排水与降水

1　土方工程

本章导读：

●基本要求　了解土方工程的施工特点；掌握场地平整施工中的竖向规划设计、土方量计算、土方调配和施工；掌握基坑开挖施工中的降低地下水位原理及方法；掌握边坡稳定原理,了解常用支护结构类型；熟悉常用土方机械的性能和使用范围；掌握填土压实和路基填筑的要求和方法；了解爆破施工原理及方法。

●重点　场地平整施工中的竖向规划设计、土方量计算、土方调配；井点降水原理及方法,边坡稳定原理及常用支护结构类型；土方机械的性能和使用范围；填土压实和路基填筑的要求和方法。

●难点　场地平整施工中的竖向规划设计、土方量计算、土方调配；井点降水原理及方法。

1.1　概　述

在土木工程中,常见的土方工程有：场地平整,基坑、基槽与管沟的开挖与回填；人防工程、地下建筑物或构筑物的土方开挖与回填；地坪填土与碾压；路基填筑等。此外,还包括排水、降水、土壁支撑等准备工作和辅助工程。

1.1.1　土的工程分类

土的分类繁多,其分类法也很多,如按土的沉积年代、颗粒级配、密实度、液性指数等分类。在土木工程施工中,按土的开挖难易程度将土分为8类：松软土、普通土、坚土、砾砂坚土、软石、次坚石、坚石和特坚石。

1.1.2　土的工程性质

土的工程性质对土方工程施工有直接影响,也是进行土方施工设计必须掌握的基本资料。土的主要工程性质有：土的质量密度、土的含水量、土的渗透性、土的可松性、原状土经机械压实后的沉降量、土的抗剪强度、土压力等,其中对施工影响较大的有土的质量密度、含水量、渗透性和可松性等。

1)土的质量密度

土的质量密度分为土的天然密度和干密度。土的天然密度,是指土在天然状态下,单位体积土的质量。它与土的密实程度和含水量有关。土的天然密度按下式计算：

干密度是土的固体颗粒质量与总体积的比值,用下式表示：

在一定程度上,土的干密度反映了土的颗粒排列紧密程度。土的干密度愈大,表示土愈密实。土的密实程度主要通过检验填方土的干密度和含水量来控制。

2)土的含水量

土的含水量是指土中水的质量与固体颗粒质量之比的百分率,它反映了土的干湿程度。

土的含水量随气候条件、雨雪和地下水的影响而变化,对土方边坡的稳定性及填方密实程度有直接的影响。

3)土的渗透性

土的渗透性是指土体被水透过的性质,一般用渗透系数K表示。渗透系数表示单位时间内水穿透土层的能力,以m/d表示；它与土的颗粒级配、密实程度等有关,是人工降低地下水位及选择各类井点的主要参数。

4)土的可松性

土具有可松性,即自然状态下的土,经过开挖后,其体积因松散而增大,以后虽经回填压实,仍不能恢复。土的可松性程度用可松性系数表示,即：

在土方工程中,土的最初可松性系数KS是计算车辆装运土方体积及挖土机械的主要参数；土的最后可松性系数K′S是计算填方所需挖土工程量的主要参数。

1.2　土方工程量的计算与调配

在土方工程施工之前,通常要计算土方的工程量。但土方工程的外形往往复杂,不规则,要得到精确的计算结果很困难。一般情况下,都将其假设或划分成为一定的几何形状,并采用具有一定精度而又和实际情况近似的方法进行计算。

1.2.1　基坑(槽)和路堤的土方量计算

基坑的土方量可按立体几何中的拟柱体(由两个平行的平面作底的一种多面体)体积公式计算(图1.1),即

基槽和路堤的土方量可沿长度方向分段后,再用同样的方法计算(图1.2),即

图1.1　基坑土方量计算

图1.2　基槽土方量计算

L1——第一段的长度,m。

将各段土方量相加即得总土方量：

V=V1+V2+V3+…+Vn　　　　　　(1.7)

1.2.2　场地平整土方量的计算

大型工程项目通常都要确定场地设计平面,进行场地平整。场地平整就是将自然地面改造成人们所要求的设计平面。由设计平面的标高和天然地面的标高之差,可以得到场地各点的施工高度,由此可计算场地平整的土方量。

场地平整土方量计算有方格网法和横截面法两种。横截面法是将要计算的场地划分成若干横截面后,用横截面计算公式逐段计算,最后将逐段计算结果汇总。横截面法计算精度较低,可用于地形起伏变化较大地区。对于地形较平坦地区,一般采用方格网法。方格网法计算场地平整土方量的步骤如下：

1)场地设计标高的确定

确定场地设计标高时应考虑以下因素：a.满足建筑规划和生产工艺及运输的要求；b.尽量利用地形,减少挖填方数量；c.场地内的挖填土方量力求平衡,使土方运输费用最少；d.有一定的排水坡度,满足排水要求。

如设计文件对场地设计标高无明确规定和特殊要求,可参照下述步骤和方法确定：

(1)初步计算场地设计标高

初步计算场地设计标高的原则是场地内挖填方平衡,即场地内挖方总量等于填方总量。

如图1.3所示,将场地地形图划分为边长a=10～40m的若干个方格。每个方格的角点标高,在地形平坦时,可根据地形图上相邻两条等高线的高程,用插入法求得；当地形起伏较大(用插入法有较大误差)或无地形图时,则可在现场用木桩打好方格网,然后用测量的方法求得。

图1.3　场地设计标高计算示意图
1—等高线；2—自然地面；3—设计标高平面；4—自然地面与设计标高平面的交线(零线)

按照挖填平衡原则,场地设计标高可按下式计算：

由图1.3可见,H11系1个方格的角点标高；H12、H21系相邻2个方格公共角点标高；H22则系相邻的4个方格的公共角点标高。如果将所有方格的4个角点标高相加,则类似H11这样的角点标高加1次,类似H12的角点标高加2次,类似H22的角点标高要加4次。因此,上式可改写为：

(2)场地设计标高的调整

按上式计算的设计标高H0系一理论值,实际上还需考虑以下因素进行调整：

①由于土具有可松性,按H0进行施工,填土将有剩余,必要时可相应地提高设计标高,以达到土方量的实际平衡。

②由于设计标高以上的填方工程用土量,或设计标高以下的挖方工程挖土量的影响,使设计标高降低或提高。

③由于边坡挖填方量不等,或经过经济比较后将部分挖方就近弃于场外,部分填方就近从场外取土而引起挖填土方量的变化,需相应地增减设计标高。

(3)考虑泄水坡度对角点设计标高的影响

按上述计算及调整后的场地设计标高进行场地平整时,则整个场地将处于同一水平面,但实际上由于排水的要求,场地表面均应有一定的泄水坡度。因此,应根据场地泄水坡度的要求(单向泄水或双向泄水),计算出场地内各方格角点实际施工时所采用的设计标高。

①单向泄水时,场地各方格角点设计标高的计算。场地用单向泄水时,以计算出的设计标高H0作为场地中心线(与排水方向垂直的中心线)的标高(图1.4a),场地内任意一点的设计标高为：

例如,图1.4(a)中角点10的设计标高为：

H10=H0-0.5ai

②双向泄水时,场地各方格角点设计标高的计算。场地用双向泄水时,以H0作为场地中心点的标高(图1.4b),场地内任意一点的设计标高为：

图1.4　场地泄水坡度示意图

例如,图1.4(b)中角点10的设计标高为：

H10=H0-0.5aix-0.5aiy

2)场地土方量计算

大面积场地平整的土方量,通常采用方格网法计算。即根据方格网各方格角点的自然地面标高和实际采用的设计标高,算出相应的角点填挖高度(施工高度),然后计算每一方格的土方量,并算出场地边坡的土方量。这样便可求得整个场地的填、挖土方总量。其步骤如下：

