土的工程性质、土方量计算、降低地下水位

1、2021/3/271第一章第一章 土方工程土方工程2021/3/272第一节 概述一、土方工程的分类、特点 1、施工分类、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、施工特点 （1）量大面广； （2）劳动强度大,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。2021/3/273 3、施工设计应注意、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

2、计划，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。2021/3/274二、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） 爆破开挖爆破开挖2021/3/275三、土的工程性质 1、土的可松性土的可松性: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。 最初可松性系数 KS=V2 /V1 1.081.5 最后可松性系数 KS=V3 /V1 1.011.3 V1 土在自然状态下的体积。V2 土

3、经开挖后松散状态下的体积。V3 土经回填压实后的体积。 用途用途:开挖、运输、存放，挖土回填，留回填松土2021/3/2762、土的渗透性、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） Lh K的单位:m / d 。粘土 0.1,粗砂5075,卵石100200 用途用途:降低水位方法,回填。2021/3/2773、土的密度、土的密度: 天然密度天然密度 :一般 =1620 KN/m3 干密度干密度 d:是检测填土密实程度的指标。（105,烘干34h） d=Ms/V4、土的含水量：、土的含水量： 天然含水

4、量天然含水量 W=（M-Ms）/Ms 边坡稳定 最佳含水量最佳含水量可使填土获得最大密实度的含水量（手握经验确定）。2021/3/278第二节第二节 土方量计算与调配土方量计算与调配一、基坑、基槽、路堤土一、基坑、基槽、路堤土方量计算方量计算1 1、基坑土方量、基坑土方量: :按拟柱体法按拟柱体法 V V=(=(F F下下+4+4F F中中+ +F F上上) )H H/6 /6F下F F上上F中中H2021/3/279HIIFi2 2、基槽（路堤）土方量、基槽（路堤）土方量:沿长度方向分段计算Vi,再 V V = = V Vi i 断面尺寸不变的槽段:V Vi i = =F Fi iL Li

5、i 断面尺寸变化的槽段:V Vi i =( =(F Fi i1 1+4+4F Fi i0 0+ +F Fi i2 2) )L Li i/6/6 槽段长L Li:外墙槽底中中, 内墙槽底净长IIL2L1L52021/3/2710二、场地平整土方量二、场地平整土方量 方格网法、方格网法、累高法平均断面法累高法平均断面法（一）确定场地设计标高（一）确定场地设计标高考虑的因素考虑的因素: (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)有一定泄水坡度,满足排水要求。场地设计标高场地设计标高一般在设计文件上规定，如无规定如无规定

6、: (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）2021/3/27111、初步标高、初步标高（按（按挖填平衡）挖填平衡） 方法方法:将场地划分为每格边长1040m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） 。aaaaaaH11H12H21H22则场地初步标高场地初步标高: : H0=（H11+H12+H21+H22）/4NH11、 H12、 H21、 H22 一个方格各角点的自然地面标高; N 方格个数。或或: :H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4NH1一个方格所仅有角点的标高;H2、H3、H4分别为两个、三个、

7、四个方格共用角点的标高。2021/3/2712 2、场地设计标高的调整、场地设计标高的调整 按泄水坡度、土的可松性、就近借弃土等调整。 按泄水坡度调整各角点设计标高按泄水坡度调整各角点设计标高 :LyLxixiyH0(2)双向排水时,各方格角点设计标高为:LH11H0H0iH12H21 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: Hn2021/3/2713【例例】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。解解:（1）初步设计标高）初步设计标高（场

8、地平均标高）H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4N =70.09+71.43+69.10+70.70+2（70.40+70.95+69.71+）+4（70.17+70.70+69.81+70.38） /（49） =70.29（m）70.0970.092021/3/271470.0970.09（2）按泄水坡度调整设计标高）按泄水坡度调整设计标高:Hn = H0 Lx ix L yi y ; H1 =70.29302+303=70.3270.3270.3670.4070.4470.2670.3070.3470.3870.2070.2470.2870.3270.1470.1870.2270.2

9、6 H H0 070.2970.29H2 =70.29102+303=70.36H3=70.29+102+303=70.40 其它见图2021/3/271570.3270.3670.4070.4470.2670.3070.3470.3870.2070.2470.2870.3270.1470.1870.2270.2670.0970.09（二）场地土方量计算（二）场地土方量计算1、计算各方格角点的施工高度、计算各方格角点的施工高度 hn : hn= HnHn 即:hn=该角点的设计标高自然地面标高（m）h1 =70.3270.09=0.23 （m）;正值为填方高度。+0.23-0.04-0.55-

