土方工程施工技术讲义讲稿(内容详细,附图丰富).ppt

1,第1章 土方工程,本章应掌握:土的工程性质、基坑土方量计算、土方的回填与压实；熟悉土方工程施工的内容、基坑工程的降排水的方法；了解土的分类，地下水等。,2,做好土方工程的意义,随着科学、经济及人口的发展，节约占用土地资源，发展越来越多的高层和超高层的建筑。 在基础工程施工中，特别是大型高层、超高层工程基础施工中，土方工程尤为重要，影响工期和投资的重要因素。 例如：津汇广场 ：土方量15万m3，工期44天，挖掘机6辆，运土车60辆。,3,场地平整 基坑、基槽及管沟、隧道和路堤的开挖与填筑。,1.1 概述,1.1.1 施工内容,1.1.2 施工特点,面大量广、劳动繁重(尽量采用机械化施工)； 施工条件复杂、露天作业、气候影响大 工程地质和水文条件影响大,4,1.1.3 土的分类,按土开挖的难易程度将土分为：松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚硬石等八类。 松土和普通土可直接用铁锹开挖，或用铲运机、推土机、挖土机施工； 坚土、砂砾坚土和软石要用镐、撬棍开挖，或预先松土，部分用爆破的方法施工； 次坚石、坚石和特坚硬石一般要用爆破方法施工。 土的工程分类与开挖方法见表1.1所示。,5,表1.1 土的工程分类与开挖方法,6,7,土的含水量：土中水的质量与固体颗粒质量之比的百分率。,1.1.4 土的工程性质,1 土的含水量,式中：m湿含水状态土的质量，kg； m干烘干后土的质量，kg； mw 土中水的质量，kg； ms固体颗粒的质量，kg。,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。,(1.1),8,2 土的可松性系数,土的可松性：天然土经开挖后，其体积因松散而增加，虽经振动夯实，仍然不能完全复原，土的这种性质称为土的可松性。 土的可松性用可松性系数表示，即,式中 ks、ks土的最初、最终可松性系数； v1土在天然状态下的体积，m3； v2土挖出后在松散状态下的体积，m3； v3土经压(夯)实后的体积，m3。,(1.4),(1.5),9,理解: 思考：v1、v2、v3的关系？ 应用： （1）土的最初可松性系数是计算现场存土、车辆装运土方体积及挖土机械的主要参数； （2）土的最终可松性系数是计算填方所需挖土工程量的主要参数。,10,3 土的渗透性,土的渗透性：指土体被水透过的性质。土的渗透性用渗透系数表示。 v=ki=k*h/l 渗透系数：表示单位时间内水穿透土层的能力，以m/d表示；它同土的颗粒级配、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。土的渗透系数见表1.2所示。,11,表1.2 土的渗透系数参考表,12,定义：天然状态下的土，能够保持倾斜的能力。 表示方式： 令b/h=m，则 边坡的坡度：1：m 影响因素：土质、深度、开挖方法、边坡留置时间长短等。,4 土方的边坡坡度,1.2 土 方 计 算,1.2.1 基坑与基槽土方量计算,基坑土方量可按立体几何中拟柱体(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,式中 h 基坑深度，m； a1、a2基坑上、下底的面积，m2； a0 基坑中截面的面积，m2。,(1.6),14,基槽土方量计算可沿长度方向分段计算(图1.2)：,式中v1第一段的土方量，m3； l1 第一段的长度，m。,将各段土方量相加即得总土方量：,(1.7),(1.8),15,某建筑物基础的垫层尺寸为4020m，自然地面标高为-0.4m，垫层底皮标高为-4.4m，场地土为二类土（ks=1.20，ks=1.02） ，开挖时允许四面放坡，放坡坡度为1：0.5，地下静止水位标高为-1.4m，试问： 土方开挖量是多少？