(1)计算各方格角点的施工高度

施工高度为角点设计地面标高与自然地面标高之差,是以角点设计标高为基准的挖方或填方的高度。各方格角点的施工高度按下式计算：

(2)计算“零点”位置,确定零线

若方格边线一端施工高程为“+”,另一端为“-”,则沿其边线必然有一不挖不填的点,即为“零点”(图1.5)。

零点位置按下式计算：

图1.5　零点位置计算示意图

a——方格网的边长,m。

将相邻的零点连接起来,即为零线。它是确定方格中挖方与填方的分界线。

(3)计算方格土方工程量

计算场地土方量时,先求出各方格的挖、填土方量和场地周围边坡的挖、填土方量,把挖、填土方量分别累加起来,就得到场地挖方及填方的总土方量。

各方格土方工程量的计算,常采用“四方棱柱体法”和“三角棱柱体法”2种方法。下面仅介绍四方棱柱体法。

①全挖(全填)方格

方格四个角点全部为挖或全部为填[图1.6(a)]时,其挖或填的土方量为：

图1.6　四方棱柱体法的体积计算

②部分挖部分填方格

方格的四个角点,部分是挖方、部分是填方[图1.6(b)、(c)]时,该方格的挖方量或填方量为：

1.2.3　土方调配

土方调配是场地平整施工设计的一个重要内容,在场地平整土方工程量计算完成后即可进行。土方调配的目的是在使土方总运输量(m3·m)最小或土方运输成本(元)最小的条件下,确定填挖方区土方的调配方向和数量,从而达到缩短工期和降低成本的目的。

1)土方调配原则

①应力求达到挖方与填方基本平衡和就近调配,使挖方量与运距的乘积之和尽可能为最小,即土方运输量或费用最小。

②土方调配应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,以避免重复挖运和场地混乱。

③合理布置挖填方分区线,选择恰当的调配方向、运输线路,使土方机械和运输车辆的性能得到充分发挥。

④好土用在回填质量要求高的地区。

⑤土方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。

总之,进行土方调配,必须根据现场具体情况、有关技术资料、工期要求、土方施工方法与运输方法综合考虑,并按上述原则,经计算比较,来选择经济合理的调配方案。

2)土方调配图表的编制

场地土方调配,需作成相应的土方调配图表,其编制的方法如下：

(1)划分调配区

在场地平面图上先画出挖填方区的分界线(零线),并将挖填方区适当划分成若干调配区,调配区的大小应与方格网及拟建工程结构的位置相协调,并应满足土方及运输机械的技术性能要求,使其功能得到充分发挥。

(2)计算土方量

按前述计算方法,计算各调配区的土方量,并标注在图上。

(3)计算每对调配区之间的平均运距

平均运距即挖方区土方重心至填方区土方重心的距离。因此,确定平均运距前需先求出各个调配区的土方重心。其计算方法如下：取场地或方格网的纵横两边为坐标轴,分别求出各调配区土方的重心位置,即：

当地形复杂时,也可用形心位置代替重心位置。

每对调配区之间的平均运距可近似按下式求得：

也可在重心位置求出后,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。

(4)确定土方最优调配方案

可以根据每对调配区的平均运距L0,绘制多个调配方案,比较不同方案的总运输量Q= ΣV·L0,以Q最小者为最优调配方案。

土方调配可以采用线性规划中的“表上作业法”进行,该方法直接在土方量平衡表上进行调配,简便科学,可求得最优调配方案。

下面结合一个例子,说明用“表上作业法”求最优调配方案的步骤。

已知某场地有4个挖方区和3个填方区,各区的挖填土方量和各调配区之间的运距如图1.7所示,试求土方调配最优方案。

图1.7　各调配区的土方量和平均运距

①编制初始调配方案

初始方案的编制采用“最小元素法”,即对应于运距Cij最小的土方量Xij取最大值,由此逐个确定调配方格的土方量及不进行调配的方格。

首先将图1.7中的土方量及运距填入土方平衡运距表中(表1.1)。

表1.1　土方平衡运距表

续表

注：表中小方格内的数字为平均运距,单位为m,Xij表示i挖方区调入j填方区的土方量,单位为m3。

在运距表小方格中找一个最小数值。找出来后确定此最小运距所对应的土方量,使其尽可能的大。由表中可知C22=C43=40为最小,在这两个最小运距中任取一个,现取C43=40,所对应的需调配的土方量X43,从表中可知对应X43最大的挖方量是400,即把W4挖方区的土方全部调到T3填方区,而W4的土方全部运往T3就不能满足X41、X42的需要了,所以X41=X42=0。将400填入X43格内,同时将X41、X42格内画上一个“×”号。然后在没有填上数字和“×”号的方格内再选一个运距最小的方格,即C22=40,便可确定X22=500,同时使X21=X23=0。此时,又将500填入X22格内,并在X21、X23格内画上一个“×”号。重复上述步骤,依次确定其余Xij的数值,最后得出表1.2所示的初始调配方案。

表1.2　初始调配方案

②最优方案判别

最优方案要求总运输量最小,因此还需要判别初始调配方案是否为最优方案。判别的方法有“闭回路法”和“位势法”,其实质相同,都是用检验数λij来判别。只有当全部检验数λij≥0,该方案才是最优方案。否则该方案不是最优方案,需要进行调整。

首先求出表中各个方格的假想系数c′ij,有调配土方的假想系数c′ij=cij,无调配土方方格的假想系数用下式计算：

c′ef+c′pq=c′eq+c′pf 　　　　(1.19)

式(1.19)的意义是构成任一矩形的4个方格内对角线上2方格的假想系数之和相等。利用已知的假想系数,组合适当的方格构成一个矩形,逐个求解未知的c′ij。这些计算,均在表上作业。

在表1.2的基础上,先将有调配土方的方格的假想系数填入方格的右下角。c′11=50,c′22=40, c′31=60,c′32=110,c′33=70,c′43=40,寻找适当的方格,由式(1.19)即可计算得出全部假想系数。例如,由c′21+c′32=c′22+c′31可得c′21=-10(表1.3)。

假想系数求出后,按下式求出表中无调配土方方格的检验数：λij=cij-c′ij

(1.20)

把表中无调配土方的方格右边2小格的数字上下相减即可。如λ21=70-(-10)=+80, λ12=70-100=-30。将计算结果填入表1.4。在表1.4中只写出各检验数的正负号,因为我们只对检验数的符号感兴趣,而检验数的值对求解结果无关,可不填入具体的值。

表1.3　假想系数表

表1.4　计算检验数

续表

表1.4中出现了负检验数,说明初始方案不是最优方案,需进一步调整。

③方案的调整

第一步：在所有负检验数中选一个(一般可选最小的一个),本例中便是λ12,把它所对应的变量X12作为调整对象。

第二步：找出X12的闭回路。其作法是：从X12方格出发,沿水平与竖直方向前进,遇到适当的有数字的方格作90°转弯(也可不转弯),然后继续前进,如果路线恰当,有限步后便能回到出发点,形成一条以有数字的方格为转角点的,用水平和竖直线联起来的闭回路,见表1.5。

表1.5　求解闭回路

第三步：从空格X12出发,沿着闭回路(方向任意)一直前进,在各奇数次转角点(以X12出发点为0)的数字中,挑出一个最小的(本例中即为500、100中选100),将它由X32调到X12方格中(即空格中)。

第四步：将“100”填入X12方格中,被调出的X32为0(该格变为空格)；同时将闭回路上其他奇数次转角上的数字都减去“100”,偶数次转角上数字都增加“100”,使得填挖方区的土方量仍然保持平衡,这样调整后,便可得到表1.6的新调配方案。

对新调配方案,再进行检验,看其是否已是最优方案。如果检验数中仍有负数出现,那就仍按上述步骤继续调整,直到找出最优方案为止。表1.6中所有检验数均为正号,故该方案即为最优方案。

