任务1.2 土方开挖与回填压实
1.2.1 土石的分类
从施工的角度看,按开挖的难易程度可把土石共分为八类,其中土分为松软土、普通土、坚土和砂砾坚土四类,石分为软石、次坚石、坚石和特坚石四类,见表1-6。类别不同,开挖的方法和手段、运用的机具、用工和费用都不同。土质越硬,消耗的机械作业量和劳动量越多,工程费用越高。
表1-6 土石坚硬程度等级的定性分类
1.2.2 基坑(槽)开挖
坑槽的土方开挖,一般采用机械开挖、人工修整的方式。土方施工常用机械有推土机、铲运机、挖掘机(包括正铲、反铲、拉铲、抓铲等)、装载机等。为了充分提高机械效率,节省机械费用,要根据基础的形式、工程规模、开挖深度、地质情况、地下水情况、土方量、运距、现场条件、机具设备条件、工期要求及土方机械的特点等综合考虑来合理选择施工机械。
1.基坑(槽)开挖施工工艺流程
基坑(槽)开挖施工工艺流程如图1.8所示。
图1.8 基坑(槽)开挖施工工艺流程
2.施工要点
(1)浅基坑(槽)开挖,应先进行测量定位,抄平放线,定出开挖长度。
(2)按放线分块(段)、分层挖土。根据土质和水文情况,采取在四侧或两侧直立开挖或放坡,以保证施工操作安全。
(3)在地下水位以下挖土,应在基坑(槽)四侧或两侧挖好临时排水沟和集水井,或采用井点降水,将水位降低至坑(槽)底以下500mm,以便土方开挖。降水工作应持续到基础(包括地下水位下回填土)施工完成。雨季施工时,基坑(槽)应分段开挖,挖好一段浇筑一段垫层,并在基槽两侧围以土堤或挖排水沟,以防地面雨水流入基坑(槽),同时应经常检查边坡和支撑情况,以防止坑壁受水浸泡造成塌方。
(4)基坑开挖应尽量防止对地基土的扰动。当基坑挖好后不能立即进行下道工序时,应预留15~30cm的一层土不挖,待下道工序开始再挖至设计标高。采用机械开挖基坑时,为避免破坏基底土,应在基底标高以上预留15~30cm的土层由人工挖掘修整。
(5)基坑开挖时,应对平面控制桩、水准点、基坑平面位置、水平标高、边坡坡度等经常复测检查。
(6)基坑挖完后应进行验槽,做好记录,当发现地基土质与地质勘探报告、设计要求不符时,有关人员应及时研究处理。
3.工作重点
(1)当土质为天然湿度、构造均匀、水文地质条件良好(即不会发生坍滑、移动、松散或不均匀下沉),且无地下水时,开挖基坑可不必放坡,采取直立开挖不加支撑,但容许深度应符合表1-7的规定,基坑长度应稍大于基础长度。如超过表1-7规定的容许深度,应根据土质和施工具体情况进行放坡,以保证不塌方,其临时性挖方的边坡值可按表1-8采用。放坡后基坑上口宽度由基坑底面宽度及边坡坡度决定,坑底宽度每边应比基础宽出15~30cm,以便施工操作。开挖宽度较大的基坑,当在局部地段无法放坡,或下部土方受到基坑尺寸限制不能放较大坡度时,应在下部坡脚采取加固措施,如采用短桩与横隔板支撑,或砌砖、毛石,或用编织袋、草袋装土堆砌临时矮挡土墙,以保护坡脚。
表1-7 基坑(槽)和管沟不加支撑时的容许深度
表1-8 临时性挖方的边坡值
(2)当开挖基坑(槽)的土体含水率大而不稳定,或基坑较深,或受到周围场地限制而需用较陡的边坡,或直立开挖而土质较差时,应采用临时性支撑加固,支撑方法见表1-9。基坑(槽)每边的宽度应比基础宽15~20cm,以便于设置支撑加固结构。挖土时,土壁要求平直,挖好一层,支撑一层。挡土板要紧贴土面,并用小木桩或横撑木顶住挡板。
(3)基坑、基槽、管沟的支撑方法见表1-9。
表1-9 基坑、基槽、管沟的支撑方法
4.土的可松性
自然状态下的土称为原状土,开挖后土颗粒变松散,体积增大,如再将其用于回填,虽经压实仍不能恢复至与原状土相同的体积,土的这种经扰动而体积改变的性质称为土的可松性。用于表达土的可松性程度的系数称为可松性系数,它又可以分为最初可松性系数和最终可松性系数,分别表示为:
式中Ks——最初可松性系数;
K′s——最终可松性系数;
V1——原状土体积;
V2——土经开挖后的松散体积;
V3——土经回填压实后的体积。
土的可松性对土方量的平衡调配、确定场地设计标高、计算运土机具的数量等均有直接影响。
【例1-3】某工程需开挖一段沟槽,沟槽宽2m,深2m,长100m,已知土的可松性系数Ks=1.3,K′s=1.05,为坚硬性黏性土,安装直径1200mm的混凝土排水管后土方要回填压实。
(1)请计算挖方量。
(2)留下回填土后,其余要全部运走,请计算预留填土量及弃土量。
(3)用8m3的自卸汽车运土,要装多少车?
