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第一章土方工程 第一节概述一 土方工程的工作内容 土的挖掘 填筑和运输等过程 排水 降水 土壁支撑等准备工作和辅助工程 二 土方工程施工特点 工程量大 劳动繁重和施工条件复杂等 受气候 水文 地质 地下障碍等因素的影响大 不可确定的因素也较多 有时施工条件极为复杂 三 土的工程分类施工中 根据土的 开挖难易程度 将土分为八类 见下表 1 1 2019 12 31 2019 12 31 2 四 土的工程性质1 土的可松性 自然状态下的土 经过开挖后 其体积因松散而增大 以后虽经回填压实 仍不能恢复 土方工程量是以自然状态的体积来计算的 在土方调配 计算土方机械生产率及运输工具数量等时 必须考虑土的可松性 1 3 2019 12 31 土的可松性程度用可松性系数表示 即 KS 计算土方施工机械及运土车辆等的重要参数 KS 计算场地平整标高及填方时所需挖土量等的重要参数 1 1 式中Ks 最初可松性系数 Ks 最后可松性系数 V1 土在天然状态下的体积 m3 V2 土经开挖后的松散体积 m3 V3 土经回填压实后的体积 m3 1 4 2019 12 31 2 原状土经机械压实后的沉降量原状土经机械往返压实或经其他压实措施后 会产生一定的沉陷 根据不同土质 其沉陷量一般在3 30cm之间 3 土的透水性土的透水性是指水流通过途中孔隙的难易程度 用渗透系数K来表示 4 土的其他工程性质密实度 抗剪强度 土压力等 1 5 2019 12 31 第二节场地设计标高的确定一 场地设计概念场地设计平面 大型工程项目 将自然地面通过场地平整 改造为人们所要求的平面 场地设计标高 要求满足a 规划 生产工艺 运输 排水 最高洪水位 等b 场地内土方的挖填平衡 且土方工程量小 二 场地设计标高的确定 方格网法 见下图 条件 场地比较平缓 对场地设计标高无特殊要求时 1 6 2019 12 31 1 场地设计标高的计算原理 挖填土方量平衡 即 1 7 2019 12 31 2 场地设计标高的计算公式 考虑各角点标高的 权 式中 z1 一个方格独有的角点标高 m z2 z3 z4 分别为二 三 四个方格所共有的角点标高 m z0 场地的中心标高 m 上式中 z0 场地设计标高 m n 方格数 zi1 zi2 zi3 zi4 第i个方格四个角点的原地形标高 m 1 8 2019 12 31 3 场地任意点的设计标高 以z0作为场地中心的标高 见图 式中 ix iy x y方向的泄水坡度 4 各角点的施工高度Hi 若Hi为正值 该点为填方 若Hi为负值 该点为挖方 1 9 2019 12 31 三 最佳设计平面要求满足 a 规划 生产工艺 运输 排水 最高洪水位 等b 场地内土方的挖填平衡 且土方工程量最小 最小二乘法原理 如图 在平面上任何一点的标高 可以根据下式求出 1 10 2019 12 31 场地方格网角点的施工高度为 式中 Hi 方格网各角点的施工高度 方格网各角点的设计平面标高 方格网各角点的原地形标高 n 方格角点总数 1 11 2019 12 31 令 为土方施工高度之平方和 则 当 的值最小时 该设计平面既能使土方工程量最小 又能保证填挖方量相等 填挖方不平衡时 上式所得数值不可能最小 这就是最小二乘法求设计平面的方法 即有 1 12 2019 12 31 四 设计标高的调整在实际工程中 应考虑下述因素 调整场地设计标高 1 考虑土的最终可松性 2 考虑工程余土或工程用土 3 由经济比较结果 确认场外取土或弃土的土方量的变化 1 13 2019 12 31 第三节土方工程量的计算与调配一 土方工程量计算土方工程施工之前 需计算土方的工程量 但土方工程精确的计算工程量很困难 一般情况下 都将其假设或划分成为一定的几何形状 并采用具有一定精度而又和实际情况近似的方法进行计算 一 基坑 槽 和路堤的土方量计算 1 14 2019 12 31 基坑 槽 路堤的土方量按拟柱体积公式计算 即 式中V 土方工程量 m3 H 基坑的深度 或基槽或路堤的长度 m F1 F2 基坑的上下底面积 或基槽 路堤两端的面积 m2 F0 F1与F2之间的中截面面积 m2 基槽与路堤通常根据其形状 曲线 折线 变截面等 划分成若干计算段 分段计算土方量 然后再累加求得总的土方工程量 如果基槽 路堤是等截面的 则F1 F2 F0 由上式计算V HF1 1 15 2019 12 31 二 场地平整土方量的计算1 零线 位置的确定 零线即挖方区与填方区的交线 在该线上 施工高度为0 在相邻角点施工高度为一挖一填的方格边线上 用插入法求出零点的位置 如图 将各相邻的零点连接起来即为零线 方格中土方量的计算有两种方法 四方棱柱体法 和 三角棱柱体法 1 16 2019 12 31 2 四方棱柱体的体积计算方法 1 方格四个角点全部为填或全部为挖 图1 6a 时 式中V 挖方或填方体积 m3 H1 H2 H3 H4 方格四个角点的填挖高度 均取绝对值 m 1 17 2019 12 31 2 方格四个角点 部分是挖方 部分是填方 图1 6b和c 时 式中 H填 挖 方格角点中填 挖 方施工高度的总和 