表1.6　调整后的新调配方案

最优方案与初始方案的运输量比较如下：

初始调配方案的土方总运输量为：

Z0=500×50+500×40+300×60+100×110+100×70+400×40=97000(m3·m)

最优调配方案的土方总运输量为：

Z=400×50+100×70+500×40+400×60+100×70+400×40=94000(m3·m),

Z-Z0=94000-97000=-3000(m3·m)

即调整后总运输量减少了3000m3·m。

土方调配的最优方案可以不止一个,这些方案调配区或调配土方量可以不同,但它们的土方总运输量都是相同的。有若干最优方案,可以提供更多的选择余地。

(5)绘制最优调配方案的土方调配图

根据表上作业法求得的最优调配方案,将表中的土方调配数值绘成土方调配图(图1.8),图中箭杆上数字为最终土方调配数量,箭杆下数字为调配区之间的平均运距。

图1.8　土方调配图

1.3　土方工程的辅助工程

1.3.1　土方边坡

为了防止土壁坍塌,保持土壁稳定,保证安全施工,在土方工程施工中,对挖方和填方的边缘,均应做成一定坡度的边坡。当场地受限制不能放坡或为了减少土方工程量而不放坡时,则可设置土壁支护结构,以确保施工安全。

土方放坡开挖的边坡可做成直线形、折线形或踏步形(图1.9),边坡坡度以其高度H与其底宽度B之比表示。

式中 m=B/H,称为坡度系数。

图1.9　土方放坡

施工中,土方放坡坡度的留设应考虑土质、开挖深度、施工工期、地下水水位、坡顶荷载及气候条件等因素。

1.3.2　土壁支护

开挖基坑(槽)时,如地质条件及周围环境许可,采用放坡开挖,往往是比较经济的。但在建筑物密集地区施工,有时没有足够的场地按规定的放坡宽度开挖,或有防止地下水渗入基坑要求,或深基坑(槽)放坡开挖所增加的土方量过大,此时需要用土壁支护结构来支撑土壁,以保证施工的顺利和安全,并减少对相邻已有建筑物等的不利影响。

基坑(槽)支护结构的形式有多种,根据受力状态可分为横撑式支撑、板桩式支护结构和重力式支护结构等。

1)基槽支护

开挖较窄的沟槽,多用横撑式支撑。横撑式支撑根据挡土板的不同,分为水平挡土板式(图1.10a)和垂直档土板式(图1.10b)两类。前者挡土板的布置又分为间断式和连续式两种。湿度小的黏性土挖土深度小于3m时,可用间断式水平挡土板支撑；对松散、湿度大的土可用连续式水平挡土板支撑,挖土深度可达5m。对松散和湿度很大的土可用垂直挡土板式支撑,其挖土深度不限。

采用横撑式支撑时,应随挖随撑,支撑要牢固。施工中应经常检查,如有松动、变形等现象时,应及时加固或更换。支撑的拆除应按回填顺序依次进行,多层支撑应自下而上逐层拆除,随拆随填。

图1.10　横撑式支撑
1—水平挡土板；2—立柱；3—工具式横撑；4—垂直挡土板；5—横楞木；6—调节螺丝

2)基坑支护

基坑支护结构一般根据地质条件,基坑开挖深度以及对周边环境保护要求采取重力式水泥土墙、板式支护结构和土钉墙等形式。在支护结构设计中首先要考虑周边环境的保护,其次要满足本工程地下结构施工的要求,并应尽可能降低造价和便于施工。

(1)重力式水泥土墙支护结构

水泥土搅拌桩(或称深层搅拌桩)支护结构是通过搅拌桩机将水泥与土进行搅拌,形成柱状的水泥加固土(搅拌桩),成为重力式支护结构(图1.11)。

(2)板式支护结构

板式支护结构由两大系统组成：挡墙系统和支撑(或拉锚)系统(图1.12)。悬臂式板桩支护结构则不设支撑(或拉锚)。

挡墙系统常用的形式有槽钢、钢板桩、钢筋混凝土板桩、灌注桩及地下连续墙等。

支撑系统一般采用大型钢管、H型钢或格构式钢支撑,也可采用现浇钢筋混凝土支撑。拉锚系统的材料一般用钢筋、钢索、型钢或土锚杆。根据基坑开挖的深度及挡墙系统的截面性能可设置一道或多道支撑。基坑较浅,挡墙具有一定刚度时,可采用悬臂式挡墙而不设支撑。支撑或拉锚与挡墙系统通过围檩、冠梁等连接成整体。

(3)土钉墙与喷锚支护

土钉墙与喷锚支护均属于边坡稳定型支护,是利用土钉或预应力锚杆加固基坑侧壁土体,与喷射的钢筋混凝土保护面板组成的支护结构。由于费用较低,近几年在较深基坑中得到广泛应用。

图1.11　水泥土墙
1—搅拌桩；2—插筋；3—面板

图1.12　板式支护结构
1—板桩墙；2—围檩；3—钢支撑；4—斜撑；5—拉锚；6—土锚杆；7—先施工的基础；8—竖撑

图1.13　土钉墙支护
1—土钉；2—喷射混凝土面层；3—垫板；4—滑动面

①土钉墙支护

土钉墙支护,系在开挖边坡表面每隔一定距离埋设土钉,并铺钢筋网喷射细石混凝土面板,使其与边坡土体形成共同工作的复合体,从而有效提高边坡的稳定性,增强土体破坏的延性,对边坡起到加固作用(图1.13)。

②喷锚网支护

喷锚网支护简称喷锚支护,其形式与土钉墙支护相似。它是在开挖边坡的表面铺钢筋网、喷射混凝土面板后成孔,但不是埋设土钉,而是埋设预应力锚杆,借助锚杆与滑坡面以外土体的拉力,使边坡稳定(图1.14)。

1.3.3　排水与降水

在开挖基坑或沟槽时,当基坑底面低于地下水位时,由于土的含水层被切断,地下水会不断地渗入坑内。雨季施工时,地面水也会流入坑内。如果未采取降水措施或未及时排走流入坑内的水,不但会使施工条件恶化,更会引发边坡塌方和地基承载力下降。另外,当基坑下遇有承压含水层时,若不降水减压,则基底可能被冲溃破坏。因此,在基坑开挖前或开挖过程中,必须采取措施降低地下水位,使地基土在开挖及基础施工时保持干燥。降低地下水位的方法有集水井降水法和井点降水法。

图1.14　喷锚支护
1—喷射混凝土面层；2—钢筋网层；3—锚杆头；4—锚杆(土钉)；5—加强筋；6—锁定筋二根与锚杆双面焊接；7—滑动面

1)集水井降水法

集水井降水法是在基坑或沟槽开挖过程中,在坑底设置集水井,并沿坑底的周围或中央开挖排水沟,使水在重力作用下流入集水井内,然后用水泵抽出坑外(图1.15)。

图1.15　集水井降水

四周的排水沟及集水井一般应设置在基础范围以外,地下水流的上游,基坑面积较大时,可在基础范围内设置盲沟排水。集水井的间距,根据地下水量的大小、基坑的平面形状和水泵的抽水能力等确定,一般每隔20～40m设置1个。

2)流砂及其防治

当基坑挖土到达地下水位以下且土质为细砂或粉砂,又采用集水井降水时,坑底下面的土有时会形成流动状态,随地下水涌入基坑,这种现象称为流砂现象。发生流砂现象时,土完全丧失承载能力,边挖边冒,施工条件恶化,工人难以立足,基坑难以挖到设计深度。严重时会引起基坑边坡塌方,如果附近有建筑物,就会因地基被掏空而使建筑物下沉、倾斜甚至倒塌。总之,流砂现象对土方施工和附近建筑物有很大的危害。