(4)用什么机械开挖和回填压实?请设计施工方案。
【解】(1)挖方量V1=2×2×100=400(m3)。
(2)V2=KsV1=1.3×400=520(m3)
管道体积=πR2×100=3.14×0.6×0.6×100=113.04(m3)
V3=400-113.04=286.96(m3)
V′1=V3/K′s=286.96/1.05=273.3(m3)
预留填土量=V′2=1.3×273.3=355.3(m3)
弃土量=V2-V′2=520-355.3=164.7(m3)
(3)装车数=164.7/8≈21(车)。
(4)用反铲挖土机,沟端开挖,车后或车旁卸土;用振动打夯机分层碾压。
1.2.3 深基坑土方开挖方案
1.放坡挖土
放坡开挖是最经济的挖土方案。当基坑开挖深度不大(软土地区挖深不超过4m,地下水位低的土质较好地区挖深也可较大)、周围环境又允许时,均可采用放坡开挖,放坡坡度经计算确定。
1)深基坑土方开挖施工工艺流程
深基坑土方开挖施工工艺流程如图1.9所示。
图1.9 深基坑土方开挖施工工艺流程
2)施工要点
(1)开挖深度较大的基坑,宜设置多级平台分层开挖,每级平台的宽度不宜小于1.5m。
(2)如有地下水,放坡开挖应采取有效措施降低坑内水位和排除地表水,防止地表水和坑内排出的水倒流渗入基坑。在地下水位较高的软土地区,应在降水达到要求后再进行土方开挖。采用分层开挖的方式进行开挖时,分层挖土厚度不宜超过2.5m。挖土时要注意保护工程桩,防止碰撞或因挖土过快、高差过大而使工程桩受侧压力而倾斜。对土质较差且施工工期较长的基坑,对其边坡宜采用钢丝网水泥喷浆或用高分子聚合材料覆盖等措施进行护坡。
(3)采用机械挖土时,坑底应保留200~300mm厚基土,用人工清理整平,防止坑底土受扰动。待挖至设计标高后,应清除浮土,经验槽合格后,及时进行垫层施工。
(4)放坡开挖要验算边坡稳定性,坑顶不宜堆土或堆载(材料或设备),遇有不可避免的附加荷载时,在进行边坡稳定性验算时,应计入附加荷载的影响。
2.中心岛(墩)式挖土
中心岛(墩)式挖土(图1.10),宜用于大型基坑,支护结构的支撑形式为角撑、环梁式或边桁(框)架式,在中间具有较大空间的情况下,可利用中间的土墩作为支点搭设栈桥。挖土机可利用栈桥下到基坑挖土,运土的汽车也可利用栈桥进入基坑运土。这样可以加快挖土和运土的速度。
1)中心岛(墩)式挖土施工工艺流程
中心岛(墩)式挖土施工工艺流程如图1.11所示。
图1.10 中心岛(墩)式挖土(单位:m)
图1.11 中心岛(墩)式挖土施工工艺流程
2)施工要点
(1)中心岛(墩)式挖土,中间土墩的留土高度、边坡的坡度、挖土层次与高差都要经过仔细研究确定。由于在雨季遇有大雨时,土墩边坡易滑坡,必要时需对边坡进行加固。
(2)挖土应分层开挖,多数是先全面挖去第一层,然后中间部分留置土墩,周围部分进行分层开挖,开挖多用反铲挖土机。如基坑深度大,则用向上逐级传递的方式进行装车外运。
(3)整个土方的开挖顺序,要遵循开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖的原则。挖土时,除支护结构设计允许外,挖土机和运土车辆不得直接在支撑上行走和操作。
