第1章 土方工程
1.1 概 述 1.1.1 土的工程分类 1.1.2 土的工程性质 八大类(16个级别):松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、 1.土的可松性: 1.1 概 述 1.1.1 土的工程分类 八大类(16个级别):松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、 软石、次坚石、坚石、特坚石。 1.1.2 土的工程性质 1.土的可松性: 自然状态下的土,经开挖,其体积因松散而增 加,虽经回填压实,仍不能恢复成原来的体积。 ——最初可松性系数 ——最终可松性系数
2.土的密度: 3.土的含水量: ⑴天然密度: 指土在天然状态下单位体积的质量(kg/m3)。 ⑵土的干密度: 指土中水的质量与土的固体颗粒质量之比。
4.土的渗透性: 5.原状土经机械压实后的沉降量: 指水流通过土中孔隙的难易程度。 当水力坡度 时,地下水在土中渗流 的速度,称渗透系数K。 L Δh 当水力坡度 时,地下水在土中渗流 的速度,称渗透系数K。 5.原状土经机械压实后的沉降量: 根据不同土质,其沉降量一般在:3~30cm之间。 式中:P——机械压实的有效作用力(MPa) C——原状土的抗陷系数(MPa)
1.2 场地平整 1.2.1 按挖填方平衡原则 确定场地设计标高 1.初步确定场地设计标高H0: ⑴ 测绘出场地的地形图; a 1.2 场地平整 a H22 H12 H11 H21 1.2.1 按挖填方平衡原则 确定场地设计标高 1.初步确定场地设计标高H0: ⑴ 测绘出场地的地形图; ⑵将场区划分成方格网; ⑶根据相邻等高线,用插入法求出各方格角点的地面标高; ⑷按挖填方平衡原则确定H0。
2.场地设计标高的调整: 挖方区有: 填方区有:
3.最后确定场地各方格角点的设计标高(Hn): ⑴当设计对泄水坡度有规定时,按设计要求进行; ⑵当设计无要求时,取泄水坡度 i≥2‰; ⑶排水方向取顺自然地面方向。 (a)单向泄水 (b)双向泄水
1.2.2 用最小二乘法原理求最佳设计平面 式中: α a c b x z y β ix iy 目的:满足填、挖方平衡,又 β ix iy 目的:满足填、挖方平衡,又 满足总的土方量最小。 适用范围:大型场地、地形复杂
1.2.3 场地平整土方量计算 1.计算场地各方格角点的施工高度: “+”为填方;“-”为挖方。 2.确定零线: 编号 施工高度 地面标高 设计标高 1.计算场地各方格角点的施工高度: “+”为填方;“-”为挖方。 A B h2 h1 x a 2.确定零线: 3.计算每一方格的挖填方工程量: ⑴方格四个角点全部为挖(填)方时:
⑵两个角点为挖、两个角点为填时: 挖方: 填方: ⑶方格三个角点为挖、另一个角点为填时: 填方: 挖方:
⑷零线通过方格的对角线时: 小结:
1.3 基坑工程 1.3.1 土方边坡及其稳定: 1. m=B/H,m——坡度系数 m的物理意义:当基坑深为1米时,边坡宽度的大小。 1.3 基坑工程 边坡坡度图 B H 1.3.1 土方边坡及其稳定: 1. m=B/H,m——坡度系数 m的物理意义:当基坑深为1米时,边坡宽度的大小。 边坡可以做成:直线形、折线形、踏步形。
影响边坡系数m大小的因素: 2. ⑴ 土质; ⑵ 挖土深度; ⑶ 施工期间边坡上的荷载; ⑷ 土的含水率及排水情况; ⑸ 边坡的留置时间。 *土含水量增加,对边坡稳定的影响: 土含水量增加,将增大土的自重,从 而使剪应力增加; 土含水量增加,土颗粒间粘结力减小, 土的抗剪强度降低。