（a=0、b=0.4、c=0. 3） 若自然地坪以下基础体积为1000m3，其余空间用原土回填，应预留多少回填土。 （3）若多余土方外运，采用15m3运输车，须运多少趟,例题：,16,作业,某建筑物基础的垫层尺寸为5030m，自然地面标高为-0.4m，垫层底皮标高为-2.4m，场地土为二类土（ks、ks自己确定)开挖时允许四面放坡，放坡坡度为1：0.5，地下静止水位标高为-1.4m，试问： 土方开挖量是多少？（a+b+c=1.0m） 若建筑物0.00至自然地面高度范围内外形轮廓尺寸为48.828.8m， 0.00以下建筑物体积为1000m3，其余空间用原土回填，应预留多少回填土？,17,1.2.2 场地平整土方计算 （大纲不要求）,对于在地形起伏的山区、丘陵地带修建较大厂房、体育场、车站等占地广阔工程的平整场地，主要是削凸填凹，移挖方作填方，将自然地面改造平整为场地设计要求的平面。 场地挖填土方量计算有方格网法和横截面法两种。对于地形较平坦地区，一般采用方格网法。,18,1.3土方开挖,1.3.1土方开挖前的准备工作 场地清理 地面水排除 临时设施 临时道路 设备 施工组织设计,1.3 土方开挖,19,1.3.2 基坑降水,1.流砂及防治 1)地下水:,20,2)动水压力:,动水压力的形成:地下水存在水位差h地下水流动动水压力,大小：与h成正比，与l成反比； 方向：与水流方向一致。,21,流砂非常严重的工程事故,流砂：当动水压力大于或等于土的浸水容重时，土颗粒失去自重，处于悬浮状态， 土的抗剪强度等于0，土颗粒随渗流的水一起涌入基坑。,22,1,2,23,对于砂砾2，动水压力gd使其不稳定。,思考：如果当gd = w时（ 即gd = mg f浮）？,砂砾2失去自重，处于悬浮状态， 抗剪强度为0，可随水一起流动。,对于砂砾1，动水压力gd使其更加趋于稳定；,24,总结流砂的产生条件： （1）土质为砂性土（细砂、粉砂、粉质砂土） （2）动水压力的大小gdw，方向流向坑内,与流砂类似的另一种现象管涌,25,流砂的防治,流砂的两个产生条件： 土的性质砂性土,动水压力的大小和方向,改善土质,26,（1）流砂防治的原则,流砂处理,改善土质,减小或平衡动水压力（h、l）,使坑内动水压力方向向下,27,（2）流砂防治的具体方法,a、向土中压力注浆或注入“水玻璃”（凝胶）(改善土质),b、枯水期挖土(减小动水压力),c、水中挖土(平衡动水压力),d、蒸汽法或冻结法(减小动水压力),e、向地下打入挡土挡水的结构(减小动水压力),f、人工降低地下水位（坑外降水）(改变动水压力方向),28,l,l,29,30,如何处理流砂：,轻微的：抢挖法 一般的：密闭抽水法 严重的：回填，稳定后采用人工降水,31,2 明沟排水法 (集水井法),构造：排水沟 300400*400500、i=0.20.3%； 集水井 600800、深1m、20m,32,优点：设备简单、排水方便、经济。 应用：明沟排水法适用于水流较大的粗粒土层的排水、降水，也可用于渗水量较小的粘性土层降水，但不适宜于细砂土和粉砂土层，因为地下水渗出会带走细粒而发生流砂现象。,33,3 人工降低地下水位,原理：基坑开挖前，在基坑四周预先埋设一定数量的滤水管 (井)，在基坑开挖前和开挖过程中，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。 方法：轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井点(深大口井)。 应用：对不同的土质应采用不同的降水形式，表1-3为常用的降水形式。,34,表1-3 降水类型及适用条件,35,(1) 轻型井点,轻型井点：就是沿基坑周围或一侧以一定间距将井点管(下端为滤管)埋入蓄水层内，井点管上部与总管连接，利用抽水设备将地下水经滤管进入井管，经总管不断抽出，从而将地下水位降至坑底以下。 