(4)土方挖至设计标高后,对有钻孔灌注桩的工程,宜边破桩头边浇筑垫层,尽可能早一些浇筑垫层,以便利用垫层(必要时可加厚作配筋垫层)对围护墙起支撑作用,以减少围护墙的变形。
(5)挖土机挖土时严禁碰撞工程桩、支撑、立柱和降水的井点管。分层挖土时,层高不宜过大,以免土方侧压力过大使工程桩变形倾斜,在软土地区尤为重要。
3.盆式挖土
盆式挖土如图1.12所示,是先开挖基坑中间部分的土,周边留土坡,最后挖除土坡。
图1.12 盆式挖土
1)盆式挖土施工工艺流程
盆式挖土施工工艺流程如图1.13所示。
图1.13 盆式挖土施工工艺流程
2)施工要点
(1)盆式挖土方式的优点是周边的土坡对围护墙有支撑作用,有利于减少围护墙的变形。其缺点是大量的土方不能直接外运,需集中提升后装车外运。
(2)盆式挖土周边留置的土坡,其宽度、高度和坡度大小由计算确定。留得过小,对围护墙支撑作用不明显,失去盆式挖土的意义;如坡度太陡,则不利于边坡稳定,在挖土过程中可能失稳滑动,不但会失去对围护墙的支撑作用,影响施工,而且有损于工程桩的质量。
4.深基坑开挖注意事项及应急处理
(1)应防止深基坑挖土后土体回弹变形过大。
(2)应防止边坡失稳,防止桩位移和倾斜。
(3)应配合深基坑支护结构施工。
(4)土方开挖有时会使围护墙或邻近建筑物、管线等产生一些异常现象,此时需要配合有关人员及时进行处理,处理措施见表1-10。
表1-10 深基坑开挖时异常现象的处理措施
1.2.4 土方回填压实
1.土方回填压实施工工艺流程
土方回填压实施工工艺流程如图1.14所示。
图1.14 土方回填压实施工工艺流程
2.施工要点
1)土料要求与含水率控制
填方土料应符合设计要求,以保证填方的强度和稳定性。当设计无要求时,应符合以下规定:①碎石类土、砂土和爆破石渣(粒径不大于每层铺土厚的2/3),可作为表层下的填料;②含水率符合压实要求的黏性土,可作各层填料;③淤泥和淤泥质土,一般不能用作填料。
填土土料含水率的大小直接影响到夯实(碾压)质量,在夯实(碾压)前应先试验,以得到符合密实度要求条件下的最优含水率和最少夯实(碾压)遍数。含水率过小,容易夯压(碾压)不实;含水率过大,则易成橡皮土。土料含水率一般以手握成团,落地开花为适宜。如土料含水率过大,则应采取翻松、晾干、风干、换土回填、掺入干土或其他吸水性材料等措施;如土料含水率小,可采取增加压实遍数或使用大功率压实机械等措施;如土料过干,则应预先洒水润湿。
在气候干燥时,须加速挖土、运土、平土和碾压过程,以减少土的水分散失。当填料为碎石类土(充填物为砂土)时,碾压前应充分洒水湿透,以提高压实效果。
2)基底处理
(1)场地回填应先清除基底上的垃圾、草皮、树根,排除坑穴中的积水、淤泥和杂物,并应采取措施防止地表清水流入填方区,浸泡地基,造成地基土下陷。
(2)当填方基底为耕植土或松土时,应将基底充分夯实和碾压密实。
(3)当填方位于水田、沟渠、池塘或含水量很大的松散土地段时,应根据具体情况,采取措施排水疏干,或采取将淤泥全部挖出换土、抛填片石、填砂砾石、翻松、掺石灰等措施进行处理。
(4)当填土场地地面坡度陡于1/5时,应先将斜坡挖成阶梯形,阶高0.2~0.3m,阶宽大于1m,然后分层填土,防止滑动。
3)人工填土要求