取绝对值 m H 方格四角点施工高度之总和 取绝对值 m a 方格边长 m 1 18 2019 12 31 3 三角棱柱体的体积计算方法 1 先把方格网顺地形等高线 将各个方格划分成三角形 如图 每个三角形的三角点的填挖施工高度 用H1 H2 H3表示 1 19 2019 12 31 2 当三角形三个角点全部为挖或全部为填时 如图1 8a 式中H1 H2 H3 三角形各角点的施工高度 m 用绝对值代入 1 20 2019 12 31 3 三角形三个角点有填有挖时 零线将三角形分成两部分 一个是底面为三角形的锥体 一个是底面为四边形的楔体 如图1 8b 其中锥体部分的体积为 楔体部分的体积为式中 H1 H2 H3 分别为三角形各角点的施工高度 m 取绝对值 其中H3指的是锥体顶点的施工高度 1 21 2019 12 31 二 土方调配土方调配的目的 在使土方总运输量 m3 m 最小 或土方运输成本 元 最小的条件下 确定填挖方区土方的调配方向和数量 从而达到缩短工期和降低成本的目的 一 土方调配区的划分 平均运距和土方施工单价的确定 1 调配区的划分原则 1 调配区的划分应该与工程建 构 筑物的平面位置相协调 并考虑它们的开工顺序 工程的分期施工顺序 2 调配区的大小应该满足土方施工主导机械 铲运机 挖土机等 的技术要求 3 调配区的范围应该和土方工程量计算用的方格网协调 通常可由若干个方格组成一个调配区 4 当土方运距较大或场地范围内土方不平衡时 可根据附近地形 考虑就近取土或就近弃土 这时一个取土区或弃土区都可作为一个独立的调配区 1 22 2019 12 31 2 平均运距的确定 调配区的大小和位置确定之后 便可计算各填 挖方调配区之间的平均运距 当用铲运机或推土机平土时 挖土调配区和填方调配区土方重心之间的距离 通常就是该填 挖方调配区之间的平均运距 当填 挖方调配区之间距离较远 采用汽车 自行式铲运机或其他运土工具沿工地道路或规定线路运土时 其运距应按实际情况进行计算 3 土方施工单价的确定如果采用汽车或其他专用运土工具运土时 调配区之间的运土单价 可根据预算定额确定 当采用多种机械施工时 确定土方的施工单价就比较复杂 因为不仅是单机核算问题 还要考虑运 填配套机械的施工单价 确定一个综合单价 将上述平均运距或土方施工单价的计算结果填入土方平衡与单价表 表1 4 内 1 23 2019 12 31 二 用 线性规划 方法进行土方调配时的数学模型 土方平衡与施工运距 单价 表 1 24 2019 12 31 表格说明 整个场地划分为 m个挖方区W1 W2 Wm 其挖方量应为a1 a2 am n个填方区T1 T2 Tn 其填方量相应为b1 b2 bn xij表示由挖方区i到填方区j的土方调配数 由填挖方平衡 即 1 25 2019 12 31 从W1到T1的价格系数 平均运距 或单位土方运价 或单位土方施工费用 为c11 即从Wi到WJ的价格系数为cij 则土方调配的数学模型表达 求一组xij的值 使目标函数Z 为最小值 并满足下列约束条件 i 1 2 m j 1 2 n xij 0 1 26 2019 12 31 三 用 表上作业法 进行土方调配通过 假想价格系数 求检验数 c ij表示假想系数 其值待定 下面举例说明 用表上作业法求调配最优解的步骤与方法 图示为一矩形广场 方格内的数字为各调配区的土方量 箭杆上的数字则为各调配区之间的平均运距 试求土方调配最优方案 1 27 2019 12 31 1 编制初始调配方案 1 将土方量及价格系数 即平均运距 填入计算表格中 1 28 2019 12 31 2 初始方案的确定 先找价格系数最小的方格 C22 C43 40 如取C43 使X43最大为400 1 29 2019 12 31 再依次找出价格系数较小的方格 并满足挖填量的相等 由此利用 最小元素法 确定的初始方案首先是让cij最小的那些格内的xij值取尽可能大的值 也就是优先考虑 就近调配 求得总运输量是较小的 1 30 2019 12 31 2 最优方案判别采用 假想价格系数法 求检验数 求无土方调配的方格 本例中的W1 T3 W4 T2等 的检验数 ij 如所有检验数 ij 0 则方案为最优方案 如所有检验数 ij 0 则该方案不是最优 需要进行调整 1 首先求出表中各个方格的假想价格系数 有调配土方的假想价格系数 无调配土方方格的假想系数用下式计算 即 efpq构成的任一矩形四个方格内对角线上的假想价格系数之和相等 由此填入下表 1 31 2019 12 31 本矩形得出 C21 10 本矩形得出 C12 100 1 32 2019 12 31 2 其次求出无调配土方方格的检验数 ij ij 即有把表中无调配土方的方格右边两小格的数字上下相减 如 21 70 10 80 12 70 100 30 将计算结果填入表中 检验数 ij有负值 说明方案要调整 1 33 2019 12 31 3 方案的调整 1 在所有负检验数中 选一个最小的 本例中是C12 把x12作调整对象 2 找出x12的闭回路 从x12方格出发 沿水平与竖直方向前进 形成一条以有数字的方格为转角点的 用水平和竖直线联起来的闭回路 见下表 x12 500 100 300 