轻型井点法适用于土壤的渗透系数为0.120m/d的土层中；降低水位深度：一级轻型井点36m，二级井点可达69m。,36,37,轻型井点设备由管路系统和抽水设备组成。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，其构造是否合理对抽水设备影响很大。,38,轻型井点的布置 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)。,39,如宽度大于6m或土质不定，渗透系数较大时，宜用双排井点，面积较大的基坑宜用环状井点(图1.20)；为便于挖土机械和运输车辆出入基坑，可不封闭，布置为u形环状井点。,40,在考虑到抽水设备的水头损失以后，井点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1.19(b)：,式中 h1井点管埋设面至基坑底的距离，m； h基坑中心处坑底面(单排井点时，为远离井点一侧坑底边缘)至降低后地下水位的距离，一般为0.51.0m； 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(单排井点中为井点管至基坑另一侧的水平距离)，m。,(1.14),41,轻型井点的计算,基坑用水量的计算 q（根据井的类型） 计算单个井的出水量 q 初步确定井的个数 n=1.1q/q 确定井的间距 d=l/n=0.82.0 确定井的个数 n=l/d+2,42,当一级井点系统达不到降水深度时，可采用二级井点，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井点，使降水深度增加（图1.21）。,43,轻型井点的安装 轻型井点的施工分为准备工作及井点系统安装。 准备工作包括井点设备、动力、水泵及必要材料准备，排水沟的开挖，附近建筑物的标高监测以及防止附近建筑沉降的措施等。 埋设井点系统的顺序：根据降水方案放线、挖管沟、布设总管、冲孔、下井点管、埋砂滤层、粘土封口、弯联管连接井点管与总管、安装抽水设备、试抽。 井点管的埋设一般用水冲法施工，分为冲孔(图1.22(a)和埋管(图1.22(b)两个过程 。,44,45,基坑降水,46,轻型井点使用 轻型井点运行后，应保证连续不断地抽水。 井点淤塞，一般可以通过听管内水流声响、手摸管壁感到有振动、手触摸管壁有冬暖夏凉的感觉等简便方法检查。 地下基础工程(或构筑物)竣工并进行回填土后，停机拆除井点排水设备。,47,（3）电渗井点,应用？,48,（4）管井井点,49,1.3.3 土方边坡与土壁支撑,土壁稳定，主要是由土体内摩阻力和粘结力保持平衡，一旦失去平衡，土壁就会塌方。,边坡过陡，使土体本身稳定性不够，尤其是在土质差、开挖深度大的坑槽中，常引起塌方。 雨水、地下水渗入基坑，使土体重力增大及抗剪能力降低，是造成塌方的主要原因。 基坑(槽)边缘附近大量堆土，或停放机具、材料，或由于动荷载的作用，使土体产生的剪应力超过土体的抗剪强度。,50,1） 土方边坡,土方边坡的坡度以挖方深度(或填方深度) h与底宽b之比表示(图1.11)，即 土方边坡坡度= h/b=1/(b/h)=1m 式中m=b/h称为边坡系数。,图136 放坡形式,51,2）影响边坡稳定的因素,当外界因素发生变化，土体的抗剪强度降低或剪应力增加时，就破坏土体的平衡状态，边坡失稳造成塌方。 具体因素有： （1）风化、气候影响使土质变得松软； （水） （2）粘土中的夹层因浸水而产生润滑作用； （水） （3）细砂、粉砂因受振动而液化； （4）边坡附近有荷载，特别是动载； （5）下雨使土中含水量增大，因而使土体自重增大；（水） （6）水的渗流产生的动水压力； （水） （7）水浸入土体的裂缝中产生的静水压力。 （水）,52,2.