻土块体积不超过填土总体积的15%。
（2）低至管顶0.5m范围内不得用含有冻土块的回填土；
（3）位于铁路、公路及人行道路两侧范围内的平整填方，可用含有冻土块的分层回填，但冻土块尺寸不得大于10cm，而且冻土块的体积不得超过回填土繁总体积的15%。
二.土石方工程的雨期施工
（1）雨期施工的工作面不宜过大，应逐段完成，尽可能减少雨水对施工的影响；雨期施工前，应检查原有排水系统，保证排水畅通，防止地面水流入沟槽，应在沟槽地势高一侧设挡墙或排水沟；
（2）雨期施工时，应落实技术安全措施，保证施工质量，使施工顺利进行；
（3）雨期施工时，应保证现场运输道路畅通，道路路面应加铺炉渣、砂砾和其他防滑材料；
（4）雨期施工时，应保证边坡稳定，边坡应缓一些或加设支撑，并加强对边坡和支撑的检查；
雨期施工时，对横跨沟槽的便桥应进行加固，钉防滑木条。
第七节 土石方工程的质量要求及安全技术
一.土石方工程的质量要求
（1）槽（基坑）的基底的土质，必须符合设计要求，严禁扰动；
（2）土石方的基底处理，必须符合设计要求和施工规范的规定；
（3）填方时，应分层夯实，其控制干密度或压实系数应满足要求；
（4）土方工程外形尺寸的允许偏差及检验方法。
二.土石方工程的安全技术
（1）了解场地内的各种障碍物，在特殊危险地区中，挖土应采用人工开挖，并做好安全防护措施。
（2）开挖基槽时，两人操作间距不小于2.5m，多台机械开挖时，挖土机间距应小于10m，挖土应由上而下，逐层进行，严禁采取先挖底脚或掏洞的操作方法。
（3）通过沟槽的通道应有便桥，便桥应牢固可靠，并设有扶手栏杆和防滑条。
（4）在市区主要干道下开挖沟槽时，在沟槽两侧应设有护屏，对横穿道路的沟槽，夜间应设有红色信号灯。
（5）开挖沟槽时，应根据土质和挖深严格要求放坡，开挖后的土应堆放在距沟槽上口边缘1.0m以外，堆土高度不超过1.5m。
（6）在较深的沟槽下作业时应戴安全帽，应设上下梯子。
（7）吊运土方时，吊用工具应完好牢固，起吊时下方严禁有人。
（8）当沟槽支设支撑后，严禁人员攀登，特别是雨后应加强检查。
（9）开挖沟槽时应随时注意土壁变化情况，如有裂纹或部分拥塌现象时，应及时采取措施。
（10）所需材料应堆放在距沟槽上口边缘lOm以外的地方
（11）沟槽回填土时，支撑的拆除应与回填配合进行，在保证安全的前提下，尽量节约材料。当土石方工程施工难度大时，要编制安全施工的技术措施，向施工人员进行技术交底，严格按施工操作规程进行。