(1)流砂发生的原因

流砂发生的原因,是水在土中渗流所产生的动水压力对土体作用的结果。地下水的渗流对单位土体内骨架产生的压力,用GD表示,它与单位土体内的渗流水受到土骨架的阻力T大小相等,方向相反。如图1.16所示,水在土体内从A向B流动,沿水流方向取一土柱体,其长度为L,横截面面积为F,两端点A、B之间的水头差为HA-HB。计算动水压力时,考虑到地下水的渗流加速度很小(a≈0),因而忽略惯性力。

图1.16　饱和土体中动水压力的计算

作用在土柱体中水的力有：A、B两端的静水压力,分别为：γwhAF和γwhBF；土柱体内孔隙水的重量和土骨架浮力的反力之和：γwLF；土柱体中土骨架对渗流水的总阻力：TLF。

由ΣX=0得：

式中,负号表示GD与所设水渗流时受到的总阻力T的方向相反,即与水的渗流方向一致。

由上式可知,动水压力GD的大小与水力坡度成正比,即水位差HA-HB愈大,则GD愈大；而渗透路程L愈长,则GD愈小。当水流在动水压力的作用下对土颗粒产生向上压力时,动水压力不但使土粒受到了水的浮力,而且还受到向上动水压力的作用。如果压力等于或大于土的浸水密度γ′,即

GD≥γ′　　　　　(1.23)

则此时,土粒处于悬浮状态,土的抗剪强度等于零,土粒能随着渗流的水一起流动,这种现象就叫“流砂现象”。

细颗粒、均匀颗粒、松散及饱和的土容易发生流砂现象,因此流砂现象经常在细砂、粉砂及粉土中发生。但是否会发生流砂现象,还与动水压力的大小有关。

(2)流砂的防治

如前所述,细颗粒、均匀颗粒、松散及饱和的土容易发生流砂现象,但发生流砂现象的重要条件是动水压力的大小和方向。在一定的条件下(如GD向上且足够大)土转化为流砂,而在另一种条件下(如GD向下)又可使流砂转化为稳定土。因此,在基坑开挖过程中,防治流砂的原则是“治流砂必先治水”。防治流砂的主要途径有：减少或平衡动水压力；设法使动水压力方向向下；截断地下水流。其具体措施有：枯水期施工法、抢挖并抛大石块法、设止水帷幕法、水下挖土法和人工降低地下水位法等。

3)井点降水法

井点降水法就是在基坑开挖前,在基坑四周预先埋设一定数量的滤水管(井),利用抽水设备不断抽出地下水,使地下水位降到坑底以下,直至土方和基础工程施工结束为止。其优点是改善了施工条件,消除了流砂现象,还能使土层密实,增加地基的承载能力,提高边坡的稳定性。在降水过程中,基坑附近的地基土则会有一定的沉降,施工时应加以注意。

井点降水法有：轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点及深井井点等。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1.7选择。实际工程中,轻型井点和管井井点应用较广。

表1.7　各种井点的适用范围

(1)轻型井点

①轻型井点设备

轻型井点设备由管路系统和抽水设备组成(图1.17)。管路系统包括滤管、井点管、弯联管及总管等。

滤管(图1.18)为进水设备,通常采用长1.0～1.5m、直径38mm或51mm的无缝钢管,管壁上钻有直径为12～19mm的呈梅花状排列的滤孔。

井点管为直径38mm或51mm、长5～7m的无缝钢管,上端用弯联管与总管相连。弯联管一般采用橡胶软管或透明塑料管。

集水总管一般为直径100～127mm的无缝钢管,分节连接,每节长4m,其上每隔0.8～1.2m设有一个与井点管联结的短接头。

抽水设备根据水泵及动力设备不同,有干式真空泵、射流泵及隔膜泵等,其抽吸深度与负荷总管的长度各异。常用的W5、W6型干式真空泵的抽吸深度为5～7m,其最大负荷长度(即集水总管长度)分别为100m和120m。

图1.17　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—原有地下水位线；7—降低后地下水位线

②轻型井点布置

轻型井点系统的布置,应根据基坑平面形状与尺寸、基坑深度、土质、地下水位高低与流向、降水深度等因素确定。

a.平面布置。当基坑或沟槽宽度小于6m,水位降低深度不超过5m时,可用单排线状井点布置在地下水流的上游一侧,两端延伸长度一般不小于沟槽宽度(图1.19)。如基坑或沟槽宽度大于6m,或土质不稳定,渗透系数较大时,宜采用双排井点。面积较大的基坑应采用环状井点(图1.20)。有时,为便于挖土机械和运输车辆出入基坑,可留出一段不封闭或布置成U形。井点管距离基坑壁一般不小于0.7～1.0m,以防局部发生漏气。

b.高程布置。轻型井点的降水深度,考虑到抽水设备的水头损失以后,在井点管处(不包括滤管)的降水深度一般不超过6m。井点管的埋设深度H(不包括滤管)按下式计算：

图1.18　滤管构造
1—钢管；2—管壁上的小孔；3—缠绕的塑料管；4—细滤网；5—粗滤网；6—粗钢丝保护网；7—井点管；8—铸铁头

H≥H1+h+iL　　　　(1.24)

式中　H1——总管平台面至基坑底的距离,m；

　　　h——基坑底面至降低后的地下水位线的距离,一般取0.5～1.0m；

　　　i——地下水降落坡度；环状井点为1/10,单排线状井点为1/4；

　　　L——井点管至基坑中心的水平距离,当井点管为单排布置时,L为井点管至基坑另一侧坡角的水平距离,m。

图1.19　单排线状井点布置图
1—总管；2—井点管；3—抽水设备

图1.20　环形井点布置图
1—总管；2—井点管；3—抽水设备

此外,确定井点管埋设深度时,还要考虑井点管一般要露出地面0.2m左右。如果计算出的H值大于6m,则应降低井点系统的埋置面,通常可事先挖槽,使集水总管的布置标高接近于原地下水位线,以适应降水深度的要求。在任何情况下,滤管必须埋设在蓄水层内。

当一级轻型井点系统达不到降水深度要求时,可采用二级轻型井点,即先挖去第一级井点所疏干的土,然后在基坑底部装设第二级轻型井点,使降水深度增加(图1.21)。

③轻型井点计算

轻型井点的计算内容主要包括：基坑涌水量计算、井点管数量与井距的确定,抽水设备的选择等。

井点系统的涌水量计算是以水井理论为依据进行的。根据地下水在土层中的分布情况,水井有几种不同的类型。根据地下水有无压力,水井分为无压井和承压井。当地下水表面为自由水压时,称为无压井(图1.22中的1、2)；当含水层处于两不透水层之间,地下水表面具有一定水压时,称为承压井(图1.22中的3、4)。另一方面,当水井底部达到不透水层时,称为完整井(图1.22中的1、3),否则称为非完整井(图1.22中的2、4)。综合而论,水井大致有下列4种：无压完整井、无压非完整井、承压完整井和承压非完整井。水井类型不同,其涌水量的计算公式亦不相同。

图1.21　二级轻型井点布置图
1—第一级轻型井点；2—第二级轻型井点

图1.22　水井的分类
1—无压完整井；2—无压非完整井；3—承压完整井；4—承压非完整井

a.涌水量计算：

●无压完整井涌水量

无压完整井抽水时,水位的变化如图1.23(a)所示。当抽水一定时间后,井周围的水面最后将会降落成渐趋稳定的漏斗状曲面,称之为降落漏斗。水井轴线至漏斗外缘(该处原有水位不变)的水平距离称为抽水影响半径R。