500 100 400 1 34 2019 12 31 3 在闭回路中 挑出一个最小值x32 100 将其由x32调到x12方格中 4 同时调整闭回路上其他的奇数次转角上的数字都减去 100 偶数次转角上数字都增加 100 使得填挖方区的土方量仍然保持平衡 得到新调配方案 见表 1 35 2019 12 31 5 对新调配方案 再次检验 直到找出最优方案为止 上表中所有检验均为正号 故该方案即为最优方案 4 最优土方调配方案的土方总运输量为Z 400 50 100 70 500 40 400 60 100 70 400 40 94000 m3 m 将土方调配数值绘成土方调配图 图中箭杆上数字为土方调配数 1 36 2019 12 31 5 比较 最佳方案 与 初始方案 的运输量 初始方案的土方总运输量为Z0 500 50 500 40 300 60 100 110 100 70 400 40 97000 m3 m 最佳方案的土方总运输量为Z 94000 m3 m Z Z0 94000 97000 3000 m3 m 即 调整后总运输量减少了3000 m3 m 土方调配的最优方案可以不只是一个 这些方案调配区或调配土方量可以不同 但它们的目标函数z都是相同的 有若干最优方案 为人们提供了更多的选择余地 1 37 2019 12 31 第四节土方工程的准备与辅助工作 一 土方工程施工前的准备工作 1 场地清理 清理地面及地下各种障碍包括 施工前拆除旧房和古墓 拆除或改建通讯 电力设备 地下管线及建筑物 迁移树木 耕去除植土及河塘淤泥等 2 排除地面水 排除场地内的积水和雨水的 保持场地干燥地面水的排除一般采用排水沟 截水沟 挡水土坝等措施 3 临时道路 供水 供电等临时设施的修筑 4 材料 机具及土方机械的进场 5 土方工程的测量 放线 6 根据土方施工设计 做好土方工程的辅助工作 包括边坡稳定 基坑 槽 支护 降低地下水等 1 38 2019 12 31 二 土方边坡及其稳定1 土方边坡坡度 以其高度H与其底宽度B之比表示 边坡可做成直线形 折线形或踏步形 如图 土方边坡坡度i 式中 m B H 称为坡度系数 1 39 2019 12 31 2 边坡稳定影响边坡坡度的因素 土质 开挖深度 施工工期 地下水水位 坡顶荷载及气候条件 边坡失稳 土方边坡在一定范围内整体地沿某一滑动面向下和向外移动而丧失其稳定性 边坡失稳的原因 外界不利因素影响下触动和加剧 这些外界不利因素 导致土体下滑力的增加 或抗剪强度的降低 引起下滑力增加的因素主要有 坡顶上堆物 行车等荷载 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 地下水渗流产生一定的动水压力 土体竖向裂缝中的积水产生侧向静水压力等 引起土体抗剪强度降低的因素主要是 气候的影响使土质松软 土体内含水量增加而产生润滑作用 饱和的细砂 粉砂受振动而液化等 边坡稳定的分析方法 摩擦圆法 条分法 有限元法等 1 40 2019 12 31 三 土壁支护开挖基坑 槽 时 不能按要求的坡度放坡开挖 这时就需要进行基坑 槽 支护 以保证施工的顺利和安全 并减少对相邻建筑 管线等的不利影响 基坑 槽 支护结构的形式 根据受力状态 横撑式支撑 板桩式支护结构 重力式支护结构 悬臂式支撑式 1 41 2019 12 31 一 基槽支护市政工程施工时 铺设管沟开挖的沟槽一般较窄 多用横撑式土壁支撑 横撑式土壁支撑分为 水平挡土板式 垂直挡土板式两类 1 42 2019 12 31 横撑式土壁支撑 水平挡土板支撑 垂直挡土板式 间断式 湿度较小的粘性土 挖土深度小于3m连续式 对松散 湿度较大的土 挖土深度可达5m 对松散和湿度很高的土可用垂直挡土板式支撑 其挖土深度不限 支撑 所承受的荷载为土压力 1 43 2019 12 31 土压力 与土的性质 开挖深度 支撑的形式及变形亦有关 实测资料表明 作用在横撑式支撑上的土压力的分布很复杂 工程中通常按下图所示的几种简化图形进行计算 1 44 2019 12 31 支护结构设计要求 重力式水泥土墙 板式支护结构 土钉墙 二 基坑支护基坑支护结构的形式 首先要考虑周边环境的保护 其次要满足本工程地下结构施工的要求 再则应尽可能降低造价 便于施工 1 45 2019 12 31 1 重力式支护结构 水泥土搅拌桩 或称深层搅拌桩 支护结构水泥土搅拌桩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 支护结构的搅拌桩的水泥掺量通常为12 20 水泥土的强度可达0 8 1 5MPa 其渗透系数很小 一般 10 6cm s 支护结果由水泥土搅拌桩搭接而形成水泥土墙 它既具有挡土作用 又兼有隔水作用 可适用于4 6m深的基坑 最大可达7 8m 1 水泥土重力式支护结构的设计设计内容 整体稳定 抗倾覆稳定 抗滑移稳定 位移等 有时还应验算抗渗 墙体应力 地基强度等 1 46 2019 12 31 水泥土墙的构造形式 通常布置成格栅式 基坑开挖深度h 墙体的宽度b 有b 0 6 0 8 h 插入深度hd 有hd 0 8 1 2 h 1 47 2019 12 31 水泥土支护结构的计算模型图式 