10、0.99+0.55+0.13-0.36-0.84+0.83+0.43-0.10-0.63+1.04+0.56+0.02-0.44h2 =70.3670.40=0.04 （m）; 负值为挖方高度2021/3/271670.3270.3670.4070.4470.2670.3070.3470.3870.2070.2470.2870.3270.1470.1870.2270.26+0.23-0.04-0.55-0.99+0.55+0.13-0.36-0.84+0.83+0.43-0.10-0.63+1.04+0.56+0.02-0.4470.0970.09 2、确定零线、确定零线（挖填分界线）（挖填分

11、界线） 插入法、比例法找零点零点连线h10 0 0 02021/3/2717 3、场地土方量的计算、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）四角棱柱体法1）全挖、全填格）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）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）四方棱柱体平均高度法（略）（3）三角棱柱体

12、法）三角棱柱体法（略） 均见教材2021/3/2718作 业（1）某场地如图所示,试按挖填平衡的原则确定场地平整的设计标高H0,然后算出方格角点的施工高度并绘出零线,分别计算挖方量和填方量（a=30m)。（2）当iy=2 , ix=3,试确定方格角点的设计标高。2021/3/2719三、土方的调配三、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 1、要求、要求: 总运输量最小; 土方施工成本最低。 2、步骤、步骤:（1 1）找出零线）找出零线,画出挖方区、填方区画出挖方区、填方区;（2）划分调配区）划分调配区 2021/3/2720B1A1A2A3A4B2B30000（

13、3）找各挖、填方区间的平均运）找各挖、填方区间的平均运距距（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 挖 填B1B2B3挖方量A1 50 70 100500A2 70 40 90 500A3 60 110 70 500A4 80 100 40400填方量800600500 1900划分调配区示例划分调配区示例: : （4 4）列挖、填方平衡及运距表）列挖、填方平衡及运距表2021/3/2721（5）调配）调配 方法方法:最小元素法就近调配。最小元素法就近调配。 顺序顺序:先从运距小的开 始,使其土方量最大。n 列列填方量填方量 填填挖挖B1B2B3挖方量挖方量A1 50 70 1

14、00500A2 70 40 90 500A3 60 110 70500A4 80 100 40400800600 500 1900m 行行400500500300100100结果结果: :所得运输量较小所得运输量较小, ,但不一定是最优方案。但不一定是最优方案。（总运输量（总运输量97000m97000m3 3-m)-m) 2021/3/27223、调配方案的优化、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）确定初步调配方案（如上） （2）判别是否最优方案）判别是否最优方案(矩形法判别矩形法判别) 表格内有土方量的运距留下表格内有土方量的运距留下,其余删除其余删除.运用对角

15、线相加运用对角线相加相等的原则相等的原则,求其余空格数值求其余空格数值.挖挖 填填A1A2A3A4B1B2B350 -1040 60 11070 40 100 6003080+ 表格中出现负值表格中出现负值,故该方案不是最优方案故该方案不是最优方案,应应对初始方案进行调整。对初始方案进行调整。2021/3/2723（3）方案调整）方案调整 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

16、都加这个土方量,以保持挖填平衡。 填方量填方量 填填挖挖B1B2B3挖方量挖方量A1 500A2 500A3 500A4 400800600 500 1900400500500300100100X12(100)(100) (0)(0)(400)(400)(400)(400)2021/3/2724（2）判别是否最优方案）判别是否最优方案 若检验数仍有负值,则重复以上步骤,直到全部正值而得到最优解。 由于所有的检验数 均为正值,故该方案已为最优方案。挖挖 填填A1A2A3A440B1B2B350 2040 60 70 70 60303050+80+2021/3/2725故最优方案为:填方量填方量

17、填填挖挖B1B2B3挖方量挖方量A1 50 70 100500A2 70 40 90 500A3 60 110 70500A4 80 100 40400800600 500 19004005004004001001002021/3/2726 （5） 求出最优方案的总运输量求出最优方案的总运输量: 40050100705004040060100704004094000m3-m 。（4 4）绘出调配图）绘出调配图: : （包括调运的流向、数量、运距）。（包括调运的流向、数量、运距）。A A1 1A A2 2A A3 3A A4 4B B1 1B B2 2B B3 3mm3 3mm2021/3/27

18、27作业 已知某场地的挖方区为W1、W2、W3,填方区为T1、T2、T3,其挖填方量,每一调配区的平均运距如表所示，试用“表上作业法”求最优调配方案。 挖方区填方区填方量挖方量（m）3（m）3TWTTWW250800550160070055035050804010070609040801231232021/3/2728第三节第三节 土方开挖的辅助工作土方开挖的辅助工作一、降低地下水位（一）降水目的降水目的 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。2021/3/27292 25 5排水沟排水沟集水井集水井水泵水泵（二）降排水方法

