土方工程施工技术幻灯片.ppt

第1章土方工程 一土的分类按地基土分类 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 土方工程的分类 1场地平整2基坑 槽 开挖回填3地坪填土4路基填筑包括一切土的挖掘 填筑和运输等过程以及排水 降水 土壁支撑等准备和辅助工程 三 土的性质1可松性自然状态下的土 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 其这种性质称为土的可松性2 可松性的表示 可松性系数 1 最初可松性系数KsV2 开挖后土的松散体积V1 土的自然体积 2 土的最终可松性系数K sV3 土压实后的体积V1 土的自然体积 3 可松性的利用 1 借土 弃土时应考虑土的可松性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 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 99 车次 由于可松性的存在 运土时应考虑工具的容量 由于可松性的存在 原土结构受到破坏时不能用原土回填 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 知 渗透系数的物理意义是 当水力梯度等于 时的渗流速度 应用 地下降水时计算涌水量应考虑渗透系数的大小 流砂的防治应考虑 第二节土方量的计算一基坑 基槽的土方量的计算 基坑对于基坑土方量可按立体几何中的拟柱体 由两个平行平面做上 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1 1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 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1 2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 二场地平整土方量计算总要求 建筑规划 生产工艺及运输 排水 最高洪水位 力求场地内挖填方平衡 1设计标高的确定场地平整要求场地内的土方在平整前和平整后相等 达到挖填土方量的平衡 即 填挖平衡 的原则确定设计标高H0 如图1 3示1 在图上划分方格 边长a 10 40m 常用a 20m2 根据等高线按比例求解各顶点的地面高程Hij3 求解H0 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 式中 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 N11 N22 任一方格的四个角点的标高 m H1 1个方格共有的角点标高 m H2 2个方格共有的角点标高 m H3 3个方格共有的角点标高 m H4 4个方格共有的角点标高 m 2H0的调整1 考虑土的可松性影响由于土有可松性 为了达到填挖平衡 则应把H0提高 h 如图1 4示 增加高度为 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 考虑排水坡度后标高H0为理论数值 即场地表面交处于同一个水平面 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 有2 以上排水坡度 尚应考虑坡度对设计标高的影响 以场地中心为基点 双向排水 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 如图1 5示 式中 H0 场地内任意一点的设计标高ixiy x方向y方向的排水坡度 不小于2 lxly x 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ixiy反向则取 号 反之取 号 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 即填挖的分界线当一个方格内同时有填方与挖方时 要确定填挖的分界线即 零线 先确定零点 再把零点连起来得零线 如图1 6 零点确定公式 5土方量的计算如图1 7示按零线通过的位置不同 方格可分为三种类型 即 1 全填或全挖2 两挖两填3 三挖一填或三填一挖 6求填挖方量将所有的填方挖方累加起来即得总的填挖方量7边坡土方量的计算在整平场地 修筑路基的边坡时 常需计算边坡挖填土方量 系根据地形图和边坡竖向布置图或现场测绘 将要计算的边坡划分为两种近似的几何形体 图1 8 一种为三角棱锥体 如体积 11 另一种为三角棱柱体 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 图1 8场地边坡计算简图 1 边坡三棱体体积边坡三角棱体体积V可按下式计算 例如图1 8中的 2 边坡三棱柱体体积 1 边坡三角棱柱体积V 可按下式计算 例如图1 8中的 2 当两端横截面面积相差很大时 式中 V1 边坡 三角棱体体积 m3 其它的计算方法相同 l1 边坡 的边长 m m 边坡的坡度系数 V4 边坡 三角棱体积 m3 l4 边坡 的长度 m F1 F2 F0 边坡 两端及中部的横截面面积 8土方计算实例某场地平整利用方格网法计算其土方量a 20m 如图1 9示 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 