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1、第一章 土方工程,第一节 土的分类及性质 一、土的分类 1 、按地基土分类: 根据土的颗粒级配或塑性指数分六类 岩石、 碎石土、 砂土、粉土 、粘性土、人工填土 2 、土的工程分类: 按施工的难易程度分八类 松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、 软石、次坚石 坚石、特坚石,二、土的性质 1、可松性 (1)定义 自然状态下的土,经过开挖后,其体积因松散而增加,以后虽经回填压实,仍不能恢复到原来的体积,这种性质称为土的可松性,V2 开挖后土的松散体积 V1 土的自然体积,(2)可松性的表示可松性系数 1) 最初可松性系数 Ks,2) 土的最终可松性系数 K/s,V3 土压实后的体积 V1 土的自然体积
2、,(3)工程中对土的可松性的考虑 1)借土、弃土时应考虑土的可松性,2)确定运土工具时,应考虑土的可松性,式中 Q借土或弃土的量,正表示弃土,负表示借土; Vt;Vw填或挖方的体积; Ks;Ks土的可松性系数,Q=(1000-1500/1.03 )1.08= 492.8m3 结果为负,故该场地应借土 运土的车次为 n=492.8/5=48(车次),例题: 某场地的挖方体积为1000m3,填方体积为1500m3,ks=1.08,ks=1.03,问该场地是借土还是弃土?若用运土量为5m3/车汽车运土,问应运多少车次? 解:根据公式,2、土的含水量 (1)定义:土中水的重量与土的固体颗粒重量之比称为
3、 土的含水量。 (2)表达式 = Ww / W 100% 式中: 土的含水量; Ww 土中水的重量; W 土中固体颗粒的重量; (3)应用 1)填土时应考虑土的最佳含水量; 2)含水量的高低对土的承载力和边坡的稳定性有影响。,3、土的渗透性 (1)定义:土体孔隙中的自由水在重力的作用下会透过土体而运动,土体这种被水透过的性质称为土的渗透性。 (2)表示 :渗透系数 由达西定律 ,即 kV/I 知,渗透系数的物理意义是:当水力梯度等于时水的渗流速度。 ()应用 )地下降水、计算涌水量应考虑渗透系数的大小。 )流砂的防治应考虑。,三、土方边坡 1、土方边坡 (1)边坡的含义 土方施工中为了保持土壁
4、稳定防止塌方,将挖方和填方的边缘作成一定的坡度,这个倾斜的坡度即为边坡。 (2)边坡的表示 土方边坡坡度 或边坡系数 m,m=b/h,边坡坡度,2、土方挖方边坡要求,挖方边坡应根据使用时间(临时或永久性)、土的种类、物理力学性质(内摩擦角、粘聚力、密度、湿度、水文情况)等确定。 (1)不放坡直槽高度 当地下水位低于基底,在湿度正常的土层中开挖基坑或管沟,且敞露时间不长,可做成直壁不加支撑,但挖方深度不宜超过下列规定: 密实、中密的砂土和碎石土1m; 硬塑、可塑的轻亚粘土及亚粘土1.25m; 硬塑、可塑的粘土和碎石土1.5m; 坚硬的粘土2m。,第二节 土方量的计算 一、基坑、基槽的土方量的计算
5、 、基坑 对于基坑土方量可按立体几何中的拟柱体(由两个平行平面作为上、下底的一种多面体)体积计算,先计算上、下两个面的面积F1、F2,再计算其体积。如图示,计算公式为,开挖深度; 、上下两个面的面积; a、b 底面的长度和宽; m放坡系数。,或,amh,a,2 、 基槽 沟槽土方量可沿其长度方向分段(截面相同的不分段)计算,先计算截面面积,再求长度,累计各段计算土方量,如图示,可按下式计算 Vi 第i段的体积(m3); F1、F2 第i段的两端面积(m2); Li 第i段的长度; F0 第i段的中截面积;,例 某建筑外墙采用毛石基础,基础底宽1.07m,开挖深度1.8m,地基为硬塑粘土, 已知