图1.23　环形井点涌水量计算简图

根据达西定律以及群井的相互干扰作用,可推导出无压完整井环状井点系统的涌水量计算公式为：

F——环状井点系统所包围的面,m2。

当矩形基坑的长宽比大于5,或基坑宽度大于抽水影响半径的两倍时,需将基坑分块,使其符合计算公式的适用条件,然后分别按块计算涌水量,将其相加即为总涌水量。

●无压非完整井涌水量

在实际工程中,常会遇到无压非完整井的井点系统(图1.23b),这时地下水不仅从井的侧面进入,还从井底流入,因此其涌水量要比无压完整井大,精确计算比较复杂。为了简化计算,仍可采用完整井公式计算,但需将含水层厚度H换成有效影响深度H0,即

其中有效影响深度H0为经验数值,可查表1.8得到。当查表计算所得H0大于实际含水层的厚度H时,取H0=H。

表1.8　有效影响深度H0

注：表中S′为井管处水位降低值(m)；l为滤管长度(m)。

●承压完整井涌水量

承压完整井环形井点涌水量计算公式为：

其他符号意义同前。

b.井点管数量与井距的确定。确定井点管数量需先确定单根井点管的抽水能力,单根井点管的最大出水量q,取决于土的渗透系数、滤管的构造与尺寸,按下式计算：

井点管的最少根数n,可根据井点系统涌水量Q和单根井点管的最大出水量q,按下式确定：

其他符号意义同前。

井点管的平均间距D可按下式计算：

实际采用的井点管间距还应考虑以下因素：井点管间距应大于15倍管径,否则相邻井点管相互干扰大,影响出水量；在渗透系数小的土中,井点管间距宜小些,否则水位降落时间将很长；靠近河流处,井点管间距宜适当小些；井点管间距应与总管上的接头间距相适应,常取0.8、1.2、1.6、2.0m等。

④抽水设备的选择

干式真空泵常用型号为W5、W6型,按总管长度选用。总管长度不大于100m时可选用W5型；总管长度不大于120m时可选用W6型。

水泵按涌水量的大小选用,要求水泵的抽水能力应大于井点系统的涌水量(增大10%～20%)。通常一套抽水设备配两台离心泵,即可轮换备用,又可在地下水量较大时同时使用。

⑤轻型井点的施工

轻型井点的施工,大致包括以下几个过程：施工准备、井点系统的埋设、使用及拆除。

轻型井点的施工准备工作包括：井点设备、动力、水源及必要材料准备,排水沟的开挖,附近建筑物的标高观测以及防止附近建筑沉降措施的实施。

井点系统埋设的程序是：先挖井点沟槽、排放总管,再埋设井点管,用弯联管将井点管与总管相连,安装抽水设备,试抽水。其中井点管的埋设是关键性工作。

井点管的埋设一般用水冲法进行,分为冲孔和埋管两个过程(图1.24)。

图1.24　井点管的埋设
1—冲管；2—冲嘴；3—胶皮管；4—高压水泵；5—压力表；6—起重机吊钩；7—井点管；8—滤管；9—填砂；10—黏土封口

井点管埋设完毕后,应接通总管与抽水设备进行试抽水,以检查有无漏气、漏水现象,出水是否正常,井点管有无淤塞现象。如有异常情况,应检修好后方可使用。

轻型井点系统使用时,应连续抽水(特别是开始阶段),若时抽时停,滤管易堵塞,也容易抽出土粒,使出水浑浊,严重时会引起附近建筑物沉降开裂。

轻型井点正常的出水规律是：“先大后小、先浑后清”,否则应检查纠正。在降水过程中,应调节离心泵的出水阀以控制水量,使抽吸排水保持均匀。

井点降水工作结束后所留的井孔,必须用砂砾或黏土填实。

(2)管井井点

管井井点是沿基坑每隔一定距离设一个管井,每个管井单独用一台水泵不断抽水来降地下水位。在土的渗透系数较大(K=20～200m/d)、地下水含量丰富的土层中,宜采用管井井点(图1.25)。

管井的间距一般为20～50m,深度为8～15m。管井井点的水位降低值：井内可达6～10m,两井中间为3～5m。管井井点的设计计算,可参照轻型井点进行。

管井井管的埋设,可采用泥浆护壁钻孔法成孔。钻孔的直径应比井管外径大200mm,井管下沉前应先清孔,并保持滤网畅通。井管与土壁间用粗砂或小砾石灌填作为过滤层。

图1.25　管井井点
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—混凝土实壁管；10—混凝土过滤管；11—潜水泵；12—出水管

(3)井点降水对邻近建筑物的影响和预防

井点降水使地基自重应力增加、土层被压缩、土颗粒流失,将引起周围地面沉降。由于土层的不均匀性和形成的水位降低漏斗曲线,地面沉降多不均匀,会导致邻近建筑物的基础下沉或房屋开裂。因此,井点降水时,必须采取相应的防沉降措施。

①回灌井点法：回灌井点是在降水井点与需保护建筑物之间设置的一排井点。降水的同时,回灌井点向土层内灌入适量的水,使需保护的建筑物下维持原有地下水位,可防止或减小其沉降。

②设置止水帷幕法：在降水井点区域与需保护建筑物之间设置一道止水帷幕,使基坑外地下水的渗流路径延长,而使需保护建筑物下维持原有地下水位。

③减缓降水速度法：减缓井点的降水速度,可防止土颗粒随水流流出。具体措施包括加长井点、调小离心泵阀、按土的粒径改换滤网、加大砂滤层厚度等。

1.4　土方工程的机械化施工

土方工程面广量大,人工挖土不仅劳动繁重,而且生产率低、工期长、成本高。因此,土方工程施工中应尽量采用机械化的施工方法,以减轻劳动强度,加快施工进度。

1.4.1　场地平整施工

场地平整是综合性施工过程,由土方的开挖、运输、填筑、压实等多项内容组成。大面积的场地平整,宜采用推土机、铲运机或挖土机配合自卸汽车施工。

1)推土机施工

推土机由拖拉机和推土铲刀组成,按行走的方式分履带式和轮胎式,按铲刀的操作方式分为索式和液压式,按铲刀的安装方式又分为固定式和回转式。

推土机操纵灵活,运转方便,所需工作面较小、行驶速度快、易于转移,能爬30°左右的缓坡,因此,应用范围较广。

推土机适于开挖一至三类土。用于平整场地,开挖深度不大的基坑,移挖作填,回填土方,堆筑堤坝以及配合挖土机集中土方、修路开道等。

推土机经济运距在100m以内,效率最高的运距为30～60m。为了提高推土机的生产效率,常用以下几种作业方法：

(1)下坡推土法

推土机顺坡(坡度不超过15°)向下切土推运(图1.26),借助机械向下的重力作用,增大切土深度和运土数量,因而可提高生产效率。

(2)分批集中,一次推送法

对硬质土,推土机切土深度较小,宜多次铲土。先将土集中在一个或几个中间点,再一次推送,以保持铲前满载(图1.27),有效缩短运输时间,可提高生产率15%左右。

图1.26　下坡推土法

图1.27　分批集中,一次推送法

(3)槽形推土法

利用已推过的土槽再次推土,可减少土的散失(图1.28)。当土槽推到一定深度,再推土埂。如此反复,可增加10%～30%推土量。

(4)并列推土法

用2～3台推土机并列推土(图1.29),可减少土的散失。一般采用两台并列推土,可增加15%～30%推土量。

图1.28　槽形推土法

图1.29　并列推土法

2)铲运机施工

在场地平整施工中,铲运机是一种能综合完成全部土方施工工序(挖土、装土、运土、卸土和平土)的机械。按行走方式分为自行式铲运机(图1.30)和拖式铲运机(图1.31)两种。按铲斗的操纵系统又可分为机械操纵和液压操纵两种。

图1.30　自形式铲运机

图1.31　拖式铲运机

铲运机适用于开挖一至三类土。常用于坡度20°以内的大面积土方挖、运、填、平整、压实,也可用于堤坝填筑等。在选定铲运机的斗容量之后,其生产率的高低主要取决于机械的开行路线和施工方法。

