第三章、土石方工程施工与地基处理,土石方工程是环境工程土建施工中的主要工程之一它包括一切土(石)方的挖掘、运输、填筑、平整等施工过程以及施工排水、地基处理等辅助工程。工程量大，施工条件复杂，工程所需的劳动量和机械动力消耗都很大，这些往往是影响施工进度、成本及工程质量的因素。,土石方工程一般分为两大类：1、场地平整施工，即在地面上进行挖填方作业。将拟建工程的场地按照场区竖向规划设计的要求平整为符合设计标高的平面2、沟槽、基坑的施工，在地面以下开挖各种断面形式的地下管道沟槽，当两条或多条管道共同埋设时，还需采用联合槽。,土石方工程的特点是影响因素多，施工条件复杂。土壤中天然物质种类多，成分复杂，性质各异，又多为露天作业，施工直接受到地区的地形、水文地质、气候以及工程地质等诸多条件的影响，在繁华的城市中施工还会受到施工环境的影响；工程量大，施工面积广。环境工程管道施工属于线型工程，长度常达数十千米，而某些大型污水处理工程，在场地平整和大型基坑开挖中，土方施工工程量往往可达数十万到百万立方米。,因此，合理地选择土方机械，有组织地进行机械化施工，对于缩短工期，降低工程成本具有重要意义。为此，施工前要作好调查研究，充分掌握施工区域的地形地物、水文地质和气象资料，采用合理、有效的施工方案组织施工。本章将围绕上述特点来叙述土的工程性质和分类、施工场地平整、沟槽与基坑开挖、施工排水、支撑设置、土方回填与夯实、地基加固处理及土石方爆破施工等内容。,第一节、工程地质情况,土是岩石在地质作用下经风化、破碎、剥蚀、搬运、沉积等过程的产物。土是由固体颗粒、水和气体组成的三相分散系。固体颗粒组成土的骨架，颗粒大小及其搭配是影响土性的基本因素；土中水是溶解着各种离子的溶液，其含量多少也明显影响土的性质如含水量高的土往往比较软，特别是由细小颗粒组成的粘性土，含水多少直接影响土的强度；土中气可以与大气相连，也可以气泡形式存在，对土性影响相对较小。,土的性质一方面取决于每一相的特性，另一方面取决于土的三相比例关系。由于气体易被压缩，水能从土体流进或流出，土的三相的相对比例会随时间和荷载条件的变化而变化，土的一系列性质也随之改变。土在形成过程中所经历的每一个环节以及在形成后沉积时间的长短、外界环境的变化、都对土的性质有显著的影响。,一、土的组成,1、土的固体颗粒 土中固体颗粒的大小和形状、矿物成分及其颗粒大小的相互搭配情况是决定土的物理、力学性质的主要因素。粗大土粒往往是岩石经物理风化作用形成的原生矿物，主要呈块状或粒状，而细小土粒主要是岩石经化学风化作用形成的次生矿物和生成过程中混入的有机物质主要呈片状。,（1）、土的颗粒级配,工程土常常是不同粒组（共分六大粒组见P28表）的混合物，而土的性质主要取决于不同粒组的相对含量，土的颗粒级配(又称土的粒度成分)是指大小土粒的搭配情况，通常以土中各个粒组于土的相对含量的百分比来表示。为了了解各粒组的相对含量，就需进行颗粒分析，颗粒分析的方法有筛分法和比重（密度）计法。,筛分法适用于粒径在60mm0.1mm的土。试验时，将风干的均匀土祥放入一套孔径不同的标准筛，标准筛的孔径依次为60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm、1.0mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm经筛析机上、下震动，将土粒分开，称出留在每个筛上的土重，即可求出留在每个筛上土重的相对含量。,对于粒径小于0.1mm的土，可用比重计法，土粒大小相当于在比重计中与实际土粒有相同沉降速度的理想圆球体的直径。 根据颗粒大小分析试验成果，可以绘制如下图所示的颗粒级配累积曲线。其横坐标表示粒径。因为土粒粒径相差常在百倍、干倍以上，所以宜采用对数坐标表示。纵坐标则表示小于(或大于)某粒径的土质量含量(或称累计百分含量)。由曲线的坡度可以大致判断土的均匀程度。