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1、第一章 土方工程,场地平整 土方边坡与土壁支护 土方工程的排水与降水 土方机械化施工 土方的填筑与压实,第一节 概述,一、土方工程的分类、特点 1、施工分类 主要:场地平整; 坑、槽开挖; 土方填筑。 辅助:施工排、降水; 土壁支撑。 2、施工特点 (1)量大面广; (2)劳动强度大,人力施工效率低、工期长; (3)施工条件复杂,受地质、水文、气侯影响大,不确定因素多。,3、施工设计应注意 (1)摸清施工条件,选择合理的施工方案与机械; (2)合理调配土方,使总施工量最少; (3)合理组织机械施工,以发挥最高效率; (4)作好道路、排水、降水、土壁支撑等准备及辅助工作; (5)合理安排施工计划
2、,避开冬、雨季施工; (6)制定合理可行的措施,保证工程质量和安全。,二、土的工程分类,按开挖的难易程度分为八类 一类土(松软土)、二类土(普通土) 三类土(坚土)、 四类土(砂砾坚土) 机械或人工直接开挖 五类土(软石)、六类土(次坚石) 七类土(坚石)、八类土(特坚石) 爆破开挖,三、土的工程性质 1、土的质量密度: 天然密度 :一般 =16-20 KN/m3 干密度 d:是检测填土密实程度的指标。(105,烘干3-4h) 2、土的含水量: 天然含水量 W=(G湿-G干)/G干 开挖、行车(25-30%陷车)、边坡稳定 最佳含水量可使填土获得最大密实度的含水量(击实试验、手握经验确定)。,
3、3、土的渗透性,土体被水透过的性质,用渗透系数K表示。 K的意义:水力坡度(I=h/L)为1时,单位时间内水穿透土体的速度(V=KI),K的单位:m / d 。 粘土 0.1, 粗砂50-75, 卵石100-200 用途:降低水位方法,回填。,4、土的可松性: 自然状态下的土经开挖后,体积因松散而增加,以后虽经回填压实,仍不能恢复其原来的体积。 最初可松性系数 KS=V2 /V1 1.08-1.5 最后可松性系数 KS=V3 /V1 1.01-1.3 V1 土在自然状态下的体积。 V2 土经开挖后松散状态下的体积。 V3 土经回填压实后的体积。 用途:开挖、运输、存放,挖土回填,留回填松土,5
4、、土方边坡 (1)边坡坡度,m坡度系数。mB/H (2)边坡形式:斜坡、折线坡、踏步(台阶)式 (3)最陡坡度规定:土质均、水位低、时间短、5m深以内 (4)直壁(不加支撑)的允许深度: 密实、中密的砂土和砂填碎石土:1.00m; 硬塑、可塑的轻亚粘土及亚粘土:1.25m; 硬塑、可塑的粘土和粘填碎石土:1.50m; 坚硬的粘土:2m 。,i=tg=H/B=1:(B/H)=1:m,第二节 场地平整,一、场地平整设计标高的确定,确定场地设计标高考虑的因素: (1) 满足生产工艺和运输的要求; (2) 尽量利用地形,减少挖填方数量; (3) 争取在场区内挖填平衡,降低运输费; (4) 有一定泄水坡
5、度,满足排水要求。 场地设计标高一般在设计文件上规定,如无规定: (1)小型场地挖填平衡法 (2)大型场地最佳平面设计法(用最小二乘法,使挖填平衡且总土方量最小),二、场地平整土方量计算 方格网法、累高法平均断面法,1、初步标高(按挖填平衡),方法:将场地划分为每格边长1050m的方格网,找出每个方格各个角点的地面标高(实测法、等高线插入法) 。,则场地初步标高: H0=(H11+H12+H21+H22)/4M H11、 H12、 H21、 H22 一个方格各角点的自然地面标高; M 方格个数。 或:H0=(H1+2H2+3H3+4H4)/4M H1一个方格所仅有角点的标高; H2、H3、H4