(1)铲运机的开行路线

铲运机的开行路线应根据填方、挖方区的分布情况并结合当地具体条件进行合理选择,主要有环形路线和“8”字形路线两种形式。

①环形路线

这是一种简单而常用的开行路线。根据铲土与卸土的相对位置不同,可分为图1.32(a)与图1.32(b)所示两种情况,每一循环只完成一次铲土和卸土。当挖土和填土交替,而挖填方之间距离又较短时,可采用大环形路线[图1.32(c)],其特点是一次循环能完成两次铲土和卸土。这样可减少转弯次数,提高生产效率。

②“8”字形路线

这种开行路线的铲土与卸土,轮流在两个工作面上进行[图1.32(d)],每一个循环完成两次铲土和卸土的作业,比环形路线缩短了运行时间,提高了生产率。

图1.32　铲运机开行路线

(2)铲运机的施工方法

为了提高铲运机的生产率,除了合理确定开行路线外,还应根据施工条件选择施工方法。常用的施工方法有：

①下坡铲土法

铲运机利用地形(地面坡度5°～7°),借助机械向下的重力作用,增大切土深度和充盈数量,缩短铲土时间,从而提高生产率。

②跨铲法

在较坚硬的土内挖土时,可采用预留土埂间隔铲土的方法。铲运机在铲土槽时可减少向外撒土量,铲土埂时因有两个自由面,使阻力减小,达到“铲土快、铲斗满”的效果。

③助铲法

在坚硬的土层中铲土时,可用推土机在铲运机后面顶推(图1.33),加大铲运机切土能力,缩短铲土时间,提高生产效率。

图1.33 助铲法示意图
1—铲运机；2—推土机

3)挖土机施工

当场地起伏高差较大、土方运输距离超过1km,且土方工程量大而集中时,可采用挖土机挖土,配合自卸汽车运土,并在卸土区配备推土机整平土堆。

1.4.2　基坑(槽)开挖

基坑(槽)土方开挖一般均采用挖土机施工,对大型、较浅的基坑有时也可采用推土机。

挖土机利用土斗直接挖土,因此也称为单斗挖土机。挖土机按行走方式分为履带式和轮胎式两种；按传动方式分为机械传动和液压传动两种。根据工作装置分为正铲、反铲、拉铲和抓铲4种(图1.34)。

图1.34　单斗挖土机

1)正铲挖土机施工

正铲挖土机的挖土特点是：“前进向上,强制切土”。其挖掘力大,生产率高,能开挖停机面以上的一至四类土,但需汽车配合运土。适用于开挖高度大于2m的无地下水的干燥基坑及土丘等。

正铲挖土机的挖土方式,根据其开挖路线和运输工具的相对位置不同,有以下两种：

①正向挖土、侧向卸土[图1.35(a)、(b)]。挖土机沿前进方向挖土,运输工具停在侧面装土(可停在挖土机停机面上或高于停机面)。

图1.35　正铲挖土机开挖方式

②正向挖土、后方卸土[图1.40(c)]。挖土机沿前进方向挖土,运输工具停在其后面装土。

2)反铲挖土机施工

反铲挖土机的挖土特点是：“后退向下,强制切土”。其挖掘力比正铲小,能开挖停机面以下的一至三类土,适用于开挖基坑(槽)和管沟等。挖土时可用汽车配合运土,也可弃土于坑槽附近。

反铲挖土机挖土时,根据挖土机与基坑的相对位置关系,有2种开挖方式：

①沟端开挖[图1.36(a)]：挖土机停在基坑(槽)端部,向后倒退挖土,汽车停在基坑(槽)两侧装土。

图1.36　反铲挖土机开挖方式

②沟侧开挖[图1.36(b)]：挖土机停在基坑(槽)的一侧,向侧面移动挖土,可用汽车配合运土,也可将土弃于距基坑(槽)较远处。

3)拉铲挖土机施工

拉铲挖土机的挖土特点是：“后退向下,自重切土”。其挖掘半径和深度均较大,但挖掘力小,只能开挖一至二类土(软土),且不如反铲挖土机灵活准确。适用于开挖大而深的基坑或水下挖土。

4)抓铲挖土机施工

抓铲挖土机的挖土特点是：“直上直下,自重切土”。其挖掘力较小,只能开挖一至二类土,其抓铲能在回转半径范围内开挖基坑任意位置的土方,并可在任意高度上卸土。适用于开挖窄而深的基坑(槽)、深井或水中淤泥。

1.5　土方的填筑与压实

1.5.1　土料的选择与填筑方法

1)土料的选择

填方土料应符合设计要求,保证填方的强度与稳定性,选择的填料应为强度高、压缩性小、水稳定性好、便于施工的土、石料。

填土应严格控制含水量,施工前应进行检验。当土的含水量过大,应采用翻松、晾晒、风干等方法降低含水量,或采用换土回填、均匀掺入干土或其他吸水材料、打石灰桩等措施；如含水量偏低,则可预先洒水湿润,否则难以压实。

2)填筑方法

填土应分层进行,并尽量采用同类土填筑。如填方中采用不同透水性的土料填筑时,必须将透水性较大的土层置于透水性较小的土层之下。

填方施工应接近水平地分层填筑压实,每层的厚度根据土的种类及选用的压实机械而定。当填方基底位于倾斜的地面时,应先将基底斜坡挖成阶梯状,阶宽不小于1m,然后分层填筑,以防填土横向移动。应分层检查填土压实质量,在测定压实后土的干密度,并检验其压实系数和压实范围符合设计要求后,才能填筑上层土层。

1.5.2　填土压实方法

填土的压实方法有：碾压法、夯实法和振动压实法等几种(图1.37)。

图1.37　填土压实机械工作原理

(1)碾压法

碾压法是利用沿着土的表面滚动的鼓筒或轮子的压力在短时间内对土体产生静荷作用,在压实过程中,作用力保持常量,不随时间延续而变化。碾压机械有平碾、羊足碾和振动碾,主要适用于场地平整和大型基坑回填工程。

(2)夯实法

夯实法是利用夯锤自由落下的冲击力使土体颗粒重新排列,以此压实填土,其作用力为瞬时冲击动力,有脉冲特性。夯实机械主要有蛙式打夯机、夯锤和柴油打夯机等,主要适用于小面积的回填土。

(3)振动压实法

振动压实法是将振动压实机放在土层表面,借助振动设备使土粒发生相对位移而达到密实,其作用外力为瞬时周期重复振动。这种方法主要适用于振实非黏性土。

随着压实机械的发展,其作用外力并不限于一种,而应用多种作用外力组合的新型压实机械,如上述的振动碾即为碾压与振动的组合机械,振动夯则为夯实与振动的组合。

1.5.3　影响填土压实的因素

影响填土压实质量的因素很多,其中主要影响因素有：压实功、土的含水量以及每层铺土厚度。

1)压实功的影响

填土压实后的密度与压实机械在其上所施加的功有一定的关系(图1.38),但并不呈线性关系,当土的含水量不变时,在开始压实时,土的密度急剧增加,待接近土的最大密度时,压实功虽然增加很多,而土的密度几乎没有变化。在实际施工中,对松土不宜用重型碾压机械直接滚压,否则土层会有强烈起伏现象,压实效果不好,如果先用轻碾压实,再用重碾压实,就会取得较好压实效果。

图1.38　土的密度与压实功的关系

2)含水量的影响

在同一压实功条件下,土料的含水量对压实质量有直接影响(图1.39)。较为干燥的土,由于土粒之间的摩擦阻力较大,因而不易压实；当含水量超过一定限度时,土料孔隙会由水填充而呈饱和状态,压实机械所施加的外力有一部分为水所承受,也不能得到较高的压实效果；只有当土料具有适当含水量时,水起到润滑作用,土粒间的摩阻力减少,土才容易被压实。在使用同样的压实功进行压实的条件下,使填土压实获得最大密度时土的含水量,称为土的最佳含水量。各种土的最佳含水量和相应的最大干密度可由击实试验确定。