例如，曲线较陡，则表示粒径大小相差不多，土粒较均匀；反之，曲线平缓，则表示粒径大小相差悬殊，土粒不均匀，级配良好。,利用不均匀系数Ku来评价土的均匀程度，即式中 d10小于某粒径的土粒质量累计百分数为10时，该粒径称为有效粒径d10 。； d60小于某粒径的土粒质量累计百分数为60时，该粒径称为限定径直径d60 。 Ku越大表示土粒大小的分布范围越大，其级配越良好，作为填方工程的土料时，则比较容易获得较大的密实度。,还有一项指标就是Kc，即Kc叫做曲率系数，描写累积曲线分布范围，反映曲线整体形状。 工程上把Ku 5的土看做是均粒土，属级配不良；Ku10的土，属级配良好。实际上，单独只用一个指标Ku来确定的级配情况是不够的，要同时考虑累积曲线的整体形状。例如，砾类土或砂类土同时满足Ku5和Kc13两个条件时，则定名为良好级配砾或良好级配砂。,对于级配良好的土，较粗颗粒间的孔隙被较细的颗粒所填充，因而土的密实度较好，相应的地基土的强度和稳定性也较好，透水性和压缩性也较小，可用作堤坝或其他土建工程的填方土料。,（2）、土里的矿物成分,土粒的矿物成分决定于母岩的成分及所经受的风化过程。粗大土粒如漂石、卵石、圆砾都是岩石的碎屑，其矿物成分与母岩相同；砂粒大部分是母岩的单矿物颗粒，如石英、长石、云母等；粉粒的矿物成分主要是一些难溶盐，如MgCO3，、CaCO3等。粘粒的矿物成分主要有粘土矿物、氧化物、氢氧比物及各种难溶盐类，它们都是次生矿物。,粘土矿物颗粒很微小，形状为鳞片状或片状，内部具有层状晶体构造。它是由两种原子层（称为晶片）构成的，一种是硅氧晶片，另种是铝氢氧晶片(如右图)。,两种晶片的不同组合(晶胞)，便构成了不同的粘土矿物，如：蒙脱石、伊里石和高岭石三类,蒙脱石结构单元是两层硅氧晶片之间夹一层铝氢氧晶片组成(如上图a)，晶胞之间都是氧原子，联接很弱，水分子很容易进入晶胞之间。因此，当土中含有较多的蒙脱石时，土具有较大的吸水膨胀和脱水收缩的特性。 伊里石的结构单元类似蒙脱石(如上图b)，不同的是Si-O四面体中的Si4+被Al3+、Fe3+取代，为补偿正电荷的不足，晶胞之间出现一价正离子，使晶胞之间有微弱的联接，其亲水性不如蒙脱石。 高岭石的结构单元是由一层铝氢氧晶片和一层硅氧晶片组成(如上图c)，晶胞的一面是氢氧基，另一面是氧原子，具有较强的联接力，水分子不能进入，亲水性小。,2、土中的水,一般情况下，土中总是含水的。土中水按其形态可分为液态、固态、气态。,（1）、土中液态水,液态水主要有：结合水和自由水。（1）结合水 结合水是受土粒表面电场吸引的水，分强结合水和弱结合水。当土颗粒比较细小时，颗粒表面往往带有负电荷，因此，在土粒周围形成电场土中水分子是极性分子，氢原子端呈现正电荷，氧原子端呈现负电荷，水分子及水溶液中的阳离子(如Na+、Ca2+、Al3+等)被土粒电场所吸引，水分子呈定向排列。,水溶液中的阳离子，一方面受电场吸引，另一方面受由于布朗运动的扩散力作用、在最靠近土粒表面、静电引力大于扩散力，水分子被牢固吸附在颗粒表面，形成强结合水层(又称固定层)。在离土粒表面较远的地方，静电引力比较小，水分子的活动性比较大，从而形成弱结合水层(又称扩散层)。,结合水分子定向排列图,结合水不具备普通水的性质，强结合水没有溶解盐类的能力，不能传递静水压力，密度在1224kNm3，冰点为78，具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度，其性质接近于固体。弱结合水，其离土粒表面愈远，受到电分子引力愈小，并逐渐过渡到自由水。,(2)自由水自由水是不受土粒电场吸引的水，其性质与普通水相同。自由水又分重力水与毛细水。 重力水是存在于地下水位以下透水土层中的水，它能在重力或压力差作用下运功。对土颗粒有浮力作用。毛细水是存在于地下水位以上透水层中的水。它是由于水与空气交界处表面张力作用而产生。若把土的孔隙看作是连续的变截面的毛细管，根据物理学可知，毛细管直径越小，毛细水的上升高度越高。因此，粘性土中毛细水的上升高度比砂类土要大。