1.3.2 土壁支护: 三种类型:加固型支护、支挡型支护、混合型支护。 1.加固型支护:是对基坑边坡滑动棱体范围及其附近土体进行加固,改善其物理力学性能,使其成为具有一定强度和稳定性的土体结构,从而保证土体结构,并兼有抗渗作用。 按施工方法分:◆ 深层搅拌水泥土桩墙支护; ◆ 高压喷射旋喷桩支护。 2.支挡型支护:是利用设置在基坑土壁上的支挡构件承受土壁的侧压力及其他荷载,保持土体结构的稳定。 按施工方法分: 土钉支护(土钉墙); 土层锚杆支护; 排桩式支护; 板桩支护; 钢木支撑。
⑴重力式水泥土墙: *若按受力状态分: 横撑式支撑、板桩式支护结构(悬臂式、支撑式)、重力式支护结构(如:地下砼连续墙)。 水泥土墙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),而构成重力式支护结构。 重力式水泥土墙支护结构的设计包括: ①整体稳定; ②抗倾覆稳定; ③抗滑移稳定; ④位移; ⑤其他:验算抗渗、墙体应力、地基强度。
⑵板桩: 1.板桩设计的五要素: 板桩工程事故失败的主要原因: ★ 入土深度; ★ 截面弯矩; ★ 支点反力; ★ 拉锚长度; ● 入土深度不够,在土压力的作用下, 板 桩的入土部分走动而出现坑壁滑坡; ★ 入土深度; ★ 截面弯矩; ★ 支点反力; ★ 拉锚长度; ★ 板桩位移。 ● 板桩本身刚度不够,在土压力作用下失 稳弯曲; ● 支撑或拉锚的强度不够; ● 拉锚长度不足,锚碇失去作用而使土体 滑动; ● 板桩位移过大,造成周边环境的破坏。
2.“等值梁法“计算原理: 计算Mmax,选择板桩截面。 单支点板桩的计算原理(分:自由支撑和嵌固支撑) ⑴自由支撑单支点板桩: ep ea H t H1 Ha ea ep-ea Mmax f 计算Mmax,选择板桩截面。
⑵嵌固支撑单支点板桩:
用等值梁法计算嵌固支撑单支点板桩内力: ①计算作用于板桩上的主动土压力和被动土压力; ②计算板桩上土压力强度为零的点C至地面的距离; ③将板桩在C点截断,利用∑X=0,∑M=0,计算等值梁AC 段的支座反力Rc和支撑反力Ra; ④计算板桩的入土深度; ⑤根据“等值梁”的受力图,求得Mmax;选择板桩截面。
1.3.3 基坑、基槽土方工程量计算 F1 1.基坑: H F0 F2 2.基槽: H 1.3.3 基坑、基槽土方工程量计算 F1 1.基坑: H F0 F2 2.基槽: ⑴条形基础的基槽在某一段长度内,基槽截面形状、尺寸不变时: H I-I ⑵管沟土方量计算:
1.3.4 降水 降水方法: 集水坑降水法、井点降水法。 1.集水坑降水法: 1.3.4 降水 降水方法: 集水坑降水法、井点降水法。 1.集水坑降水法: 是在基坑开挖过程中,沿坑底周围或中央开挖有一定坡度的排水沟,在坑底每隔一定距离设一个集水坑,地下水通过排水沟流入集水坑中,然后用水泵抽走。 适用范围:面积较小、土质较好、粗颗粒土层或粘性土层、降水深度不大的基坑(槽)开挖工程。 ⑴ 集水坑的设置: ⑵ 抽水设备: 离心泵、潜水泵、软轴水泵。
⑶流砂的产生与防治: ① 产生的原因: F GD Q ② 防治方法: h1 TLF h2 ρh2F ρh1F L ◆ 改变动水压力方向; ◆ 改变动水压力方向; ◆ 减小动水压力,增大渗流路径。
2.井点降水法: 井点类型 K(m/d) H(m) 3.轻型井点: ⑴ 轻型井点设备: 管路系统:滤管、井点管、弯联管、总管。 0.1~50 3~6(6~12) 喷射井点 0.1~2 8~20 电渗井点 <0.1 管井井点 20~200 3~5 深井井点 10~250 >15 3.轻型井点: ⑴ 轻型井点设备: 管路系统:滤管、井点管、弯联管、总管。 抽水设备:真空泵、射流泵、隔膜泵。