3)铺土厚度的影响

土在压实功的作用下,其应力随深度增加而逐渐减小(图1.40),因而土经压实后,表层的密实度增加最大,超过一定深度后,则增加较小甚至没有增加。各种压实机械影响深度的大小与土的性质和含水量等有关。铺土厚度应小于压实机械压土时的影响深度,但其中还有最优铺土厚度选择问题,过厚则压实遍数过多,过薄则总压实遍数也要增加,而在最优铺土厚度范围内,可使土料在获得设计干密度的条件下,压实机械所需的压实遍数最少。施工时每层土的最优铺土厚度和压实遍数,可根据填料性质,对密实度的要求和选用的压实机械的性能确定,也可参考表1.9确定。

图1.39　土的干密度与含水量的关系

图1.40　压实作用沿深度的变化

表1.9　填方每层的铺土厚度和压实遍数

1.5.4　填土压实的质量检查

填土压实后必须达到规定要求的密实度,密实度应按设计规定的压实系数λc作为控制标准。压实系数λc为土的控制干密度ρd与最大干密度ρdmax之比,即

压实系数一般由设计根据工程结构性质、使用要求以及土的性质确定。

压实填土的最大干密度ρdmax和最佳含水量,宜采用击实试验确定。

根据规范规定的压实系数和填土的最大干密度,可算出填土的控制干密度ρd。在填土施工时,若土的实际干密度ρ0≥ρd,则符合压实质量要求。

1.6　爆破施工

在土方施工中,爆破技术采用得很广泛,如场地平整、地下工程中石方开挖、基坑(槽)或管沟挖土中岩石的炸除等,都要用爆破。

1.6.1　爆破原理

埋在介质内的炸药使之引爆后,原来一定体积的炸药,在极短的时间内由固体(或液体)状态转变为气体状态,体积增加数百倍甚至上千倍,从而产生了很大的压力和冲击力,同时还产生很高的温度,使周围的介质受到不同程度破坏的现象叫做爆破。

1)爆破作用圈

爆破时介质距离爆破中心愈近,受到的破坏愈大。通常将爆破影响的范围分为以下几个爆破作用圈(图1.41)：

图1.41　爆破作用圈
1—药包；2—压缩圈或破碎圈；3—抛掷圈；4—破坏圈或松动圈；5—振动圈

(1)压缩圈

这个圈距离爆破中心最近,在这个范围内的介质直接受到巨大的爆破作用的影响。如果是可塑性的泥土,便会遭到压缩而形成孔穴。如果是坚硬的岩石,便会被粉碎。所以压缩圈又叫做破碎圈。

(2)抛掷圈

这个范围内的介质受到的破坏力较压缩圈为小。但介质的原有结构受到破坏,分裂成各种尺寸和形状的碎块,而且由于爆破作用力尚有余力,足以使这些碎块获得运动速度。如果这个范围内的某一部分处在具有临空面的条件下,这些碎块便会产生抛掷现象。

(3)破坏圈

这个范围内的介质,虽然其结构受到不同程度的破坏,但没有余力使之产生抛掷运动。工程上为了实用起见,一般把这个范围内被破碎成为独立碎块的部分叫做松动圈,并把只是形成裂缝、互相间仍然连成整体的一部分叫做裂缝圈或破裂圈。

(4)振动圈

在这个范围内,爆破作用力已减弱到不能使介质结构产生破坏,只是发生振动。

2)爆破漏斗

图1.42　爆破漏斗

当埋设在地下的药包爆破后,地面就会出现一个爆破坑,一部分炸碎了的介质被抛至坑外,一部分仍坠落在坑内。由于爆破坑形如漏斗,所以叫它为爆破漏斗(图1.42)。

爆破漏斗可用下面几个参数来表明其特征：

①最小抵抗线W：即从药包中心到临空面的最短距离。

②爆破漏斗半径r：即漏斗上口的圆周半径。

③最大可见深度h：即从坠落在坑内的介质表面到临空面最大距离。

④爆破作用半径R：即从药包中心到爆破漏斗上口边沿的距离。

1.6.2　炸药和起爆方法

1)炸药

(1)炸药的一般性能

炸药是一种由可燃元素(碳和氢)及含氧元素组成的化合物或混合物,在外界因素的作用下(加热、振动、撞击、摩擦、引爆)产生爆炸。炸药爆炸的化学反应很快,能产生大量热量和气体,使周围介质受到压缩和破坏。

炸药的爆炸性能通常以下述指标来表示：

①炸药的敏感度,即炸药发生爆炸的难易程度。它包括对温度的敏感度(不同炸药使其爆炸的最低温度——爆燃点不同),对火的敏感度,对机械作用(撞击、摩擦等)的敏感度和起爆敏感度(不同炸药所需起爆药量不同)等。

②爆速,指炸药爆炸时的化学反应速度。

③爆温和爆热,指爆炸物所能达到的最高温度和爆炸时所放出的热量。

④爆炸气体量,指1kg炸药爆炸时所产生的气体体积。

⑤爆力,指炸药爆炸时对岩石等介质的破坏和抛掷能力。它与爆温、爆热及爆速等有关。

⑥猛度,指炸药爆炸时对周围岩石等介质的粉碎程度。

⑦殉爆距离,指炸药爆炸时引起邻近的另一个药卷爆炸的最大距离,以cm计。一般以使连续3次殉爆的最大距离为殉爆距离。

⑧爆炸稳定性,指炸药起爆后能否以一固定的速度爆炸完毕。爆炸不稳定会降低爆炸效果,甚至发生拒爆。影响爆炸稳定性的主要因素是药包直径(当药包直径小于临界直径时,会发生不爆炸现象)及炸药密度(单位体积炸药的质量)。维持稳定爆炸的密度称最佳密度。

(2)炸药的种类

炸药分为起爆炸药和破坏炸药两种。起爆炸药是一种高敏感性的烈性炸药,很容易爆炸,一般用于制作雷管、导爆索和起爆药包。起爆炸药主要有雷汞[Hg(CNO)2]、迭氮铅[Pb(N3)2]等。

破坏炸药是爆破作业中的主炸药,其敏感度小,威力大,便于大量保管和使用,只有在引爆炸药的引爆下才能发生爆炸。常用的有：岩石硝铵炸药、露天硝铵炸药、铵油炸药、胶质炸药和TNT等。

2)药包量

药包的质量叫做药包量。药包按爆破作用分为内部作用药包、松动药包、抛掷药包(包括标准抛掷药包和加强抛掷药包)以及裸露药包(图1.43)。内部作用药包,就是药包爆炸时,只作用于地层内部,不显露到临空面。松动药包只能使介质破坏到临空面,但破碎了的介质并不产生抛掷运动,而只是在原来位置的附近有一个较小距离的移动。抛掷药包的作用是形成爆破漏斗。裸露药包是指放在石块或其他物体表面上的药包,它的爆炸可以使爆破对象破碎或飞移。

药包量的大小,要根据岩石的软硬、缝隙情况、临空面的多少、预计爆破的石方体积,以及现场的施工经验来确定。

图1.43　药包作用分类示意图
1—内部作用药包；2—松动药包；3—抛掷药包；4—裸露药包；5—覆盖物(砂或黏土)；6—被爆破的物体

3)起爆方法和起爆器材

常用的起爆方法有：火花起爆、电力起爆和导爆索起爆3种。

(1)火花起爆

火花起爆是利用点燃的导火线的火花引爆雷管,从而使药包爆炸。火花起爆操作简单,容易掌握,但不能同时点燃多根导火线,因而不能一次使大量药包同时爆炸。

图1.44　火雷管构造图

火花起爆器材有火雷管、导火线及起爆药卷。

①火雷管。火雷管(又称普通雷管)由外壳、起爆炸药和加强帽3部分组成(图1.44)。外壳有紫铜、铝和纸3种,上端开口,以便插入导火线,下端做成窝槽,使爆力集中。

②导火线。导火线由黑火药药芯和耐水外皮组成,直径5～6mm。使用时应将每盘导火线的两端各切去50mm,插入雷管的一端应切平,以便使其紧靠雷管的加强帽,另一端切成斜面,使药芯更多地露在外面,以便点火。