6、土的可松性系数ks1.3,ks1.05。试计算每100m长基槽的挖方量; 若留土后填, 余土全部运走,计算预留土量及弃土量。 解:查硬塑粘土放坡起始深度为1.5m,放坡坡度为10.33,考虑工作面300mm 基础底宽为: (107023001800 0.33)2860mm,解:基础开挖截面积按梯形计算,每100m长基槽的挖方量 V挖=AL=4.08100=408(m2) 基础所占的体积 V基(0.441.07十0.50.67十0.9 0.37)100109.6(m3) 预留填方量(按原土计算):,弃土量(按松散体积计算) V弃(V挖V填)KS(408284.19)1.3160.95(m3),二
7、、场地平整土方量计算 1、设计标高的确定 场地整平常要求场地内的土方在平整前和平整后相等,达到挖填土方量平衡。即“挖填平衡”的原则确定设计标高H0。如图示。 1)在图上划分方格,边长a=1040m,常用a=20 m 2) 根据等高线按比例求解各顶点的地面高程Hij 3) 求解H0,图 场地平整标高计算 1等高线 2自然地坪 3设计标高平面 4自然地面与设计标高平面的交线(零线),化简得 改写成,H0达到挖填平衡的场地标高(m); a方格网边长(m); N方格数(个); H11H22各方格四个角点的标高(m); H11个方格共有的角点标高(m); H22个方格共有的角点标高(m); H33个方格
8、共有的角点标高(m); H44个方格共有的角点标高(m)。,2 、H0的调整 1)考虑土的可松性影响 由于土有可松性,为了达到挖填平衡,则应把H0提高h,如图示,增加高度计算: 由 得 式中: VT、VW 设计标高调整前的填挖方体积 AT、AW 设计标高调整前的填挖方面积; Ks 土的最终可松性系数; h 设计标高的增加值。,2)考虑排水坡度后的标高 H0为理论数值,可作施工粗略确定场地整平标高用,实际场地均有排水坡度,如场地面积较大,一般有2以上的排水坡度,应考虑坡度对设计标高的影响,如果以场地中心为基点,双向排水,式中:Hn场地内任意一点的设计标高 H0坐标原点的设计标高 ix iyx方向
9、y方向的排水坡度(不小于2) lx lyx,y方向至场地中心的距离 由场地中心点沿x,y方向指向计算点,若其方向与ix iy反向则取“+”号,反之取“”号,则场地内任一点实际施工时所 采用的设计标高Hn,可由下式求得,3、 求各顶点的施工高度 式中: hn各顶点的施工高度, “+”为填方,“” 为挖方 Hn各角点的设计标高 Hn各角点的自然标高,4、 确定零线,即挖填的分界线 当一个方格内同时有填方与挖方时,要确定挖填的分界线即“零线”。先确定零点,再把零点连起来得零线(如图)。,零线,填 方 区,挖 方 区,内插法确定零点: 零点确定公式,h1,h1,o1,图 零点及零线的确定,式中hi取绝
10、对值,5 、土方量的计算(四方棱柱体法) 如图示按零线通过的位置不同,方格可分为三种类型,即:全填或全挖、两挖两填、三挖一填或三填一挖,1)全填或全挖,填 方 区,挖 方 区,2) 两挖两填,h1,h2,c,a,零线,3)三挖一填 或三填一挖,6、 求总挖填方量 将所有的挖方填方累加起来即得总的挖填方量,7、 边坡土方量的计算 (1)挖方区、填方区土方边坡 在整平场地、修筑路基的边坡时,常需计算边坡挖填土方量,挖方,填方,挖方区边坡,填方区边坡,设计平面,剖面图,自然地面,(2)边坡几何形状 1)三角棱锥体 2)三角棱柱体 边坡可划分为两种近似的几何形体,一种为三角棱锥体(如体积、11);另一
11、种为三角棱柱体(如体积),然后应用几何公式分别进行土方计算,最后将各块汇总,即得场地边坡总挖、填土方量),(3)边坡体积 1)三角棱锥体体积 三角棱锥体体积V可按下式计算(如图中的),式中:V1边坡三角棱锥体体积(m3); l1边坡的边长(m); m边坡的坡度系数;,2)三角棱柱体体积 a)边坡三角棱柱体积V,可按下式计算(如图中的 ) b)当两端横截面面积相差很大时,式中: V4边坡三角棱柱体积(m3) l4边坡的长度(m) F1、F2、F0边坡两端及中部的横截面面积,(以5角点为中心),不考虑土的可松性影响,试按挖填平整的原则计算该场地平整的土方量。,8 土方计算实例 某场地平整利用方格网