⑵ 轻型井点布置: ①平面布置: 单排线状布置:B<6m 双排线状布置; 环状布置。 ② 高程布置: L
示例:基坑底宽1.8m,深3m,地下水位距地面1.2m,土方边坡1:0.5, ② 高程布置: 式中:HA——井点管的埋设深度(m); H1——井点管埋设面至基坑底面的距离; h1——基坑底面至降低后的地下水位的距离; 取0.5~1m。 I——水力坡度;单排:1/4;双排:1/10。 L——井点管至基坑中心的水平距离。(当井点管为 单排布置时,为井点管至对边坡脚的水平距离) 最小降水深度S:基坑中心的降水深度 示例:基坑底宽1.8m,深3m,地下水位距地面1.2m,土方边坡1:0.5, 采用轻型井点降水。 试确定:⑴ 平面布置类型; ⑵ 井点管最小埋深及要求的降水深度; ⑶ 当采用6m长井点管时,其实际埋深及降水深度。
【解】 ⑴ 计算基槽上口宽度: ∴ 采用单排线状布置。 ⑵ 最小埋深HA及降水深度S: ⑶ 若采用6m井点管,确定HA和S:
⑶ 轻型井点系统涌水量计算: ① 轻型井点系统的类型: 无压完整井、无压非完整井; 承压完整井、承压非完整井。
地下含水构造的种类 滞水层 不透水层 潜水层 不透水层 承压水层 不透水层
② 涌水量计算: 无压完整井涌水量计算: 式中:Q——涌水量(m3/d); K——渗透系数(m/d); H——含水层厚度(m); S——水位降低值(m); R——抽水影响半径(m); x0——假想半径(m); 适用条件:①矩形基坑的长宽比≤5; ②基坑宽度≤2R。 F——井点管包围的面积(m2)。
无压非完整井涌水量计算: H0——抽水影响深度(m)。 H0的取值: H0 0.8 0.5 0.3 0.2
承压完整井涌水量: 承压水位 不透水层 含水层 h s H M R M——承压含水层厚度。
⑷ 井点管的数量及间距: ①数量: ②间距: 示例: 式中:q——单根井点管的最大出水量(m3/d); d——滤管直径(m); l——滤管长度(m); ②间距: 示例: 设备基础施工,基坑底宽8米,长12米,深4米,土方边坡1:0.5,不透水层距地面9米,地下水位距地面1.5米,K=5,井点管长6米,直径50毫米,滤管长1米。 试进行轻型井点设计。
【解】 ⑴井点管布置: 根据基坑尺寸,采用环状井点。 而 ∴ 满足要求。 ⑵判断井点管类型: ∴属无压非完整井。 ∴满足条件。
⑶计算涌水量: 而含水层深度: 又:
⑷井点管布置: 数量: 井距:
1.4 土方填筑与压实 1.4.1 土料的选择和填筑方法 1.4.2 填土压实的方法: 1.土料的选择: ⑴碎石类土、砂土、爆破石渣,可作表层以下的填料; ⑵含水量符合压实要求的粘性土,可作各层填料。 不能选用的几种土: ▲含水量大的土; ▲淤泥、冻土、膨胀性土及有机物含量>8%的土; ▲硫酸盐含量>5%的土。 ▲在道路工程中,粘性土不是理想的路基填料。 2.填筑方法: ▲接近水平的分层填土、分层压实; ▲采用两种回填土时,应分层填筑,不得混杂使用。 1.4.2 填土压实的方法: 碾压法 ——大面积填筑工程。滚轮压力。压路机、平碾、羊足碾…… 夯实法 ——小面积填筑工程。冲击力。蛙式夯、柴油夯、人工夯…… 振动压实法 ——非粘性土填筑。颗粒失重、排列填充。振动夯、平板振捣器