1 48 2019 12 31 根据 水泥土墙的计算模型 土压力的计算 主动土压力 主动土压力起算点被动土压力 地面荷载的附加主动土压力 1 49 2019 12 31 式中Ka 主动土压力系数 其中为墙底以上各土层内摩擦角按土层厚度的加权平均值 Kp 被动土压力系数 其中为墙底至基坑底之间各土层内摩擦角按土层厚度的加权平均值 H 水泥土墙的墙高 m hd 水泥土墙的插入深度 m C 墙底以上各土层粘聚力按土层厚度的加权平均值 kPa 1 50 2019 12 31 C1 墙底至基坑底之间各土层粘聚力按土层厚度的加权平均值 kPa 墙底以上各土层天然重度按土层厚度的加权平均值 kN m3 1 墙底至基坑底之间各土层天然重度按土层厚度的加权平均值 kN m3 hq 地面荷载q的当量土层厚度 m b 水泥土挡墙的宽度 m 1 51 2019 12 31 按照计算图式 墙后主动土压力Ea按式 1 26 计算 式中 q为地面荷载 kPa 其他符号意义同前 墙前被动土压力Ep按式 1 27 计算 式中其他符号同前 1 26 1 27 1 52 2019 12 31 整体稳定的验算 水泥土墙的插入深度应满足整体稳定性 整体稳定验算按式 1 28 简单条分法计算 式中 li 第i条沿滑弧面的弧长 m qi 第i条土条处的地面荷载 kN m bi 第i条土条宽度 m Wi 第i条土条重量 kN 1 28 1 53 2019 12 31 i 第i条滑弧中点的切线和水平线的夹角 Ci i 分别表示第i条土条滑动面上土的粘聚力 kPa 和内摩擦角 KZ 整体稳定安全系数 一般取1 2 1 5 1 54 2019 12 31 抗倾覆稳定的验算 根据整体稳定得出的水泥土墙的hd以及选取的b按重力式挡土墙验算墙体绕前趾A的抗倾覆稳定安全系数 式中 W 水泥土挡墙的自重 kN W cbH c为水泥土墙体的自重 kN m3 根据自然土重度与水泥掺量确定 可取18 19kN m3 Kp 抗倾覆安全系数 一般取1 3 1 5 其他符号意义同前 1 29 1 55 2019 12 31 水泥土墙如满足整体稳定性及抗倾覆稳定性 一般可不必进行抗滑移稳定的验算 在特殊情况下可按式 1 30 验算沿墙底面滑移的安全系数 式中 分别表示墙底土层的内摩擦角 与粘聚力 kPa Kh 抗滑移稳定安全系数 取1 2 1 3 抗滑移稳定的验算 1 30 1 56 2019 12 31 重力式支护结构的位移 应在设计中足够重视 由于重力式支护结构的抗倾覆稳定有赖于被动土压力的作用 而被动土压力的发挥是建立在挡土墙一定数量位移的基础上的 因此 重力式支护结构发生一定的位移是必然的 设计的目的是将该位移量控制在工程许可的范围内 水泥土墙的位移可用 m 法等计算 突出影响水泥土墙水平位移的几个主要因素 计算简便 适用 位移的计算 1 57 2019 12 31 位移的计算公式 施工质量影响系数 正常工序施工时 取 1 0 未到正常施工要求 但水泥用量达到要求时 取 1 5 严格控制施工质量 可取 0 8 式中 0 墙顶估计水平位移 cm L 开挖基坑的最大边长 cm 施工质量影响系数 取0 8 1 5 h 基坑开挖深度 其他符号意义同前 1 31 1 58 2019 12 31 2 水泥土搅拌桩的施工1 施工机械 深层搅拌桩机 由深层搅拌机 主机 机架 灰浆搅拌机和灰浆泵 等配套机械组成 1 59 2019 12 31 滚管行走 桅杆式双轴搅拌桩机械 履带行走式三轴搅拌桩机械 三轴搅拌桩机头 2019 12 31 60 2 施工工艺 依据水泥掺入比及土质情况 可采用 一次喷浆 二次搅拌 或 二次喷浆 三次搅拌 工艺 一次喷浆 二次搅拌 的施工工艺流程如图示 二次喷浆 三次搅拌 工艺可在图示步骤e 作业时也进行注浆 以后再重复d 与e 的过程 1 61 2019 12 31 3 施工质量要求 根据 建筑地基基础工程施工质量验收规范 GB50202 2002 其中的水泥土搅拌桩地基质量检验标准 1 62 2019 12 31 2 板式支护结构板式支护结构的组成 挡墙系统 支撑 或拉锚 系统 悬臂式板桩支护结构则不设支撑 或拉锚 1 63 2019 12 31 2019 12 31 64 板式支护结构 挡墙系统 常用的材料 槽钢 钢板桩 钢筋混凝土预制板桩 排桩 灌注桩 树根桩 地下连续墙 支撑系统 钢支撑系统 钢筋混凝土支撑 工具式钢管 609 580H型钢格构式钢支撑 电焊加工拼接钢围檩 电焊加工拼接 拉锚系统 钢筋 钢索 型钢或土锚杆 1 65 2019 12 31 1 板桩计算一般基坑工程中广泛采用 支撑式板桩 支护结构 悬臂板桩所需板桩的截面大 且位移也较大 仅用于3 4m的浅基坑工程 总结板桩的工程事故 其失败的原因主要有五方面 板桩的入土深度不够 走动而出现坑壁滑坡 图1 21a 支撑或拉锚的强度不够 图1 21b c 拉锚长度不足 锚碇失去作用而使土体滑动 图1 21d 板桩本身刚度不够 在土压力作用下失稳弯曲 图1 21e 板桩位移过大 造成周边环境的破坏 图1 21f 1 66 2019 12 31 1 67 2019 12 31 板桩的设计五大要素 单支点板桩的计算原理及计算方法 