6、分别为两个、三个、四个方格共用角点的标高。,2、场地设计标高的调整 按土的可松性、就近借弃土、泄水坡度等调整。 按泄水坡度调整各角点设计标高 :,H0,(2)双向排水时,各方格角点设计标高为:,H11,H12,H21,Hn = H0 L i,Hn = H0 Lx ix L yi y,(1)单向排水时,各方格角点设计标高为:,Hn,3、场地土方量的计算 分别按方格求出挖、填方量,再求整个场地总挖方量、总填方量 (1)四角棱柱体法 1)全挖、全填格: V挖(填)=a2 (h1+h2+h3+h4)/4 h1-h4 方格角点施工高度绝对值 V挖(填)挖方或填方的体积。 2)部分挖、部分填格:V挖(填)
7、 = a2 h挖(填) 2 / 4 h h挖(填) 方格角点挖或填施工高度绝对值之和; h 方格四个角点施工高度绝对值总和。 (2)四方棱柱体平均高度法 (3)三角棱柱体法,V挖方或填方体积,m3; h1、h2、h3、h4方格角点填挖高度,均用绝对值,m。,填方部分:,挖方部分:,挖方部分:,填方部分:,【例】某建筑场地方格网、地面标高如图,格边长a=20m。泄水坡度ix =2,iy=3,不考虑土的可松性的影响,确定方格各角点的设计标高。,70.09,解: (1)初步设计标高(场地平均标高) H0=(H1+2H2+3H3+4H4)/4M =70.09+71.43+69.10+70.70+2(7
8、0.40+70.95+69.71+)+4(70.17+70.70+69.81+70.38) /(49) =70.29(m),70.09,(2)按泄水坡度调整设计标高:,Hn = H0 Lx ix L yi y ; H1 =70.29302+303=70.32,70.32,70.36,70.40,70.44,70.26,70.30,70.34,70.38,70.20,70.24,H070.29,H2 =70.29102+303=70.36,H3=70.29+102+303=70.40,其它见图,(3)场地土方量计算,1、计算各方格角点的施工高度 hn : hn= HnH 即:hn=该角点的设计标
9、高自然地面标高(m),h1 =70.3270.09=0.23 (m); 正值为填方高度。,+0.23,-0.04,-0.55,-0.99,+0.55,+0.13,-0.36,-0.84,+0.83,h2 =70.3670.40=0.04 (m);,负值为挖方高度,2、确定零线(挖填分界线) 插入法、比例法找零点 零点连线,0,0,1、平均高度法 (1)四方棱柱体法 1)全挖、全填格: V挖(填)=a2 (h1+h2+h3+h4)/4 h1-h4 方格角点施工高度绝对值 V挖(填)挖方或填方的体积。 2)部分挖、部分填格:V挖(填) = a2 h挖(填) 2 / 4 h h挖(填) 方格角点挖或
10、填施工高度绝对值之和; h 方格四个角点施工高度绝对值总和。 (3)三角棱柱体法(略) 见教材,三、基坑与基槽土方量计算的基本方法,2、平均断面法 (1)、基坑土方量: 按拟柱体法,V=(F下+4F中+F上)H/6,(2)、基槽(路堤)土方量:,沿长度方向分段计算Vi,再 V = Vi 断面尺寸不变的槽段:Vi =FiLi 断面尺寸变化的槽段:Vi =(Fi1+4Fi0+Fi2)Li/6 槽段长Li:外墙槽底中中, 内墙槽底净长,四、土方的调配,在施工区域内,挖方、填方或借、弃土的综合协调。 1、要求: 总运输量最小; 土方施工成本最低。 2、步骤: (1) 找出零线,画出挖方区、填方区; (
11、2)划分调配区 注意: 1)位置与建、构筑物协调,且考虑开、施工顺序; 2)大小满足主导施工机械的技术要求; 3)与方格网协调,便于确定土方量; 4)借、弃土区作为独立调配区。,B1,B2,B3,(3)找各挖、填方区间的平均运距(即土方重心间的距离) 可近似以几何形心代替土方体积重心 (4)列挖、填方平衡及运距表,划分调配区示例:,(5)调配 方法:最小元素法就近调配。 顺序:先从运距小的开 始,使其土方量最大。,结果:所得运输量较小,但不一定是最优方案。 (总运输量97000m3-m) (6)画出调配图(略),3、调配方案的优化(线性规划中表上作业法) (1)确定初步调配方案(如上) 要求:
12、有几个独立方程土方量要填几个格,即应填m+n-1个格,不足时补“ 0 ”。 如例中:m+n1=3+41=6,已填6个格,满足。 (2)判别是否最优方案 用位势法求检验数ij,若所有ij 0,则方案为最优解。 (一)求位势Ui和Vj: 位势和就是在运距表的行或列中用运距(或单价)同时减去的数,目的是使有调配数字的格检验数为零,而对调配方案的选取没有影响。,计算方法:平均运距(或单方费用)Cij = Ui+Vj,设 U1=0,则V1= C11U1=500=50; U3= C31V1=6050=10; V2=11010=100; ,V1=50,V2=100,V3=60,U1= 0,U2= -60,U
13、3= 10,U4= -20,500,300,500,100,100,400,(二)求空格的检验数ij,ij= Cij Ui Vj ; 11=500500(有土);,13=10006040;,21=70(60)5080; ,12=70010030,求检验数表,V1=50,V2=100,V3=60,U1= 0,U2= -60,U3= 10,U4= -20,0,0,0,0,0,0,+80,-30,+40,+90,+50,+20,结论:表中12为负值,不是最优方案。应对初始方案进行调整。,300,100,100,400,500,500,(0),X12,(100),(400),(400),(三)方案调整
14、 调整方法:闭回路法。调整顺序:从负值最大的格开始。,1)找闭回路 沿水平或垂直方向前进,遇适当的有数字的格转弯,直至回到出发点。 2)调整调配值 从空格出发,在奇数次转角点的数字中,挑最小的土方数调到空格中。且将其它奇数次转角的土方数都减、偶数次转角的土方数都加这个土方量,以保持挖填平衡。,3)再求位势及空格的检验数,0,0,0,0,0,0,U1= 0,V1=50,V2=70,U2=30,U3=10,V3=60,U4=20,+50,+50,+30,+50,+40,+60,由于所有的检验数 ij 0,故该方案已为最优方案。,若检验数仍有负值,则重复以上步骤,直到全部ij 0而得到最优解。,(五
15、) 求出最优方案的总运输量: 40050100705004040060100704004094000m3-m 。,(四)绘出调配图: (包括调运的流向、数量、运距)。,有借、弃土时的土方调配图,实例计算过程:,(1)划方格,计算方格角点的自然地面标高H. (2)计算场地设计标高Hn (3)计算角点的施工高度hn=Hn-H (4)确定并标出零线,(5)计算土方量 (6)进行土方调配,求出土方运输量和运输方向。,第三节 土方边坡与土壁支护,一、土方边坡,土壁稳定主要是土体内摩阻力和粘结力来保持平衡,当土体失去平衡,土壁就会引起塌方。 (一)土壁塌方的原因 (1)边坡过陡,土体本身稳定性不够而产生塌
16、方; (2)基坑上边缘附近堆物过重,使土体中产生的剪应力超过土体的抗剪强度; (3)地面水及地下水渗入边坡土体,使土体的自重增大,抗剪能力降低,从而产生塌方。,(二)防止边坡塌方的措施 1.放足边坡 2.在边坡上堆土方或材料以及动荷载作用 3.作好排水工作,二、土壁支护,在开挖较窄的沟槽时,多用木挡板横撑式土壁支撑。横撑式土壁支撑根据挡土板设置的不同,分为水平挡土板式和垂直挡土板式,如图122(a)、(b)所示。前者又可分为断续式和连续式。 断续式水平挡土板支撑在湿度小的粘性土及挖土深度小于3m时采用;连续式水平挡土板支撑用于较潮湿的或散粒的土,挖土深度可达5m。垂直挡土板支撑用于松散的和湿度