1.4.3 影响填土压实质量的因素 土的含水量、铺土厚度、压实功。 ——小则不粘结、摩阻大,大则橡皮土; ρ w 1.土的含水量: 1.土的含水量: 最优含水量:使填土压实获得最大密实度时的含水量。 ——小则不粘结、摩阻大,大则橡皮土; 应为最优含水量 2.铺土厚度: 填方每层铺土厚度应根据土质、压实的密实度要求和压实机械的性能确定。 不同机械有效影响深度不同。 z σ 一般H取:200mm~300mm。 ρ W(N·m) 压实机械 每层铺土厚度(mm) 压实遍数 平碾 250~300 6~8 振动压实机 250~350 3~4 柴油打夯机 200~250 人工打夯 < 200 3.压实功: 压实遍数
1.4.4 填土压实的质量检查 1.质量要求: 2.检查方法: 压实系数(λc):是土的施工控制干密度和土的最大干密度的比值。 P42表1-23填土压实系数 (一般场地平整0.9,填土作地基0.93~0.96) 2.检查方法: 采用“环刀法”按规定取样。
土的最优含水量和最大干密度参考表 项次 土的种类 变动范围 最优含水量(%) (质量比) 最大干密度 (103kg/m3) 1 砂 土 8~12 1.80~1.88 2 粘 土 19~23 1.58~1.70 3 粉质粘土 12~15 1.85~1.95 4 粉 土 16~22 1.61~1.80
1.5 土方工程机械化施工 1.5.1 推土机: 1.5.2 单斗挖土机: 正铲、反铲、抓铲、拉铲。 作业方法:下坡推土法; 并列推土; 槽形推土; 多铲集运; 铲刀上附加侧板。 适用范围:场地清理、场地平整、 开挖深度不大的基坑、 回填土等。 1.5.2 单斗挖土机: 正铲、反铲、抓铲、拉铲。 正铲挖掘机 1.正铲挖土机: 工作特点:前进向上,强制切土。 适用范围:基坑内作业、3m以上无地下水的干燥基坑。 停机面以上、含水量30%以下、一~四类土的 大型基坑开挖。 作业方式:正向挖土、侧向卸土; 正向挖土、后方卸土。
2.反铲挖土机: 反铲挖掘机 工作特点:后退向下、强制切土。 适用范围:开挖停机面以下、一至三类的砂土或粘土,最大挖 土深度4~6m。基坑、基槽、管沟等。 作业方式:沟端开挖; 沟侧开挖。 3.抓铲挖土机: 工作特点:直上直下、自重切土。 适用范围:停机面以下、开挖较松软的土(一~二类土),窄 而深的基坑、沉井,特别是水下挖土。 作业方式:立于作业面一侧。 抓铲挖掘机 拉铲挖掘机 4.拉铲挖土机: 工作特点:后退向下、自重切土。 适用范围:停机面以下、一至三类土,较大基坑、沟渠,挖取 水下泥土。填筑路基、堤坝、河道清淤。 作业方式:沟端开挖;沟侧开挖。
总结 H0 Hn hn V 场地平整 m 土方工程 机械化施工 基坑工程 填筑压实 △h 支护 板桩 降水 工作特点 填压方法 影响因素 质量检查
复习思考 1.1 土的可松性在工程中有哪些应用? 1.2 场地设计标高的确定方法有几种?它们有何区别? 1.3 试述影响边坡稳定的因素有哪些?并说明原因。 1.4 土壁支护有哪些形式? 1.5 试述“相当梁法”的计算原理。 1.6 水泥土墙设计应考虑哪些因素? 1.7 降水方法有哪些?其适用范围有哪些? 1.8 简述流砂产生的原因及防治措施? 1.9 轻型井点的设备包括哪些? 1.10 轻型井点的设计包括哪些内容?其设计步骤如何? 1.11 单斗挖土机有几种形式?分别适用开挖何种土方? 1.12 叙述影响填土压实的主要因素? 1.13 填土的密实度如何评价? 1.14 雨季施工为什么易塌方? 1.15 在什么情况下,需设置基坑支护结构? 1.16 什么是土钉墙?简述其工作原理。土钉墙支护具有哪些优点? 1.17 基坑支护结构的选型应满足哪些要求?