根据板桩入土深度与基坑深度比值的大小 将单支点板桩分成自由支承单支点板桩嵌固支承单支点板桩 见下图 板桩的入土深度 截面弯矩 支点反力 拉锚长度 板桩位移 1 68 2019 12 31 两种类型单支点板桩的土压力分布 弯矩和变形也不尽相同 1 69 2019 12 31 单点自由支承板桩 当板桩入土深度较浅 整个板桩都向坑内变形 板桩底端发生转动并有微小的位移 坑底的被动土压力得以全部发挥 如板桩的入土深度增加 由于作用在桩前被动土压力也随之增加 当达到某一平衡状态时 桩底C仅在原位置发生转动而无位移 板桩底端的支承相当于简支 单支点嵌固板桩 如果入土深度继续增加 则桩前被动土压力随深度的增加继续增加 当达到一定深度D点时 板桩底部有一段既无位移也无转角 这时板桩在土中处于嵌固状态 这种板桩在一定深度D点以下的弯矩为零 1 70 2019 12 31 单支点嵌固板桩的简化计算方法 相当梁法 板桩的精确计算较为困难 主要是插入地下部分属超静定问题 其土压力分布难以精确确定 1 板墙部分的计算一般将板桩的主动 被动土压力简化为线性分布来进行计算 单支点嵌固板桩的计算模型 相当梁法 1 71 2019 12 31 单支点嵌固板桩计算模型的说明 图a 所示梁的一端固定 一端简支 梁在均布荷载作用下的弯矩图 图b 所示 及挠度曲线 图c 所示 梁的反弯点C 假想该处截断 并设简单支承于截断处 图d 所示 则称AC为相当梁 梁AC 梁CD均为静定结构 易于计算 1 72 2019 12 31 上图是嵌固支承单支点板桩的计算简图 再近似假定在距基坑底部hc1的反弯点C就是主动 被动土压应力相同处的D点 1 74 2019 12 31 用相当梁法计算嵌固支承单支点板桩的设计步骤 d c b a 计算作用于板桩上的主动土压力和被动土压力 计算板桩上土压力强度为零的点C至地面的距离hc1 利用下式 将板桩在C点截面 利用 x 0 M 0计算相当梁AC的支座反力Rc和支撑或锚杆反力Tc1 即 1 32 计算板桩入土深度hd 1 75 2019 12 31 根据嵌固支承单支点板桩的特点 在桩底某一位置以下的弯矩为零 如该点位于D点 则由下段板桩CD可求得h0 因为CD段桩上矩形部分的主动土压力相等 由 MD 0得 所以有 1 33 由于实际桩前被动部压力较图1 24所示者小 按式 1 33 计算得到h0的偏小 故应增加入土深度 h h取0 2h0 因此板桩入土深度为 1 34 1 76 2019 12 31 e 在剪力为零处求得Mmax 1 77 2019 12 31 2 支撑 拉锚 系统的设计一端固定在板桩上部的围檩上 支撑或拉锚的另一端则支撑到基坑对面的板桩上 或固定到桩墙后的锚锭 锚座板上 支撑 或拉锚 的单位长度反力Tc1 沿板墙 可通过板墙部分的计算求得 KN m 根据支撑或拉锚布置的间距 即可求得每一支撑或拉锚的轴力 如果支撑长度过大 则应在支撑中央设置竖撑 防止支撑在自重作用下挠度过大引起附加内力 1 78 2019 12 31 拉锚长度计算 应保证锚锭或锚座板位于它本身引起的被动土楔滑移线 板桩位移引起的主动土楔滑移线和静土楔滑移线之外的阴影区内 1 79 2019 12 31 式中L 拉锚最小长度 h 基坑深度 hc1 对自由支承板桩 取板桩入土深度 对嵌固支承板桩 取基坑底至反弯点的距离 h1 锚碇底端至地面的距离 土的内摩擦角 a b 拉锚的最小长度 按下列a b 两式计算结果取较大值 1 35 1 80 2019 12 31 3 围檩的计算 围檩计算的受力简图 围檩主要材料 型钢 槽钢 工字钢 H型钢 等 按简支梁计算 现浇混凝土结构 按连续梁计算 1 81 2019 12 31 2 板桩墙的施工本处介绍钢板桩的施工方法 通常钢板桩 有三种打桩方法 1 单独打入法 每块钢板桩逐块插打 施工简便 易向一边倾斜 墙面平直度差 一般在钢板桩长度不大 小于10m 工程要求不高时采用 2 围檩插桩法 用围檩支架作板桩打设导向 按阶梯型逐渐将板桩一块块打入设计标高 此法优点是可以保证平面尺寸准确和钢板桩垂直度 但施工速度慢 不经济 围檩 拉森钢板桩 小止口连接 1 82 2019 12 31 3 分段复打桩 屏风法 将10 20块钢板桩组成的施工段沿单层围檩插入土中一定深度形成较短的屏风墙 先将其两端的两块打入 严格控制其垂直度 打好后用电焊固定在围檩上 然后将其他的板桩按顺序以1 2或1 3板桩高度打入 此法可以防止板桩过大的倾斜和扭转 防止误差积累 有利实现封闭合拢 且分段打设 不会影响邻近板桩施工 1 83 2019 12 31 钢板桩的拔出 地下工程施工结束后 钢板桩应拔出重复使用 钢板桩的拔除须考虑 选择正确拔除方法 拔除顺序 板桩拔出时带土所引起的土体变形 对周围环境造成危害 必要的注浆填充等方法 板桩的打桩锤设备有两类 振动 电动振动锤 液压夹紧设备 锤击 柴油打桩锤 1 84 2019 12 31 四 降水基坑 或沟槽 开挖的水源 土壤含水层被切断后地下水渗入坑内 雨季施工时 地面水也会流入坑内 基坑降水的目的 保证基础工程施工的正常进行 防止边坡塌方 防止地基承载能力的下降 降水方法 重力降水 如集水井 明渠等 强制降水 如轻型井点 深井泵 