19、（二）降排水方法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2021/3/2730要求要求:（ 1）排水沟）排水沟:沿基坑底四周设置,底宽300mm,沟底低于坑底500mm,坡度1。（ 2）集水井）集水井:沿基坑底边角设置，间距2040m，直径0.60.8m，井底低于坑底12m。长期用，有护壁和碎石压底。（ 3）水泵：）水泵：离心泵、潜水泵、污水泵2021/3/2731（一）普通明沟排水法（一）普通明沟排水法（二）分层明沟排水法（二）分层明沟排水法2021/3/2732流砂现象流砂现象 1动水压力地下水在渗流过程中受到土颗粒的

20、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 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。 Q F GD 2021/3/27333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）;改变动水压力的方向（井点降水）。2021/3/27342井点降水法井点降水法（1）特点）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）井点类型及适用范围井点类型渗透系数降水深度 最

21、大井距主要原理单级轻型井点0.120 m/d36 m1.62 m地上真空泵或喷射嘴真空吸水多级轻型井点620喷射井点0.12082023m地下喷射嘴真空吸水电渗井点 0.156极距1m钢筋阳极加速渗流管井井点20200352050单井真空泵、离心泵深管井点1025025503050单井潜水泵排水2021/3/2735轻型井点降水全貌图轻型井点降水全貌图2021/3/2736二级轻型井点降水二级轻型井点降水2021/3/2737喷射井点喷射井点2021/3/2738井点管电极6m，或土质不良。环状环状:在坑槽四周布置。 用于面积较大的基坑。2021/3/2747单排单排井点平面及高程布置井点平面

22、及高程布置环状环状井点平面及高程布置井点平面及高程布置2021/3/2748（2）高程布置（图）高程布置（图） 井管埋深: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。2021/3/27494计算涌水量计算涌水量Q:（环状井点系统） （1）判断井型（图）判断井型（图）按照滤管与不透水层的关系:完整井完整井到不透水层非完整井非完整井未到不透水层.按照是否承压水层:承压井承压井无压井无压井2021/3

23、/2750水井的分类水井的分类2021/3/2751（2）无压完整井群井井点计算（积分解）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）; 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。2021/3/2752（3）无压非完整井群井系统涌水量计算）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

24、定方法:s/(s+l)0.20.30.50.8H01.3 (s+l)1.5 (s+l)1.7 (s+l)1.85 (s+l)注意注意: :1、当H0值超过H时,取H0H; 2、计算R时,也应以H0代入。2021/3/2753 （4）承压完整井Q2.73KMS/(lgRlgX0) （m3/d)M承压含水层厚度（m）承压水位承压水位不透水层不透水层含水层含水层不透水层不透水层hsHMR2021/3/2754（5）承压非完整井Q2.73KMS/(lgRlgX0) r-井点管半径MMrM125 . 012021/3/27555确定井管的数量与间距确定井管的数量与间距 （1）单井出水量）单井出水量:q6

25、5d l3 K1/2 （m3/d） d、l滤管直径、长度（m）; （2）最少井点数）最少井点数:n1.1Q / q （根） 1.1备用系数。 （3）最大井距）最大井距:DL总管 / n （m）; （4）确定井距）确定井距： 取井距D （5 5）确定井点数）确定井点数: :nL总管 / DD15d符合总管的接头间距。2021/3/2756例: 已知某地下室基坑开挖的坑底平面尺寸为30.5m20.5m,坑底深4.0m,挖土边坡为10.5;地下水位离地面1.0m,不透水层标高为-10.00m。不透水层上面的含水层为细砂层，经扬水试验，细砂层渗透系数K=15m/d。地下水为无压水。采用轻型井点降低地下

26、水位，井管长6.0m，滤管长1.0m，井点管与边坡距离为0.8m，井点管露出地面0.2m。抽水影响半径公式R=1.95s ，总涌水量公式Q=1.366K(2H-s)s/(lgR-lgx0)。试进行井点系统的布置和设计。HK2021/3/2757解:1、轻型井点布置 为增加井点系统的降水深度,将总管埋设在-0.5m标高处,先挖0.5m深的沟槽,然后在槽底敷设总管。经计算基坑上口的平面尺寸为24*34m;总管距基坑边缘1.0m，故环行总管的总长度为L=（26+36）*2=124m 基坑中心要求降水深度为s=4.0-1.0+0.5=3.5m 2021/3/2758 采用一级轻型井点,井点管埋深（不包括滤管）为H=H1+h+Il=3.5+0.5+1/10*26/2