练习 1.名词解释: ⑴土的最终可松性系数: ⑵流砂现象: ⑶渗透系数: ⑷动水压力: ⑸坡度系数: ⑹压实系数: ⑺土的最佳含水量: ⑻土的可松性: ⑼基坑支护结构: ⑽土层锚杆: ⑾土钉墙: 练习
2.单项选择: ⑴某基坑开挖土方量为V1,基础在坑内占体积为V2,土的最初可松性系数和最终可松性系数分别为Ks和K’s。则该基坑除留下回填用土后的多余土方外运量为:( ) A. B. C. D. ⑵井点降水系统计算时引入假想半径x0的条件是基坑长宽比( )。 A.不大于5 B.不小于5 C.不大于6 D.小于8 D A 练习
练习 ⑶在含有自由潜水面的两个不透水层之间的砂性含水层中,当埋入的井点达到下面不透水层时,该水井类型为( )。 ⑶在含有自由潜水面的两个不透水层之间的砂性含水层中,当埋入的井点达到下面不透水层时,该水井类型为( )。 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 ⑷当基坑的土是细砂或粉砂时,宜选用的降水方法是( )。 A.四周设排水沟与集水井 B.用抽水泵从基坑内直接抽水 C.同时采用方法A与B D.轻型井点降水 ⑸场地设计标高的调整,考虑土的可松性影响,引起场地设计标高的变化( )。 A. B. C. D. C D A 练习
练习 ⑹当用单斗挖掘机开挖基槽时,宜采用的工作装置为( )。 B D ⑺确定填土压实的每层铺土厚度应考虑的因素为( )。 ⑹当用单斗挖掘机开挖基槽时,宜采用的工作装置为( )。 A.正铲 B.反铲 C.拉铲 D.抓铲 ⑺确定填土压实的每层铺土厚度应考虑的因素为( )。 A.压实方法 B.土的含水量 C.压实遍数 D.综合考虑A和C ⑻在土方工程中,对于大面积场地平整、开挖大型基坑、填筑堤坝和路基等,宜首先选择的土方机械为( )。 A.单斗挖土机 B.推土机 C.铲运机 D.多斗挖土机 ⑼轻型井点降水中系统中,离心泵的吸水扬程( )。 A.越小越好 B.越大越好 C.大小均可 D.等于零 ⑽在同一压实功条件下,土的含水量对压实质量的影响是( )。 A.含水量大好 B.含水量小好 C.含水量为某一值好 D.含水量为零时好 C D B 练习
练习 3.填空题: ⑴土的工程分类是按土开挖的难易程度将土分为( )大类。 ⑵轻型井点的布置应根据( )、( )、( )、( )而定。 ⑴土的工程分类是按土开挖的难易程度将土分为( )大类。 ⑵轻型井点的布置应根据( )、( )、( )、( )而定。 ⑶填土压实方法有( )、( )、( )。 ⑷影响填土压实的因素有( )、( )、( )。 ⑸流砂产生的原因是( ),防治流砂的方法有( )、( )等。 ⑹基坑坑壁支护的类型有( )、( )、( )三种。 ⑺板桩设计的五要素( )、( )、( )、( )、( )。 ⑻基坑降水的方法有( )、( )。 ⑼井点降水根据开挖深度不一样,渗流速度不一样,可划分为( )、( )、( )、( )和( )五种类型。 ⑽轻型井点平面布置的形式有( )、( )、( )。 练习
练习 3.填空题: ⑴土的工程分类是按土开挖的难易程度将土分为( 八 )大类。 ⑴土的工程分类是按土开挖的难易程度将土分为( 八 )大类。 ⑵轻型井点的布置应根据(基坑大小与深度)、(土质)、(地下水位高低与流向)、(降水深度要求)而定。 ⑶填土压实方法有(碾压法)、(夯实法)、(振动压实法)。 ⑷影响填土压实的因素有(土的含水量)、(铺土厚度)、(压实功)。 ⑸流砂产生的原因是( ),防治流砂的方法有(改变动水压力方向)、(增大动水压力路经)等。 ⑹基坑坑壁支护的类型有(加固型)、(支挡型)、(混合型)三种。 ⑺板桩设计的五要素(入土深度)、(截面弯矩)、(支点反力)、(拉锚长度)、(板桩位移)。 ⑻基坑降水的方法有(集水坑降水法)、(井点降水法)。 ⑼井点降水根据开挖深度不一样,渗流速度不一样,可划分为(轻型井点)、(喷射井点)、(电渗井点)、(管井井点)和(深井井点)五种类型。 ⑽轻型井点平面布置的形式有(单排线状布置)、(双排现状布置)、(环状布置)。 练习