17、很高的土,挖土深度不限。,(一)地下连续墙 地下连续墙直接在地下利用大型机械挖槽,然后浇灌成钢筋混凝土墙体。壁厚40-120cm,挖掘深度一般为30-40m,最多达120m。开始用于防渗,逐渐发展到地下室挡土,目前已将挡土与地下室墙合一。 优点是结构整体性好、刚度大,壁厚超过60cm即可防渗,可在狭窄地区不用放坡完成各种形状的地下挡土墙。可做成直线的,也可做成加肋的,或做成墙柱合一的形式。施工无燥声。挖深愈大,优越性愈显著。 缺点是需用专用机械、成本较高。,(二)柱列式灌注桩 柱列式灌注桩是以直径为80120cm的钢筋混凝土灌注桩为立柱,配合土锚杆或横向支撑以减少桩身弯矩的挡土结构。 优点:可
18、使用钻孔机械,按通常灌注桩施工方法施工。在地下水位较低时还可用人工挖孔,施工简便,造价较低,无燥声。 缺点:整体性能较差,无防水能力。因此必须在桩顶做断面较大的圈梁,以增强其整体性。,(三)土锚杆 土层锚杆,简称土锚杆,是在地面或深开挖的地下室墙面或基坑立壁未开挖的土层钻孔,达到设计深度后,在孔内放入钢筋或其他抗拉材料,灌入水泥浆使土层结合成为抗拉力强的锚杆。 土锚杆的组成:头部连接、拉杆、锚固体。,施工机械:冲击式钻机、旋转式钻机及旋转式冲击钻机等。 锚杆承受拉力,一般采用螺纹钢、钢绞线等强度高、延伸率大、疲劳强度高的材料。永久性锚杆尚需进行防腐处理。 土锚杆的施工程序为:钻孔安放拉杆灌浆养
19、护安装锚头张拉锚固和挖土。 锚杆与支撑两者的作用相同。锚杆便于施工开挖,但造价较高;支撑便于监测,易于控制,施工开挖较困难。决定的因素还是开挖深度、土质强弱、周围有无建筑或管道等。,(四)土钉墙 土钉加固技术是在土体内嵌入一定长度和分布密度的土钉体。与土共同作用,用以弥补土体自身强度的不足。 土钉墙适用于地下水低于土坡开挖段或经过降水措施后使地下水位低于开挖层的情况。 土钉技术的局限性:施工时一般要先开挖土层1-2m深,土体须要有一定的“粘聚力”,否则需先进行灌浆处理。另外,土钉墙施工时要求坡面无水渗出。,土钉墙支护结构施工工艺 1)开挖工作面。 2)喷射混凝土。 3)设置土钉。 4)铺设钢筋
20、网。 5)设置排水系统。,一、施工排水 目的 1、防止涌水、冒砂,保证在较干燥的状态下施工; 2、防止滑坡、塌方、坑底隆起; 3、减少坑壁支护结构的水平荷载。,第四节 土方工程的排水与降水,1集水井法(明排水法) 用于土质较好、水量不大、基坑可扩大者 挖至地下水位时,挖排水沟设集水井抽水再挖土、沟、井,2井点降水法 (1)特点 效果明显,使土壁稳定、避免流砂、防止隆起、方便施工; 可能引起周围地面和建筑物沉降。 (2)井点类型及适用范围,轻型井点降水全貌图,3.轻型井点降水 井点设备 井管:38、51,长57m(常用6m),无缝钢管,丝扣连滤管; 滤管:38、51,长11.7m,开孔12,开孔
21、率2025,包滤网; 总管:内75100无缝钢管,每节4m,每隔0.8、1或1.2m有一短接口; 连接管:使用透明塑料管、胶管或钢管,宜有阀门; 抽水设备: 真空泵(教材)真空度高,体形大、耗能多、构造复杂 射流泵(常用)简单、轻小、节能 隔膜泵(少用),滤管构造,真空泵井点设备工作原理图,4井点布置 (1)平面布置 单排:在沟槽上游一侧布置,每侧超出沟槽B。 用于沟槽宽度B6m,降水深度5m。 双排:在沟槽两侧布置,每侧超出沟槽B。 用于沟槽宽度B6m,或土质不良。 环状:在坑槽四周布置。 用于面积较大的基坑。,单排井点平面及高程布置,环状井点平面及高程布置,(2)高程布置(图) 井管埋深:
22、H埋H1hiL。 H1埋设面至坑底距离; h降水后水位线至坑底最小距离(一般可取0.51m); i地下水降落坡度,环状1/10,线状1/4; L井管至基坑中心(环状)或另侧(线状)距离。 当H埋6m时:降低埋设面; 采用二级井点; 改用其它井点。,5计算涌水量Q:(环状井点系统) (1)判断井型(图) 按照滤管与不透水层的关系: 完整井到不透水层 非完整井未到不透水层. 按照是否承压水层: 承压井 无压井,水井的分类,(2)无压完整井群井井点计算(积分解),Q1.366K(2HS)S / (lgRlgX0) (m3/d) K土层渗透系数(m/d); H含水层厚度(m); S水位降低值(m);
23、R抽水影响半径(m),R=1.95S(HK)1/2; X0环状井点系统的假想半径(m); 当长宽比A/B5时,X0=(F/)1/2,否则分块计算涌水量再累加。 F井点系统所包围的面积。,(3)无压非完整井群井系统涌水量计算(近似解),以有效影响深度H0代替含水层厚度H用上式计算Q。 H0的确定方法:,注意:1、当H0值超过H时,取H0H; 2、计算R时,也应以H0代入。,(4)承压完整井,Q2.73KMS/(lgRlgX0) (m3/d) M承压含水层厚度(m),6确定井管的数量与间距 (1)单井出水量:q65d l K1/3 (m3/d) d、l滤管直径、长度(m); (2)最少井点数:n1
24、.1Q / q (根) 1.1备用系数。 (3)最大井距:DL总管 / n (m); (4)确定井距: 取井距D,(5)确定井点数:nL总管 / D+1,D,15d,符合总管的接头间距。,井点降水实例计算过程:,1、平面布置 2、高程布置 3、计算基坑涌水量和单根井点出水量 4、计算井点管数量 5、计算井点管间距 6、确定井点管数量 7、绘出井点布置图,7井点管的埋设与使用 (1)埋设方法: 水冲法:水枪、井管自身(高压水) 钻孔法:正循环钻、反循环钻、冲击钻 振动水冲法:,(2)使用要求: 开挖前25天开泵降水; 连续抽水不间断(水量先大后小,先混后清),防止堵塞。,降水施工,(3)注意问题
25、: 1)真空度0.60.7大气压 2)死管:检查、变活 3)设观测井检查水位下降情况 (4)拔除井管: 基坑回填后; 卷扬机、支架 ; 516.5m上拔力1.2-1.8t,二、流砂现象 1动水压力地下水在渗流过程中受到土颗粒的阻力,使水流对土颗粒产生的一种压力。 动水压力的大小与水力坡度成正比,方向同渗流方向。 GDIw =(h/L) w 2流砂原因,3流砂的防治 减小动水压力(板桩等增加L); 平衡动水压力(抛石块、水下开挖、泥浆护壁); 改变动水压力的方向(井点降水)。,当动水压力大于或等于土的浸水重度(GD)时,土粒被水流带到基坑内。主要发生在细砂、粉砂、轻亚粘土、淤泥中。,第五节 土方
26、工程机械化施工,一、土方机械的类型 1.挖掘机械:正铲、反铲、拉铲、抓铲 2.挖运机械:推土机、装载机、铲运机 3.运输机械:自卸汽车、翻斗车 4.密实机械:压路机、蛙式夯、振动夯,二、常见土方机械的特点,适用范围及作业方法,1推土机:液压式、索式;固定式、回转式 工作特点:用途多,费用低; 适用于: (1)平整场地运距在100m(40-60m效率高)内,一三类土的挖运,压实; (2)坑槽开挖深度在1.5m内、一三类土。 提高效率的作业方法: 下坡推士,多次切土、一次推运,跨铲法,并列法,加挡板。,液压履带式推土机,液压轮胎式推土机,索式履带式推土机,铲刀可回转的液压履带式推土机,并列推土法,
27、下坡推土法,槽形推土法,分堆集中,一次推送法,斜角推送法作业,2、铲运机:自行式、拖式,工作特点:运土效率高; 适用于:运距2001500m、一二类土的大型场地平整或大型基坑开挖;堤坝、填筑等 作业方法:环形线路,“ 8 ”字线路;助推法。,铲运机下坡铲土法,铲运机锯齿形开行路线,1路堤; 2取土槽,双铲联运法示意图,3、单斗挖土机 (类型),正铲挖掘机,反铲挖掘机,拉铲挖掘机,抓铲挖掘机,(1)正铲挖土机,工作特点:“前进向上,强制切土”;挖土、装车效率高,易与汽车配合; 适用于:停机面以上。含水量30以下、一四类土的大型基坑开挖 作业方法:正向挖土后方卸土,正向挖土侧向卸土。,正铲开挖基坑