以5角点为中心 不考虑土的可松性影响 试按填挖平整的原则计算 该场地平整的土方量 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同理其余各角点的设标高可计算出并标在图1 9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 3 计算各角点的施工高度同理其它各角点的施工高度计算并标在图1 9上 4 计算零点 找零线利用公式求零点距角点的距离 1 2线4 5线 5 9线6 10线10 11线把零点连成零线5 计算土方量方格1245V 20 0 83 17 65 0 01 0 3 8 14 32m3V 20 19 17 2 35 0 23 0 04 8 14 53m3 方格4589V 20 2 35 2 35 2 0 3 0 74 0 3 5 106 46m3V 1 2 2 35 2 35 0 04 3 0 04m3方格2356V 20 0 23 0 42 0 04 0 08 4 77m3方格56910V 1 2 17 65 13 32 20 0 3 0 16 4 35 63m3V 20 8 2 35 6 67 0 04 0 08 2 71m3方格671011V 1 6 13 33 9 41 0 16 3 35m3V 202 13 33 9 41 0 08 0 42 0 18 5 37 34m3总土方量V 14 32 106 46 35 63 3 35 159 76m3V 14 53 77 0 04 2 71 37 34 131 62m3 三土方调配1土方调配的目的 是在使土方总运输 m3 m 最小或土方运输成本 元 或土方施工费用 元 最小的条件下 确定挖填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 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 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 即挖方区土方重心至填方区重心的距离 并将每一距离Lij标于表1 1 土方平衡与运距表 中 每个调配区的重心坐标 Xi VX VYi VY VXi Yi 第i调配区重心的坐标 V 第i调配区中每方格的土方量 X Y 每方格的几何中心坐标 平均运距Lij xwi xtj 2 ywi yTj 2 1 2Lij 从挖方区i到填方区j的平均运距 Xwi ywi 挖方区i的重心坐标 Xtj yTj 填方区j的重心坐标 4 确定最优调配方案 先用 最小元素性 确定初始方案 再用 位势法 进行检查 是否总的运输量为最小值 否则用 闭回路法 进行调整Lij 各调配区之间的平均运距 m Xij 各调配区的土方量 m3 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 表1 1土方平衡与运距表 3例题矩形广场各调配区的土方量如图1 10所示 相互之间的平均运距见表1 2 试求最优土方调配方案 解 1 先将图1 10中的数值标注在填 挖方平衡及运距表1 2中表1 2填挖方平衡及运距表 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取最大的xij值的原则调配 初始方案见表3 23表3 23土方初始调配方案 350 300 400 200 250 50 S1 100 200 250 150 50 90 400 40 300 80 350 50 119500m3 m 3 用 位势法 检验 利用运距相等的退化原理求假想运距L ij 求检验数 ij Lij L ij若所有 ij 0则方案最优 若有 ij 0则方案不优 检验检验结果见表1 3 从中可以知道 23 10 0 故初始方案不是最优 表1 3检验数的计算注 表中50 90分别表示假想运距和检验数 其它含义相同 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1 4中形成的闭回路 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 将250填入X22空格中 其它奇数次转角上减去250 偶数次转角上数字加250 形成新的方案如表1 5 表1 4 表1 5 5 再用位势法检验 从表1 6可知 所有的 ij 0 故新方案为最优 土方调配见图1 11表1 6检验数的计算 第三节土方施工要点一土方施工的准备工作 1 场地清理 2 排除地面水 3 修筑好临时道路及供水 供电等进场工作 4 做好材料 机具及土方机械的进场工作 5 做好土方工程测量 放线工作 6 做好土方施工设计和辅助工作 二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或剪应力增加 使土体中的剪应力超过其抗剪强度所造成 2 外因体现在以下几个方面 1 边坡太陡土的稳定性不够 2 雨水施工用水渗入边坡中 使土体重量增加 剪应力增加 同时抗剪能力下降 3 边坡顶有动载或静载 2防止塌方的措施1 放足边坡 1 边坡的含义土方施工中为了保持土壁稳定防止塌方 对挖方和填方的边缘均应作成一定的坡度 这个倾斜的坡度即为边坡 2 表示 边坡系数m土方边坡坡度 H B 1 m h 3 确定边坡系数的大小应考虑的因素 土的种类 