练习 ⑾轻型井点系统的类型有:( )、( )、( )、( )。 ⑿无压完整井涌水量的计算公式是:( )。 ⒀正铲挖土机的工作特点:( )。 ⑾轻型井点系统的类型有:( )、( )、( )、( )。 ⑿无压完整井涌水量的计算公式是:( )。 ⒀正铲挖土机的工作特点:( )。 ⒁反铲挖土机的工作特点:( )。 ⒂单斗挖土机包括:( )、( )、( )、( )。 ⒃最佳设计平面既能使( ),又能保证( ),一般可用( )原理求解。 ⒄一般轻型井点的管路系统包括:( )、( )、( )、( )。 练习
练习 ⑾轻型井点系统的类型有:( 无压完整井 )、(无压非完整井)、 (承压完整井)、(承压非完整井)。 ⑾轻型井点系统的类型有:( 无压完整井 )、(无压非完整井)、 (承压完整井)、(承压非完整井)。 ⑿无压完整井涌水量的计算公式是:( )。 ⒀正铲挖土机的工作特点:(前进向上、强制切土)。 ⒁反铲挖土机的工作特点:(后退向下、强制切土)。 ⒂单斗挖土机包括:(正铲挖土机)、(反铲挖土机)、(拉铲挖土机)、 (抓铲挖土机)。 ⒃最佳设计平面既能使(土方工程量最小),又能保证(填挖方量相等), 一般可用(最小二乘法)原理求解。 ⒄一般轻型井点的管路系统包括:(井点管 )、(滤管)、(弯联管)、 (总管)。 练习
作业问题: 1.填方土:为预留土——既要考虑松散状态,又要考虑回填时的 夯填。 2. ⑴泄水坡度方向的判断; ⑵图上计算法; ⑶最后结果的汇总;(∑V) 3. ⑴轻型井点类型的判断; ⑵H0的取值; ⑶S的取值; ⑷D取值。
练习 4.计算题: 解: ⑴某建筑物外墙采用条形基础,基础及基坑断面尺寸如图所示。 地基为粘土,边坡坡度为1:0.33。已知Ks=1.30,K’s=1.05。 计算:50米长的基坑的土方挖方量; 若留下回填土,余土全部运走,计算预留回填土量及弃 土量。 600 1500 1200 1000 500 解: 练习
⑵某建筑物用地方格网如图所示,方格边长为20米,双向排水,ix=iy=2‰,不考虑土的可松性影响。 计算:场地设计标高;各方格角点的施工高度;场地挖填方总土方量。 解: 1.求H0: 2.求Hn和hn:( 图上求解) 3.求V: 练习
3.83 276 95.83 ·H0 练习 4. 填方:∑V=475.32m3 ;挖方:∑V=475.32m3
‰ iy=2‰ iy=2‰ 本题错误: ⑴ix、iy为‰; ⑵iy方向错误; ⑶3、4、5、11、12、13、14节点Hn计算错误。 11 +0.49 12 13 14 28.1 28.59 28.65 28.71 28.77 8 28.67 iy=2‰ iy=2‰ 1 2 3 4 5 28.51 28.57 28.63 28.69 28.75 本题错误: ‰ ⑴ix、iy为‰; ⑵iy方向错误; ⑶3、4、5、11、12、13、14节点Hn计算错误。
解: ⑶建筑物外墙为条形毛石基础,基础平均截面面积为3.0m2。基 坑深2.0m,底宽1.5m,地基为亚粘土。已知:1:m=1:0.5; ; 计算100延长米的基槽土挖方量、填方量和弃土量。 解:
解: ⑷回填一个体积500立方米的土坑,回填土的可松性系数, , 。计算取土挖方的体积,如果运土车容量为4立方米一 车,需运多少车次? ⑷回填一个体积500立方米的土坑,回填土的可松性系数, , 。计算取土挖方的体积,如果运土车容量为4立方米一 车,需运多少车次? 解: 取土体积:
600 1500 1200 1000 500