电渗井点等 土方工程中较多采用集水井降水和轻型井点降水 1 85 2019 12 31 一 集水井降水施工方法 在基坑或沟槽开挖时 在坑底设置集水井 并沿坑底的周围或中央开挖排水沟 使水在重力作用下流入集水井内 然后用水泵抽出坑外 1 86 2019 12 31 集水井降水的要求 四周的排水沟及集水井 应设置在基础范围以外 地下水流的上游 基坑面积较大时 可在基础范围内设置盲沟排水 根据地下水量 基坑平面形状及水泵能力 集水井每隔20 40m设置一个 集水井的直径或宽度 一般为0 6 0 8m 集水井深度随挖土而加深 底部低于挖土面0 7 1 0m 基坑开挖完成 井底应低于坑底1 2m 并铺设碎石滤水层 做好较坚固的井壁 集水井降水方法比较简单 经济 对周围影响小 因而应用较广 1 87 2019 12 31 二 井点降水井点降水 预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管 井 在基坑开挖前和开挖中 利用真空原理 不断抽出地下水 使地下水位降到坑底以下 1 井点降水的作用防止地下水涌入坑内 图1 29a 防止边坡由于地下水的渗流而引起塌方 图1 29b 消除地下水位差引起的压力 防止了坑底的管涌 1 29c 减少了板桩的横向荷载 图1 29d 改变了地下水向外渗流 杜绝了流砂的出现 1 29e 降低地下水位后 还能使土壤固结 增加地基的承载能力 1 88 2019 12 31 1 89 2019 12 31 降水前 积水状况 降水后 干枯状况 1 90 2019 12 31 2 流砂的成因与防治流砂现象 土随着水的渗出堆积在外 影响基础施工的正常进行 导致周围的土体变形 产生原因 是水在土中渗流所产生的动水压力对土体作用的结果 1 91 2019 12 31 动水压力GD 地下水的渗流对单位土体内骨架产生的压力 GD与单位土体内渗流水受到土骨架的阻力T大小相等 方向相反 水在土体内从A向B流动 长度为L 横截面积为F AB之间的水头差为HA HB 土体的重量和所受浮力的反力之和为 wLF 土体骨架对渗流水的总阻力为TLF 1 92 2019 12 31 1 36 由此 动力水压GD的大小与水力坡度成正比 即水位差HA HB愈大 则GD愈大 而渗透路程L愈长 则GD愈小 于是 式中 负号表示GD与所设水渗流时的总阻力T的方向相反 即与水的渗流方向一致 1 93 2019 12 31 流砂产生的力学条件 当水流在水位差的作用下 动水压力不但使土粒受到了水的浮力 而且还受到向上动水压力的作用 如果压力等于或大于土的浮重度 即GD 则土粒失去自重 处于悬浮状态 当土的抗剪强度等于零 土粒能随着渗流的水一起流动 流砂产生的土质条件 细颗粒 均匀颗粒 松散及饱和的土 流砂现象经常在细砂 粉砂及粉土中出现 流砂的防治方法 水下挖土法 冻结法 枯水期施工 抢挖法 加设支护结构 井点降水 根除流砂的有效方法 1 94 2019 12 31 3 井点降水法的种类井点有两大类 轻型井点 管井类 井点降水选择 土的渗透系数 降水深度 设备条件及经济比较等因素 实际工程中 一般轻型井点应用较为广泛 下面介绍轻型井点降水 1 95 2019 12 31 4 轻型井点降水 1 一般轻型井点设备 管路系统 抽水设备 组成 1 96 2019 12 31 管路系统包括 滤管 井点管 弯联管及总管等 滤管 长1 0 1 5m 直径38mm或51mm的无缝钢管 管壁钻有直径为12 19mm的滤孔 构造如图 滤管上端与井点管连接 1 97 2019 12 31 井点管 为直径38mm或51mm 长5 7m的钢管 井点管上端用弯联管与总管相连 集水总管 为直径100 127mm的无缝钢管 每段长4m 与井点管连结的短接头 间距0 8m或1 2m 1 98 2019 12 31 抽水设备包括 真空泵 离心泵和水气分离器等 水气分离器 集水箱 工作原理 开动真空泵 空气由上部真空泵排出 使水气分离器内部形成真空度 土中的水分和空气受真空吸力作用而吸出 进入水气分离器 当分离器内的水达到一定高度 开动离心泵 水经离心泵排出 1 99 2019 12 31 轻型井点设备的工作原理简图 1 100 2019 12 31 2 轻型井点布置和计算 水文地质资料 工程要求 设备条件 地下水含水层厚度 承压或非承压水及地下水变化情况 土体性质 渗透系数 不透水层位置 等 基坑 槽 形状 大小 开挖深度 井管长度 泵的抽吸能力等 井点设计依据 轻型井点设计内容 高程布置 确定井点布置形式 总管长度 井点管数量 水泵数量及位置 等 平面布置 确定井点管的埋设深度 轻型井点降水的设计步骤 确定平面布置 高程布置 计算井点管数量等 调整设计 1 101 2019 12 31 1 确定平面布置方案 单排布置 双排布置 环形布置 或U形布置 1 102 2019 12 31 单排布置 适用于基坑 槽宽度小于6m 且降水深度不超过5m的情况 井点管应布置在地下水的上游一侧 两端延伸长度不宜小于坑 槽的宽度 双排布置 适用于基坑宽度大于6m或土质不良的情况 环形布置 适用于大面积基坑 U形布置 井点管不封闭的一段 应设在地下水的下游处 1 103 2019 