水文条件 施工方法 开挖深度 工期的长短 2 设支护 1 产生当施工现场条件的限制不能放坡或放坡造成土方量开挖过大不经济时可设支护 2 支护形式 土层锚杆支护 板桩支护 灌注桩支护 地下连续墙 a 间断式水平挡土板支撑b 垂直挡土板支撑图1 14横撑式支撑1 水平挡土板 2 立柱 3 6 工具式横撑 4 垂直挡土板 5 横楞木 图1 15锚碇式支撑图1 16短柱横隔支撑1 柱桩 2 挡土板 3 锚桩 4 拉杆 1 短桩 2 横隔板5 回填图 土的内摩擦角 a 水平支撑式b 斜撑式c 拉锚式d 土锚式图1 18板式支护结构1 板桩墙 2 围檩 3 钢支撑 4 竖撑 5 斜撑 6 拉锚 7 土锚杆 三施工排 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 集水坑降水法 明排水 当土的渗透性强时易产生流砂现象 流砂及其防治 1 流砂现象基坑挖土至地下水位以下 土质为细砂土或粉砂土的情况下 采用集水坑降低地下水时 坑下的土有时会形成流动状态 随着地下水流入基坑 这种现象称为流砂现象 出现流砂现象时 土完全丧失承载力 土体边挖边冒流砂 使施工条件恶化 基坑难以挖到设计深度 严重时会引起基坑边坡塌方 临近建筑因地基被掏空而出现开裂 下沉 倾斜甚至倒塌 2 产生流砂现象的原因产生流砂现象的原因有其内因和外因 内因取决于土壤的性质 当土的孔隙率大 含水量大 粘粒含量少 粉粒多 渗透系数小 排水性能差等均容易产生流砂现象 因此 流砂现象经常发生在细砂 粉砂和亚砂土中 但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 流动中的地下水对土颗粒产生的压力称为动水压力 3 流砂防治方法 由于在细颗粒 松散 饱和的非粘性土中发生流砂现象的主要条件是动水压力的大小和方向 当动水压力方向向上且足够大时 土转化为流砂 而动水压力方向向下时 又可将流砂转化成稳定土 因此 在基坑开挖中 防治流砂的原则是 治流砂必先治水 防治流砂的主要途径有 减少或平衡动水压力 设法使动水压力方向向下 截断地下水流 其具体措施有 1 枯水期施工法枯水期地下水位较低 基坑内外水位差小 动水压力小 就不易产生流砂 2 抢挖并抛大石块法分段抢挖土方 使挖土速度超过冒砂速度 在挖至标高后立即铺竹 芦席 并抛大石块 以平衡动水压力 将流砂压住 此法适用于治理局部的或轻微的流砂 3 设止水帷幕法将连续的止水支护结构 如连续板桩 深层搅拌桩 密排灌注桩等 打入基坑底面以下一定深度 形成封闭的止水帷幕 从而使地下水只能从支护结构下端向基坑渗流 增加地下水从坑外流入基坑内的渗流路径 减小水力坡度 从而减小动水压力 防止流砂产生 4 人工降低地下水位法即采用井点降水法 如轻型井点 管井井点 喷射井点等 使地下水位降低至基坑底面以下 地下水的渗流向下 则动水压力的方向也向下 从而水不能渗流入基坑内 可有效地防止流砂的发生 因此 此法应用广泛且较可靠 此外 采用地下连续墙 压密注浆法 土壤冻结法等 阻止地下水流入基坑 以防止流砂发生 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 图1 25轻型井点法降低地下水位全貌图1 井点管 2 滤管 3 总管 4 弯联管 5 水泵房 6 原有地下水位线 7 降低后地下水位线 图1 28单排井点布置1 总管 2 井点管 3 抽水设备 图1 29环形井点井点布置1 井点管 2 总管 3 抽水设备 3 井点种类适用土壤轻型井点k 0 1 50m d管井井点k 20 200m d喷射井点k 0 1 2m d电渗井点k 0 1m d一般轻型井点设备 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 4 轻型井点布置与设计A布置平面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 高程布置若H 6m 用单级若H 6m 用多级 H HpmaxHpmax 抽水设备的最大抽吸高度 一般轻型井点6 7m有关数据按下述取值 1 h一般取0 5 1m 2 I的取值 单排取1 4 1 5双排取1 7环形取1 10 3 井点管布置应离坑边有一定距离0 7 1m B涌水量的计算水井种类 无压完整井 无压非完整井 承压完整井 承压非完整井承压完整井的涌水量 单井 Q 涌水量 m3K 渗透系数 m d实验得到 M 含水层厚度 mR 抽水影响半径 mX 井点管半径 1 承压完整井 2 承压非完整井 3 无压完整井 4 无压非完整井 a 无压非完整井涌水量计算b 无压完整井涌水量计算图1 32环形井点涌水量计算简图 C确定井管数量及间距单根井管出水量 m3 d D一般取0 8m 1 2m 1 6ml 滤管的长度 D 滤管的半径 D抽水设备的选择一般选用真空泵 泵型用V5或V6型 采用V5型时 总管长度不大于100m 井点管数为80个左右 采用V6型时 总管长度不大于120m 井点管数为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粘粒含量少粉粒多渗透系数小排水性能差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 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 wh1A 土体左断的总水压力 其方向