用手推车送土,用铁锹、耙、锄等工具进行回填土作业。填土应从场地最低部分开始,由一端向另一端自下而上分层铺填。每层虚铺厚度,用人工木夯夯实时不大于20cm,用打夯机械夯实时不大于25cm。深浅坑(槽)相连时,应先填深坑(槽),填平后再与浅坑全面分层填夯。如采取分段填筑,交接处应填成阶梯形。墙基及管道回填时应在两侧用细土同时均匀回填、夯实,防止墙基及管道中心线位移。
夯填土采用人工按次序进行,一夯压半夯。较大面积人工回填用打夯机夯实。两机平行时其间距不得小于3m;在同一夯打路线上,前后间距不得小于10m。
4)机械填土要求
铺土应分层进行,每次铺土厚度为30~50cm(视所用压实机械的要求而定)。每层铺土后,利用填土机械将地表面刮平。填土程序一般尽量采取横向或纵向分层卸土,以利行驶时初步压实。
5)填土的压实
(1)填方的密实度要求和质量指标通常以压实系数λc表示,密实度一般由设计人员根据工程结构性质、使用要求及土的性质确定,如未做规定,可参考表1-11确定。
表1-11 压实填土的质量控制指标
(2)填土应尽量采用同类土填筑,并宜控制土的含水率在最优含水率范围内。当采用不同的土填筑时,应按土类有规则地分层铺填,将透水性大的土层置于透水性较小的土层之下,不得混杂使用。边坡不得用透水性较小的土封闭,以利水分排除和基土稳定,并避免在填方内形成水囊和产生滑动现象。
(3)填土应从最低处开始,由下向上分层铺填碾压或夯实。
(4)在地形起伏之处,应做好接槎。填筑1:2阶梯形边坡,每个台阶可取高50cm、宽100cm。分段填筑时每层接缝处应做成大于1:1.5的斜坡,碾迹重叠0.5~1.0m,上下层错缝距离不应小于1m。接缝部位不得在基础、墙角、柱墩等重要部位。
(5)填土应预留一定的下沉高度,以备在行车、堆重或干湿交替等自然因素作用下,土体逐渐沉落密实。预留沉降量根据工程性质、填方高度、填料种类、压实系数和地基情况等因素确定。当土方用机械分层夯实时,其预留下沉高度(以填方高度的百分数计),砂土为1.5%,粉质黏土为3%~3.5%。
6)压实排水要求
(1)填土层如有地下水或滞水时,应在四周设置排水沟和集水井,将水位降低。
(2)已填好的土如遭水浸,应将稀泥铲除后,方能进行下一道工序。
(3)填土区应保持一定横坡,或中间稍高两边稍低,以利排水。当天填土,应在当天压实。
3.质量检查
(1)填土施工过程中应检查排水措施、每层填筑厚度、含水率控制和压实程序。
(2)对有密实度要求的填方,在夯实或压实之后,要对每层回填土的质量进行检验,一般采用环刀法(或灌砂法)取样测定;或用小型轻便触探仪直接通过锤击数来检验干密度和密实度,符合设计要求后,才能填筑上层。
(3)基坑和室内填土,每层按100~500m2取样一组;场地平整填方,每层按400~900m2取样一组;基坑和管沟回填每20~50m2取样一组,但每层均不少于一组,取样部位在每层压实后的下半部。用灌砂法取样应为每层压实后的全部深度。
(4)填方施工结束后应检查标高、边坡坡度、压实程度等,其质量检验标准见表1-12。
表1-12 填土工程质量检验标准
单位:mm
1.2.5 基坑监测
在基坑开挖与支护结构使用期间,对较重要的支护结构需要进行监测。通过对支护结构和周围环境的监测,能随时掌握土层和支护结构内力的变化情况,以及邻近建筑物、地下管线和道路的变形情况。
1.支护结构的监测
支护结构的监测项目与监测方法见表1-13。