12 31 2 高程布置确定 井点管埋深 滤管上口至总管埋设面的距离 1 104 2019 12 31 高程布置的计算公式 h h1 h iL式中h 井点管埋深 m h1 总管埋设面至基底的距离 m h 基底至降低后的地下水位线的距离 m 一般取0 5 1m L 井点管至水井中心的水平距离 m 当井点管单排时 为井点管至对边坡脚的水平距离 i 水力坡度 i的取值按照 单排布置时i 1 4 1 5 双排布置时i 1 7 环形布置时i 1 10 当井点管为 1 105 2019 12 31 上述计算结果 应满足下式 h hpmax式中hpmax 为抽水设备的最大抽吸高度 一般轻型井点的hpmax为6 7m 上述计算结果 如出现 h hpmax时 a 当计算结果h略大于hpmax 且地下水位较深时 可采用 降低总管埋设面 的方法 先挖深 再埋设总管 b 当计算结果h比hpmax较大时 可采用 多级井点降水 的方法 滤管必须埋设在含水层内 井点管布置应离坑边0 7 1m 以防止边坡塌土而引起局部漏气 井点管露出地面的长度0 2m 1 106 2019 12 31 3 总管及井点管数量的计算总管长度根据基坑上口尺寸或基槽长度即可确定 进而可根据选用的水泵负荷长度确定水泵数量 a 水井的分类 1 107 2019 12 31 水井理论 是计算 井点系统的涌水量 的依据 而后方可计算井点管数量 水井的分类 依据水井与不透水层关系 无压井 水井布置自由潜水面的含水层中 承压井 水井布置在承压含水层中 完整井 水井底部达到不透水层 非完整井 水井底部未达到不透水层 水井的分类 依据水井位于的地下水状况 因此 上图中有 无压完整井 无压非完整井 承压完整井 承压非完整井 1 108 2019 12 31 b 水井计算 是以法国水力学家裘布依 Dupuit 的水井理论为基础的 按照无压完整井的方法 推导出计算公式 图示为无压完整井抽水时的水位变化情况 经过一定时间的抽水 井周围的水面降低 成为向井边倾斜的水位降落漏斗 1 109 2019 12 31 单井涌水量的计算 裘布依微分方程 设不透水层基底为x轴 取井中心轴为y轴 将距井轴x处水流断面近似地看作为一垂直的圆柱面 其面积为 2 xy 1 42 式中x 井中心至计算过水断面处的距离 y 距井中心x处水位降落曲线的高度 根据裘布依理论的基本假定 这一过水面处水流的水力坡度是一个恒值 并等于该水面处的斜率 则该过水断面的水力坡度i dx dy 由达西定律水在土中的渗流速度为v Ki 1 43 1 110 2019 12 31 由式 1 42 和式 1 43 及裘布依定律i dy dx 可得到单井涌水量 m3 d 将上式分离变量 水位降落曲线在x r处 y l 在x R处 y H l 与H分别表示水井的水深及含水层的深度 对式 1 45 两边积分 于是 1 111 2019 12 31 式中K 土的渗透系数 m d H 含水层厚度 m S 井水处水位降落高度 m R 为单井的降水影响半径 r 为单井的半径 或 1 46 1 112 2019 12 31 上述公式 1 46 是无压完整单井的涌水量计算公式 但在井点系统中 各井点管是布置在基坑周围 许多井点同时抽水 即群井共同工作的 群井涌水量的计算 可把由各井点管组成的群井系统 视为一口大的圆形单井 则 井点系统的涌水量计算公式为 式中xo 为由井点管围成的水井的半径 m 其他符号含义同前 1 113 2019 12 31 无压非完整井的涌水量计算公式 地下水不仅从井的侧面流入 还从井底渗入 因此涌水量要比完整井大 为了简化计算 仍采用计算公式 式中H换成有效含水深度H0 抽水时仅在H0范围内受到抽水影响 因而也可将H0视为抽水影响深度 表中S为井点管内水位降落值 m l为滤管长度 m H0可按照下表得到 但 当H0 H时 取H0 H 1 114 2019 12 31 水井的假想半径xo 当矩形基坑长宽比不大于5时 环形布置的井点可近似作为圆形井来处理 并用面积相等原则确定 式中xo 环形井点系统的假想半径 m F 环形井点所包围的面积 m2 抽水影响半径R 与土的渗透系数 含水层厚度 水位降低值及抽水时间等因素有关 可近似地按下式计算 式中S H的单位为m K的单位为m d 渗透系数K 对计算结果影响较大 可用现场抽水试验或通过实验室测定 1 115 2019 12 31 c 单根井管的最大出水量 由下式确定 式中d 为滤管直径 m 其他符号含义同前 d 井点管数量 井点管最少数量由下式确定 根 井点管最大间距 式中L 总管长度 m n 井点管最少根数 1 116 2019 12 31 实际井点管间距D 应当与总管上接头尺寸相适应 应为0 8 1 2 1 6或2 0m 且D D 则实际井点管的数量n n 且n 1 1n 以防堵管塞等影响抽水效果 1 117 2019 12 31 3 轻型井点的施工包括 准备工作 井点系统的埋设 使用及拆除 准备工作 井点设备 动力 水源及必要材料的准备 排水沟的开挖 附近建筑物的标高观测 防止附近建筑物沉降的措施 1 118 2019 12 31 埋设井点的程序是 先排放总管 再设井点管 用弯联管将井点与总管接通 然后安装抽水设备 