③起爆药卷。起爆药卷(图1.45)是使爆破药包爆炸中的中继药包。制作起爆药卷时,解开药卷的一端,敞开包皮纸,将药卷捏松,用木棍轻轻地在药卷中插一个孔,将火雷管插入孔内,收拢包皮纸,用细麻绳绑扎。如用于潮湿处应做防潮处理。

图1.45　火花起爆药卷
1—药卷；2—火雷管；3—导火线；4—细麻绳

(2)电力起爆

电力起爆是通电使电雷管中电力引火剂发热燃烧使雷管爆炸,从而引起药包爆炸。

电力起爆器材有：电雷管、电线、电源及测量仪表。

①电雷管。电雷管由普通雷管和电力引火装置组成。电雷管通电后,电阻丝发热,使发火剂点燃,引起正起爆药爆炸(图1.46)。

②电线。必须采用绝缘完好的导线。导线包括脚线、端线、连接线、区域线和主线。脚线是由电雷管引出的导线；连接电雷管脚线和连接线的叫端线；连接炮眼之间的导线叫连接线。连接主线与连接线的导线称为区域线；由电源引至区域线的导线叫做主线。

图1.46　电雷管构造图

(3)导爆索起爆

导爆索起爆是利用导爆索的爆炸直接引起药包爆炸。导爆索起爆不需雷管,但导爆索本身要用雷管来引爆。其装置如图1.47所示。

图1.47　导爆索起爆装置
1—导火线；2—火雷管；3—导爆索；4—药包；5—绳索

1.6.3　爆破方法

在土木工程中,常用的爆破方法主要有以下几种：

1)裸露药包爆破

裸露药包爆破多用于炸碎岩石和大型爆破中的巨石改爆。此法耗药量大,为一般浅孔爆破的3～5倍,且其爆破效果不易控制,岩石飞散较远而易造成事故。裸露爆破的装药方式如图1.48所示。

图1.48　裸露药包爆破
1—大块岩石；2—药包；3—导火线；4—覆土

2)浅孔爆破

浅孔爆破又称炮眼法。一般孔深为0.5～5m,直径为28～75mm。孔眼可用风钻或人工打设,施工操作简便,炸药耗用量少,飞石距离近,岩石破碎较均匀,便于控制开挖面的形状,且可在复杂的地形条件下施工。但其爆破量小,效率低,钻孔工作量大。

在布置炮眼时,要尽量利用临空面较多的地形,炮眼方向宜与临空面平行。为了提高爆破效果,常进行台阶式爆破(图1.49)。

3)定向爆破

定向爆破就是利用爆破的作用,将大量的土石方,按照指定的方向,搬移到一定的地点。定向爆破的基本原理,就是当爆破时,岩石总是沿最小抵抗线的方向抛掷出去。因此,合理选择临空面和布置炮眼是定向爆破的关键问题,以便把形成最小抵抗线的方向能够指向工程需要的方向,而将爆破的岩石抛向指定的位置。图1.50所示即为几个定向爆破的示例。

图1.49　浅孔爆破

图1.50　定向爆破示意图

4)光面爆破

光面爆破就是使爆破工程最终在开挖面上破裂成平整的光面,其爆破方法通常有以下几种：

(1)密集空孔爆破

即在开挖轮廓线上布置密集空孔(不装药),靠近空孔布置一排减弱装药的加密炮孔。此排孔起爆后,在密集空孔周围造成应力集中,沿密集空孔的连心线上爆裂形成光面,把爆破作用和地震效应限制在密集空孔的一侧。

(2)缓冲爆破

即沿开挖轮廓面上打设一排加密炮孔,其全部或大部分为减弱药包,药包紧贴朝向自由面的孔壁,孔隙部分用细砂填塞。在主炮孔起爆后再起爆缓冲炮孔。

(3)预裂爆破

在轮廓线上布置密集孔眼,构成预裂孔眼。在主装药爆破孔起爆前先同时起爆预裂孔,便可在预裂孔的联结线上形成宽1～2cm的预裂缝。这样,在主爆孔爆破时,爆破范围外的岩石受到预裂缝的良好保护,具有较好的光面效果和减震作用。

光面爆破可使岩层不受明显破坏,且岩壁平整；可减少超挖、欠挖工程量和施工费用；可减少和限制地震效应,以及飞石、冲击波的危险作用。

思考题

1.试述土的可松性及其对土方施工的影响。

2.确定场地设计标高H0时应考虑哪些因素?

3.试述按挖填平衡原则确定场地设计标高H0的步骤和方法。

4.土方调配应遵循哪些原则,调配区如何划分,如何确定平均运距?

5.试述用“表上作业法”确定土方最优调配方案的步骤和方法。

6.影响边坡稳定的因素有哪些?请说明原因。

7.试分析产生流砂的原因及防治流砂的途径和方法。

8.试述轻型井点的布量方案和设计步骤。

9.常用的土方机械有哪些?试述其工作特点及适用范围。

10.如何提高推土机、铲运机和单斗挖土机的生产率?如何组织土方工程综合机械化施工?

11.影响填土压实的主要因素有哪些?如何检查填土压实的质量?

12.试解释土的最佳含水量和最大干密度,它们与填土压实的质量有何关系?

13.试述爆破原理和作用,炸药种类及性能。

14.爆破施工中常用哪几种爆破方法?比较其优缺点及适用范围。

15.爆破施工中应采取哪些安全措施?

习　题

1.某基坑底长85m,宽60m,深8m,四边放坡,边坡坡度1∶0.5。

(1)试计算土方开挖工程量。

(2)若混凝土基础和地下室占有体积为21000m3,则应预留多少回填土(以自然状态土体积计)?

(3)若多余土方外运,问外运土方(以自然状态的土体积计)为多少?

(4)如果用斗容量为3.5m3的汽车外运,需运多少车?(已知土的最初可松性系数KS=1.14,最后可松性系数K′S=1.05)。

2.试推导出土的可松性对场地平整设计标高的影响公式,H′0=H0+Δh

3.某工程场地平整,方格网(20m×20m)如下图所示,不考虑泄水坡度、土的可松性及边坡的影响,试求场地设计标高H0,定性标出零线位置。(按填挖平衡原则)

4.某土方工程,其各调配区的土方量和平均运距如下表所示,试求其土方的最优调配方案。

5.某基坑底面积为20m×30m,基坑深4m,地下水位在地面以下1m,不透水层在地面以下10m,地下水为无压水,土层渗透系数为15m/d,基坑边坡坡度为1∶0.5,拟采用轻型井点降水,试进行轻型井点系统的布置和计算。

6.某基坑底面尺寸为30m×50m,深3m,基坑边坡坡度为1∶0.5,地下水位在地面下1.5m 处,地下水为无压水。土质情况：天然地面以下为1m厚的杂填土,其下为8m厚的细砂含水层,细砂含水层以下为不透水层。拟采用一级轻型井点降低地下水位,环状布置,井点管埋置面不下沉(为自然地面),现有6m长井点管,1m长滤管,试：

(1)验算井点管的埋置深度能否满足要求；

(2)判断该井点类型；

(3)计算群井涌水量Q时,可否直接取用含水层厚度H,应取为多少?为什么?