12、法计算其土方量a=20m,各角点编号及自然标高如图示,场地考虑双向排水,ix=0.2%,iy=0.3%,解:(1)确定设计标高H0,2、考虑排水坡度影响,计算每个角点的计算标高(以5角点为中心),同理其余各角点的设标高可计算出并标在图上 H4=9.5; H5=9.56; H6=9.62; H7=9.68; H8=9.54; H9=9.6; H10=9.66; H11=9.72,ix0.2 iy0.3,3.计算各角点的施工高度 同理计算其它各角点的施工高度结果标在图上。,ix0.2 iy0.3,4.计算零点,找零线 利用公式 求零点距角点的距离。 12线 45线,59线 610线 1011线 把
13、零点连成零线,5.计算土方量 方格1245,两挖两填,V+=20(0.83+17.65)(0.01+0.3)/8=14.32m3 V=20(19.17+2.35)(0.23+0.04)/8=14.53m3,方格4589,一挖三填,V+=(202.352.35 /2 ) (0.3+0.74+0.3)/5=106.46m3 V=1/22.352.350.04/3=0.04m3,方格2356,V=20(0.23+0.42+0.04+0.08)/4=77 m3,全挖,方格4589 V+=(20-2.352.35 /2 ) (0.3+0.74+0.3)/5=106.46m3 V=1/22.352.350
14、.04/3=0.04m3 方格2356 V=20(0.23+0.42+0.04+0.08)/4=77 m3 方格56910 V+=1/2(17.65+13.32)20(0.3+0.16)/4=35.63m3 V=20/8(2.35+6.67)(0.04+0.08)=2.71m3 方格671011 V+=1/6(13/339.41)0.16=3.35m3 V=(202-13.339.41)(0.08+0.42+0.18)/5=37.34m3 总土方量 V+=14.32+106.46+35.63+3.35=159.76m3 V=14.53+77+0.04+2.71+37.34=131.62m3,三
15、、土方调配,1、调配原则,1)填方、挖方基本平衡,减少运土,2)填、挖方量与运距的乘积之和尽可能小,使总的运费最低,3)好土应用于回填质量要求高的区域,4)土方调配应与地下构筑物的施工相配合,地下设施的挖土,应留土后填,5)选择恰当的调配方向及线路、避免对流与乱流现象,同时便利调配、机械化施工,2、调配步骤 1)划分调配区 在平面图上划出挖、填区的分界线,并在挖方区和填方区划出若干调配区,确定调配区的大小和位置,2)计算各调配区的土方量,并标于图上,3)计算每对调配区的平均运距(或运输单价),即挖方区土方重心至填方区重心的距离Lij(或单价cij),标于表中,表1 土方平衡与运距表,4)确定最
16、优调配方案 先用“最小元素法”确定初始方案,再用“位势法”进行检查方案总的运输量:若,5)绘制土方调配图,根据以上结果,标出调配方向、土方数量及运距,为最小值,方案最优;否则用“闭回路法”进行调整,直到求得最优方案 Lij从挖区i调配到j的平均运距(m)或运输单价cij (元/m3) ; Xij从挖区i调配到j区的土方量(m3)。,3 例题 矩形广场各调配区的土方量如图所示,相互之间的平均运距见表2,试求最优土方调配方案。,解:(1)先将图中的数值标注在填、挖方平衡及运距表2中 表2 挖填方平衡及运距表,(2)采用“最小元素法”编初始调配方案,即根据对应于最小的Lij(cij)取最大的xij值
17、的原则调配。初始方案见表 表3 土方初始调配方案,总运输工程量S1=100200+250150+5090+40040+30080+35050=119500 m3m,400,50,350,250,300,200,1)计算位势数 ui、v j,对有调配数方格,令 u10,依次计算各ui、vj,V1=100,V2=150,V3=90,U1=0,U3=-20,U4=-100,U12=-50,(3)方案最优性检验,cij =uiv j,2)计算检验数ij。,V1=100,V2=150,V3=90,U1=0,U3=-20,U4=-100,U12=-50,+,+,+,+,10,+,表5 检验数的计算,检验结