28、,(2)反铲挖土机,工作特点:“后退向下,强制切土”,可与汽车配合; 适用于:停机面以下、一三类土的基坑、基槽、管沟开挖。 作业方法:沟端开挖一一挖宽0.71.7R,效率高、稳定性好; 沟侧开挖一一挖宽0.5-0.8R。,反铲挖土机开挖方式,(3)拉铲挖土机,工作特点: 后退向下,自重切土”;开挖深度、宽度大,甩土方便:,适用于: 停机面以下、一二类土的较大基坑开挖,填筑堤坝,河道清淤。,(4)抓铲挖土机,工作特点:“ 直上直下,自重切土”,效率较低; 适用于:停机面以下、一二类土的、面积小而深度较大的坑、井开挖。,抓土斗工作示意图,三、自卸汽车与挖土机的配套,原则:保证挖土机连续工作: 汽车
29、载重量:以装35斗土为宜; 汽车数量: N汽车每一工作循环的延续时间T每次装车时间t; 或:N(挖土机台班产量汽车台班产量)+1,四、开挖方式与注意问题,1基坑开挖方式 (1)下坡分层开挖1:78的坡道 (2)墩式开挖用于无修坡道的场地,搭设栈桥时 (3)盆式开挖用于逆作法施工,下坡挖土和运土示意图,分层开挖方案,墩式开挖示意图,盆式开挖示意图,2开挖注意问题 (1)挖前先验线 (2)连续开挖尽快完,防止水流入 (3)坑边堆土防坍塌:及时清运;堆土0.8m以外,高1.5m (4)严禁扰动基底土,加强测量防超挖:预留层,保护层,抄平清底打木桩 (5)发现文物,古墓停挖、上报、待处理 (6)注意安
30、全,雨后复工先检查,第六节 土方的填筑与压实,一、填土的要求 1土料选择 (1) 不能用的土:冻土、淤泥、膨胀性土、含有机物8的土、含可溶性硫酸盐5的土 (2)不宜用的土:含水量过大的粘性土 2、填筑方法 (1)水平分层填土。填一层,压实一层,检查一层。 (2)无限制的斜坡填土 先切出台阶,台阶高宽0.20.3m1m (3)透水性不同的土不得混杂乱填,应将透水性好的填在下部(防止水囊),二、压实方法与要求,1压实方法: 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 振动法 非粘性土填筑。颗粒失重、排列填充。振动夯、平板振捣器 2影响
31、压实质量的因素 机械的压实功吨位或冲击力,压实遍数 铺土厚度 不同机械有效影响深度不同 含水量 小则不粘结、摩阻大,大则橡皮土;应为最佳含水量,(a)两轮两轴式,(b)三轮两轴式,(c)三轮三轴式,钢轮压路机碾轮与轴数简图,1机身;2碾轮,YL9/16型自行式轮胎碾,YT-3.5型双筒羊脚碾外形图,YT-2.5型羊脚碾外形图,H8-25A型蛙式夯实机,土的密度与压实功的关系示意图,压实作用沿深度的变化,压实机具 每层虚铺厚度(mm) 压实遍数 压路机、平碾 200300 68 羊足碾 200350 816 振动压实机 250350 34 蛙式夯 200250 34 人工夯 200 34,三要求 (1)每层铺士厚度与压实遍数,(2)含水量调整与橡皮土处理 过大 翻松、晾晒、掺入干土或石灰; 过小 洒水湿润、增加压实功; 橡皮土彻底清除,轻压薄铺。,四、压实质量检查,1内容密实度; 指标干密度d; 方法环刀取样,测干密度; 2要求:dDy dmax 式中:Dy压实系数。(一般场地平整0.9,填土作地基0.95) dmax该种土质的最大干密度(击实试验确定)3取样 方法与数量:分层进行,每层不少于1点(平场100400m2,回填30100m2,灰土垫层2050m2) 位置:该层下半部。,
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