井点管的埋设 用水冲法进行 分为冲孔 埋管两个过程 1 119 2019 12 31 冲孔时 用高压水泵将土冲松 边冲边沉 冲孔直径一般为300mm 冲孔深度比滤管底深0 5m左右 冲孔后 立即拔出冲管 插入井点管 并在井点管与孔壁之间迅速填灌砂滤层 以防孔壁塌土 砂滤层 保证轻型井点顺利抽水 一般宜选用干净粗砂 填灌均匀 并填至滤管顶上1 1 5m 以保证水流畅通 井点上口 须用粘土封口 以防漏气 影响井点真空度 井点系统安装完毕 需进行试抽 以检查有无漏气现象 开始抽水后 一般不应停抽 时抽时停 滤网易堵塞 也容易抽出土粒 正常的排水应是细水长流 出水澄清 抽水时需要经常检查 检查观测井中水位下降情况 如果有较多井点管发生堵塞 影响降水效果时 应逐根用高压水反向冲洗或拔出重埋 1 120 2019 12 31 4 回灌井点目的 轻型井点降水抽水影响范围较大 影响半径可达百米 会导致周围土壤固结而引起地面沉陷 要消除地面沉陷可采用回灌井点方法 方法 在井点设置线外4 5m处 以插入注水管间距3 5m 将抽取的水经过沉淀后用压力注入管内 形成一道水墙 此时抽水量约增加10 可适当增加抽水井点的数量 1 121 2019 12 31 第五节土方工程的机械化施工土方工程应尽量采用机械化施工 以减轻繁重的体力劳动和提高施工速度 一 主要挖土机械及其性能 一 推土机推土机是土方工程施工的主要机械之一 在履带式底座上安装有油压操纵的推土板 操纵灵活 运转方便 所需工作面较小 行驶速度快 易于转移 能爬30 左右的缓坡 因此应用范围较广 1 122 2019 12 31 多用于平整场地 开挖深度不大的基坑 移挖作填 回填土方 堆筑堤坝以及配合挖土机集中土方 修路开道等 推土机适于开挖一至三类土 1 123 2019 12 31 推土机作业 以切土和推运土方为主 切土时应根据土质情况 尽量采用最大切土深度在最短距离 6 10m 内完成 以便缩短低速行进的时间 然后直接推运到预定地点 上下坡坡度不得超过35 横坡不得超过10 几台推土机同时作业时 前后距离应大于8m 推土机经济运距 在100m以内 效率最高的运距为60m 为提高生产率 可采用槽形推土 下坡推土以及并列推土等方法 1 124 2019 12 31 二 铲运机铲运机是一种能综合完成全部土方施工工序 挖土 装土 运土 卸土和平土 的机械 按行走方式分为自行式铲运机 图1 41 拖式铲运机 图1 42 两种 1 125 2019 12 31 1 126 2019 12 31 铲运机操纵简单 不受地形限制 能独立工作 行驶速度快 生产效率高 铲运机适于开挖一至三类土 常用于坡度20 以内的大面积土方挖 填 平整 压实 大型基坑开挖和堤坝填筑等 铲运机运行路线和施工方法视工程大小 运距长短 土的性质和地形条件等而定 其运行线路可采用环形路线或8字路线 图1 43 适用运距为600 1500m 当运距为200 350m时效率最高 采用下坡铲土 跨铲法 推土机助铲法等 可缩短装土时间 提高土斗装土量 以充分发挥其效率 1 127 2019 12 31 三 挖掘机 但 在工程中常用的挖掘机利用土斗直接挖土 因此也称为单斗挖土机 斗容量有0 2m3 0 43m3 1 0m3 1 5m3 2 0m3多种 挖掘机按行走方式分为履带式和轮胎式两种 按传动方式分为机械传动和液压传动两种 工作装置有正铲 反铲 抓铲和拉铲 使用较多的是正铲与反铲 1 128 2019 12 31 1 正铲挖掘机外型如图1 44所示适用于开挖停机面以上的土方 挖掘力大 需与汽车配合工作 可开挖含水量较小的 一 四类土和经爆破的岩石及冻土 正铲的开挖方式 根据开挖路线与汽车相对位置的不同 正向开挖 侧向装土 生产率较高 正向开挖 后方装土 1 129 2019 12 31 课程内容 正铲的生产率主要决定于每斗作业的循环延续时间 为了提高其生产率 除了工作面高度必须满足装满土斗的要求之外 还要考虑开挖方式和与运土机械配合 尽量减少回转角度 缩短每个循环的延续时间 特点 正铲向上 强制挖土 1 130 2019 12 31 2 反铲挖掘机外型如右图所示 可开挖停机面以下的土方 一般反铲的最大挖土深度为4 6m 经济合理的挖土深度为3 5m 反铲也需要配备运土汽车 适用于开挖一 三类的砂土或粘土 1 131 2019 12 31 工程中常见的反铲挖掘机 及工作状况 1 132 2019 12 31 反铲的开挖方式可以采用沟端开挖法 即反铲停于沟端 后退挖土 向沟一侧弃土或装汽车运走 1 47a 也可采用沟侧开挖法 即反铲停于沟侧 沿沟边开挖 它可将土弃于距沟较远的地方 如装车则回转角度较小 但边坡不易控制 图1 47b 特点 反铲向下 强制挖土 1 133 2019 12 31 适用于开挖较松软的土 对施工面狭窄而深的基坑 深槽 深井采用抓铲可取得理想效果 抓铲还可用于挖取水中淤泥 装卸碎石 矿碴等松散材料 抓铲也有采用液压传动操纵抓斗作业 3 抓铲挖掘机机械传动抓铲外形如图1 48所示 特点 直上直下 重力挖土 1 134 2019 12 31 4 拉铲挖掘机其外形及工作状况如图1 49所示 拉铲适用于一至三类的土 可开挖停机面以下的土方 如较大基坑 槽 和