土壁支撑,53,54,某基坑支护情况,55,土钉墙护坡,钢支撑护坡,56,灌注桩基坑边坡护壁,57,水泥土墙护壁,58,59,60,61,62,63,64,1） 推土机 按行走的方式，可分为履带式推土机和轮胎式推土机。 履带式推土机附着力强，爬坡性能好，适应性强； 轮胎式推土机行驶速度快，灵活性好。 目前，我国生产的履带式推土机有东方32100、t-120、黄河220等；轮胎式推土机有tl160等。,1.3。4 土方机械化施工,1 常用土方施工机械,65,66,2） 铲运机 按行走方式分为牵引式铲运机和自行式铲运机；按铲斗操纵系统分，有液压操纵和机械操纵两种。 为了提高铲运机的生产效率，可以采取下坡铲土、推土机推土助铲等方法，缩短装土时间，使铲斗的土装得较满。 助铲法：根据填、挖方区分布情况，结合当地具体条件，合理选择运行路线，提高生产率。一般有环形路线和“8”字形路线两种形式。 环形路线 见图1.23 “8”字形路线 见图1.24,67,68,69,70,3 ）单斗挖土机 单斗挖土机按工作装置不同，可分为正铲、反铲、拉铲和抓铲四种(图1.25)。 单斗挖土机按其操纵机构的不同，可分为机械式和液压式两类。,71,72,73,74,(1) 正铲挖土机 正铲挖土机的工作特点是前进向上，强制切土，开挖停机面以上的土。 正铲挖土机的开挖方式，根据开挖路线与运输车辆的相对位置的不同，挖土和卸土的方式有以下两种： 正向挖土，侧向卸土(图1.26(b) 正向挖土，反向卸土(图1.26(a),75,76,(2) 反铲挖土机 反铲挖土机的工作特点是后退向下，强制切土，开挖停机面一下的土，可挖带水的地下土壤。 反铲挖土机的开行方式有沟端开挖和沟侧开挖两种。 沟端开挖(图1.28(a)反铲挖土机停在沟端，向后退着挖土。 沟侧开挖(图1.28(b)挖土机在沟槽一侧挖土，挖土机移动方向与挖土方向垂直。,77,78,79,80,(3) 拉铲挖土机 拉铲挖土机工作时利用惯性，把铲斗甩出后靠收紧和放松钢丝绳进行挖土或卸土，铲斗由上而下，靠自重切土，可以开挖一、二类土壤的基坑、基槽和管沟等地面以下的挖土工程，特别适用于含水量大的水下松软土和普通土的挖掘。拉铲开挖方式与反铲相似，可沟端开挖，也可沟侧开挖。 (4) 抓铲挖土机 抓铲挖土机主要用于开挖土质比较松软，施工面比较狭窄的基坑、沟槽、沉井等工程，特别适于水下挖土。土质坚硬时不能用抓铲施工。,81,1.3.5基坑验曹,1、钎探：（天然基础） 2、观察：,82,1.4 填土与压实,1.4.1 填土的要求,土料的选择： 含有大量有机物、石膏和水溶性硫酸盐(含量大于5%)的土以及淤泥、冻土、膨胀土等，均不应作为填方土料； 以粘土为土料时，应检查其含水量是否在控制范围内，含水量大的粘土不宜作填土用； 一般碎石类土、砂土和爆破石渣可作表层以下填料，其最大粒径不得超过每层铺垫厚度的2/3。,83,填土应按整个宽度水平分层进行，当填方位于倾斜的山坡时，应将斜坡修筑成12阶梯形边坡后施工，以免填土横向移动，并尽量用同类土填筑。 回填施工前，填方区的积水采用明沟排水法排除，并清除杂物。,施工要求：,84,1.4.2 土的压实方法,填土的压实方法一般有碾压、夯实、振动压实等几种。 碾压法是靠沿填筑面滚动的鼓筒或轮子的压力压实填土的，适用于大面积填土工程。碾压机械有平碾(压路机)、羊足碾、振动碾和汽胎碾。碾压机械进行大面积填方碾压，宜采用“薄填、低速、多遍”的方法。 夯实方法是利用夯锤自由下落的冲击力来夯实填土，适用于小面积填土的压实。夯实机械有夯锤、内燃夯土机和蛙式打夯机等。,85,图146 填土压实方法,86,87,88,1.4.3 填土压实的影响因素,填土压实的主要影响因素为：含水量、铺土厚度、压实功（单位压力）、土壤级配、土壤的性质。 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功的关系见。,89,2 含水量的影响 填土含水量的大小