,（2）、土中固态水,当地层的温度降至0以下时，土中水便结冰。形成固态水。水结冰，体积会大因此土中水结冰，可吸收周围未结冰的水，形成扁冰片，使土体产生冻胀，破坏土的结构。冻胀力会使路基破坏、基础上抬；冻土融化后，基土结构破坏，含水量增大，形成翻浆冒泥，又使土体强度大大降低，道路开裂，房屋建筑产生大量下沉。,3、土中气,土中气体常与大气连通或以封闭气泡的形式存在于土中，前者在受到外力作用时，能很快从孔隙中被挤出，对土的性质影响不大；后者在外力作用时，气泡可被压缩或溶解于水中，当外力减小时，气泡会恢复原状或重新游离出来，使土的压缩性增大。,4、土的结构与构造,土的结构是指土颗粒的大小、形状、相互联结的方式。通常有三种结构：单粒结构蜂窝结构和絮状结构。单粒结构通常是由砂粒或更粗大的颗粒在水或空气中沉积形成。由于颗粒自重大于颗粒之间的引力，颗拉是以单个颗粒相互联结的。松散的单粒结构是不稳定的，在荷载的作用下变形很大；密实的单粒结构是良好的天然地基，如下图。,蜂窝结构是由粉粒(粒径在0.075mm0.005mm)在水中下沉时形成的，由于颗粒之间的引力大于自重应力，下沉中的颗粒遇到已沉积的颗粒时，就停留在最初的接触点上不再下沉，形成具有很大孔隙的蜂窝结构，如下图所示。,絮状结构是由粘粒(粒径0.005mm)集合体组成。这些颗粒不因自重而下沉长期悬浮在水中，构成孔围很大的絮状结构，如下图所示。,二、土的三相比例指标,土是由固体颗粒、土中水、气三相组成。三相的相对含量不同，对土的工程性质有重要的影响，表示土的三相组成比例关系的指标，称为土的三相比例指标。,1、指标意义,为便于分析，将互相分散的三相，理想化地各自集合起来，如下图所示的土的三相组成示意图来表示各部分之间的数量关系。,图中符号意义如下：ms土粒质量；mw土中水质量；m土的总质量，m=ms+mw；Vs土粒体积；Vw土中水体积；Va土中气体体积；Vv土中孔隙体积，Vv Vw十Va ；V土的总体积，V Vs十Vw十Va 。,（1） 土粒比重(相对密度)ds,土粒重量与同体积4时纯水的重量之比称为土粒比重(无量纲)。即：,土粒相对密度在数值上就等于土粒密度，土粒相对密度决定于土的矿物成分，它的数值一般为2.62.8；有机质土为2.42.5；泥炭土为1.5一1.8。同一种类的土，其相对密度变化幅度很小。 土粒相对密度可在试验室内用比重瓶法测定。出于相对密度变化的幅度不大，通常可按经验数值选用，一般土粒相对密度参考值见课本P33表3-2。,（2）土的含水量,土中水的重量与土粒重量之比，称为土的含水量,以百分数计，即,土的含水量一般用烘干法测定。先称小块原状土样湿土重量，然后置于烘箱内维持100一105烘至恒重，再称干土重量，湿、干土重量之差与干土重量之比就是土的含水量。 土的含水量反映土的干湿程度。含水量越大，土越湿，一般说来土也愈软。土的含水量变化幅度很大，它与土的种类、埋藏条件及所处的地理环境等有关。般干的粗砂土，其值接近于零，而饱和砂土，可达40；坚硬粘土含水量约小于30，饱和状态的软粘土，可达60一70。泥炭土含水量可达300甚至更高。,（3）土的密度,土单位体积的质量，称为土的密度(单位为gcm3或tm3)，即,土的密度一般用“环刀法测定，用一个圆环刀(刀刃向下)放在削平的原状土样面上，徐徐削去环刀外围的土，边削边压，使保持天然状态的土样压满环刀内，称得环刀内土样质量，求得它与环刀容积之比即为其密度。,天然状态下土的密度变化范围在1622kNm3之间 20.0kNm3的土一般是比较密实的；而当 18.0kNm3时，则多是较松软的。,（4）土的干密度 d 、饱和密度 sat和有效密度,单位体积中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度 d，即在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准以控制填土工程的施工质量。,