表1-13 支护结构的监测项目与监测方法
2.周围环境的监测
受基坑挖土等施工的影响,基坑周围的地层会发生不同程度的变形,对周围的建筑物、道路、地下管线都可能产生影响。特别是在软弱复杂的地层施工时,因基坑开挖、降水、地下结构的施工会引起地层变形,对周围环境产生不利影响。因此在进行基坑支护结构监测的同时,还必须对周围的环境进行监测。监测的内容主要包括坑外地形的变形、邻近建筑物的沉降和倾斜、地下管线的沉降和位移等。
1.2.6 排水与降水
在基坑工程施工过程中,要通过采取合理的排水、降水措施来降低地下水,以满足支护结构和挖土施工的要求,同时保证不因地下水位的变化对基坑周围的环境和设施带来危害。
基坑开挖深度浅时,可边开挖边用排水沟和集水井进行集水明排。在软土地区,基坑开挖深度超过3m时,一般就要用井点降水。当因降水危及基坑及周边环境安全时,可采用截水或回灌方法。
当基坑底为隔水层且层底作用有承压水时,应进行坑底突涌验算,必要时可采取水平封底隔渗或钻孔减压措施,以保证坑底土层稳定。
1.集水明沟法
当基坑开挖深度不大,基坑涌水量不大时,常采用集水明排法(图1.15),此方法简单、经济。
明沟、集水井排水多是在基坑的两侧或四周设置排水明沟,在基坑四角或每隔30~40m设置集水井,使基坑渗出的地下水通过排水明沟汇集于集水井内,然后用水泵将其排出基坑外。排水明沟宜布置在拟建建筑基础边0.4m以外,沟边缘离开边坡坡脚应不小于0.3m;排水明沟的底面应比挖土面低0.3~0.4m。集水井底面应比沟底面低0.5m以上,并随基坑的挖深而加深,以保持水流畅通。
2.降水
降水即在基坑土方开挖之前,用真空(轻型)井点、喷射井点或管井深入含水层内,用不断抽水方式使地下水位下降至坑底以下,同时使土体产生固结以方便土方开挖。当基坑(槽)宽度小于6m,且降水深度不超过6m时,可采用单排井点,布置在地下水上游一侧;当基坑(槽)宽度大于6m,或土质不良、渗透系数较大时,宜采用双排井点,布置在基坑(槽)的两侧;当基坑(槽)面积较大时,宜采用环形井点,可在地下水的下游方向留置挖土运输通道。井点布置如图1.16所示。
3.回灌技术
(1)采用回灌井点。降水对周围环境的影响,是由土壤内地下水流失造成的。回灌井点技术即在降水井点和要保护的建(构)筑物之间打设一排井点,在降水井点抽水的同时,通过回灌井点向土层内灌入一定数量的水(即降水井点抽出的水),形成一道隔水帷幕,从而阻止或减少回灌井点外侧被保护的建(构)筑物基础的地下水流失,使地下水位基本保持不变,这样就不会因降水使地基自重应力增加而引起地面沉降。
图1.15 集水明排法
图1.16 井点布置(单位:mm)
采用回灌井点时,回灌井点与降水井点的距离不宜小于6m。回灌水量要适当,过小无效,过大会从边坡或钢板桩缝隙流入基坑。图1.17所示为回灌技术示意。
图1.17 回灌技术示意
(2)采用砂沟、砂井回灌。在降水井点与被保护建(构)筑物之间设置砂井作为回灌井,沿砂井布置一排砂沟,将降水井点抽出的水,适时、适量地排入砂沟,再经砂井回灌到地下。实践证明该法也能收到良好效果。
4.截水
截水即利用截水帷幕,切断基坑外的地下水流入基坑内部,如图1.18所示。截水帷幕通常用注浆法、旋喷法、深层搅拌水泥土桩墙等形成。
图1.18 截水