18、果见表,从中可以知道22= 10 0,故初始方案不是最优,无调配数方格的检验数 ij = cij (uiv j),若所有 ij 0 则方案最优,结束,若有 i j 0 则方案不是最优,继续调整、检验,直到达到最优,(4)用“闭回路法”进行调整,1)找出X22的闭回路:从X22空格出发,沿水平或竖直方向前进,遇到有适当数字的空格作900的转弯,然后依次继续前进,再回到出发点形成一条闭回路,如表6中形成的闭回路;,X22,表6 闭合回路,2)从X22出发沿闭回路前进,在各奇数次转角点的数字中挑出一个最小的(例题中在400,250中取250)将其调到X22空格中; 其它奇数次转角上减去250,偶数次
19、转角上数字加250,形成新的方案如 表7;,X22,表7 调整后的新方案,U2=50,U3=20,U4=90,V1=100,V2=140,V3=90,U1=0,5)再用位势法检验 重新计算位势,见表8,表8 新位势数计算,再用位势法检验,250,V1=100,V2=140,V3=90,U1=0,U3=-20,U4=-90,U12=-50,+,+,+,+,300,150,表9 新检验数的计算,+,+,从表9可知,所有的ij 0,故新方案为最优,300,250,150,350,200,300,土方调配见图,第三节 土方施工要点 一、 土壁稳定 土壁的稳定主要由土体内的摩阻力和粘结力来保持平衡的,一
20、旦土体失去平衡,就会造成塌方,不仅会造成人身安全事故,而且会影响工期,甚至会危及附近的建筑物,因而土方施工中应保持土壁稳定防止塌方。 1 、土壁塌方的原因 (1)内因 主要是由于在外界因素的影响下,使土体内的抗剪强度降低,使土体中的剪应力超过其抗剪强度所造成。,引起土壤抗剪强度降低的因素主要有: 1)气候的影响使土质松软; 2)土体内含水量增加而产生润滑作用; 3)饱和的细砂、粉砂受振动而液化等。,(2)外因 引起下滑力增加的因素主要有: 1)坡顶上堆物、行车等荷载; 2)雨水或地面水渗入土中使土的含水量提高而使土的自重增加; 3)地下水的渗流产生一定的动水压力; 4)土体竖向裂缝中的积水产生
21、侧向静水压力等。,2、 防止塌方的措施 (1)放足边坡等,放足边坡,不同土质可采用不同坡度,禁止坡角挖土,禁止坡顶大量堆载,填压坡脚,(2)设支护 1)适用 当施工现场条件的限制不能放坡可设支护。,2)支护形式,板桩支护,板桩支护,板桩支护,灌注桩支护,灌注桩支护,地下连续墙,上海胜康廖式大厦基坑地下连续墙围护结构加钢管内支撑支护结构体系。基坑长88.31m,宽42.55m,深11.0m,深层搅拌水泥土桩支护,土层锚杆支护,二 、施工排(降)水 1、排水的重要性 流入基坑中的地下水和地面水不及时排走,不仅会使施工条件恶化,造成土壁塌方,而且会影响地基的承载力。 2、降水的方式及措施 1)集水坑
22、降水法(明排水),当土的渗透性强时, 采用集水坑降水法 容易产生流砂现象。,2)井点降水 (1)含义:在基坑开挖前,预先在基坑周围或基坑内设置一定数量的滤水管(井),利用抽水设备从中抽水,使地下水位降至基坑底以下后才开挖。,(2)井点种类,(3)轻型井点布置与设计,1)布置,单排井点:宽度小于6m,降水深度不超过5m采用 双排井点:宽度大于6m,土质不良采用 环行井点:基坑面积较大呈方形采用,A 平面布置,B 高程布置,若H6m,用单级 若H 6m,用多级,A 水井种类:,无压完整井,无压非完整井,承压完整井,承压非完整井,2)涌水量的计算,B 涌水量的计算 无压完整井的涌水量,承压完整井的涌
23、水量 式中 M为含水层厚度,其他符合意义同无压完整井的涌水量计算公式 C 确定井管数量及间距 单根井管出水量 D 一般取0.8m; 1.2m ; 1.6m,D 抽水设备的选择 一般选用真空泵,总管长度不大于100m 120m ,井点管数为80个100个左右。 E 井点管的埋设与使用 埋设顺序: 先排放总管,再埋设井点管,然后用弯联管把井点管与总管连接,最后安装抽水设备。 使用中的正常出水规律是 “先大后小,先浑后清”。 3 流砂 1)定义 粒径很小、无塑性的土壤,在动水压力推动下,极易失去稳定而随地下水一起涌入坑内,形成流砂现象。 2)原因: 内因 取决于土壤的性质,当土的孔隙度大、含水量大、
24、粘粒含量少、粉粒多等均容易产生流砂现象。因此,流砂现象经常发发生在细砂粉和亚砂土中。,外因:会不会发生流砂现象,还应具备一定的外因条件,即地下水及其产生动水压力的大小。,如图示,由于高水位的左端(水头高为h1)与低水位的右端(水头高为h2)之间存在压力差,水经过长度为L,断面为的土体右左向右渗流。作用于土体的力有: w h1A土体左断的总水压力,其方向与水流一致 w h2A土体右断的总水压力,其方向与水流相反 T L A土体颗粒对水的阻力(T为单位土体阻力) 由静力平衡条件得: w h1A w h2A T L A = 0 化简得 式中称 为水力梯度,以 I 表示,则上式可写成 T = I w
25、,由于单位土体阻力与水在土中渗流时对单位土体的压力GD(称动水压力)大小相等,方向相反,所以 GD= - T = - I w,当动水压力大于或等于土的浸水重度,即 GD ,土处于悬浮状态土的抗剪强度为零,土随水流一起进入基坑,形成流砂现象。 3 流砂的防治 (1)枯水期施工 (2)打板桩 (3)水中挖土 (4)人工降低地下水位 (5)地下连续墙法 (6)抛大石块,抢速度施工,三、 土的填筑与压实 1、 填土的基本要求 保证一定的密实性和稳定性,符合设计和规范的有关规定 2、 填筑方法 填土应分层进行,并尽量采用同类土填筑 若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
26、土层之下。,2)控制适宜的含水量,3、 填土质量控制 1)选择土料,土料要求 1)碎石类土、砂士和爆破石渣,可用于表层下的填料。 2)含水量符合压实要求的粘性土,可作各层填料。 3)碎块草皮和有机质含量大于8的土,仅用于无压实要求的填方。 4)淤泥和淤泥质土,一般不能用作填料,但在软土或沼泽地区,经过处理含水量符合压实要求的,可用于填方中的次要部位。,控制含水率在最佳含水量的42范围内,1)压实影响因素 A 填土含水量 B 铺土厚度 C 压实功,3)确定合适的铺土厚度与压实遍数,3)压实方法 碾压法:平碾,羊足碾 夯实法:蛙式夯,重锤夯,木夯,石夯 振动法,4)铺土厚度和压实遍数 根据压实机械
27、的性能,确定铺土厚度和压实遍数 人工打夯: 0.2m 平碾: 0.3m 动力打夯: 0.4m 羊足碾: 0.5m,第四节 常用的土方施工机械 推土机、铲土机、平土机、松土机、单斗挖土机、各种碾压夯实机 1.推土机 操作灵活、运转方便,需工作面小,可挖土、运土,易于转移,行驶速度快,应用广泛。运距100m内的堆土(效率最高为60m),2、铲运机 操作简单灵活,不受地形限制,不需特设道路,准备工作简单,能独立工作,不需其他机械配合能完成铲土、运土、卸土、填筑、压实等工序,行驶速度快,易于转移,需用劳力少,动力少,生产效率高,运距8001500m内的挖运土(效率最高为200350m),3、正铲挖掘机 装车轻便灵活,回转速度快,移位方便,能挖掘坚硬土层,易控制开挖尺寸,工作效率高,适于开挖停机面以上土方,4、反铲挖掘机 操作灵活,挖土、卸土均在地面作业不用开运输道,适于开挖停机面以下土方,5、拉铲挖掘机 可挖深坑,挖掘半径及卸载半径大,操纵灵活性较差,6、抓铲挖掘机 钢绳牵拉灵活性较差,工效不高,不能挖掘坚硬土,本章小结 1土的分类及性质与利用; 2 土方计算(场地平整;沟槽与基坑) 3 边坡稳定及防止措施; 4 施工排水的方式; 5 流砂及其防治; 6 土的填筑方法及质量控制; 7 了解常用土方机械名称及性能。,
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