环境工程施工土石方工程

环境工程施工土石方工程第1页，课件共60页，创作于2023年2月环境工程专业课程《环境工程施工》(40学时)主要内容土石方工程与地基处理施工排水钢筋混凝土工程水工程构筑物施工室外管道工程施工管道的特殊施工工程施工组织与管理第2页，课件共60页，创作于2023年2月主要参考书目1.张勤主编.《水工程施工》（教学教材）中国建筑工业出版社，2005年

2.郑达谦主编.《给水排水工程施工》（第三版）中国建筑工业出版社，1998年6月3.孙连溪主编.《实用给水排水工程施工手册》中国建筑工业出版社，1998年7月4.国家标准，《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-97），中国建筑工业出版社，1998

第3页，课件共60页，创作于2023年2月第一章土石方工程与地基处理

土石方工程是水工程施工中主要项目之一。土石方工程施工内容：土方开挖、地基土处理、土方回填等。

一、土方工程施工特点1、影响因素多1）土方的种类多大小不同；承载力不同；密实度不同；开挖难度不同2）土方成分复杂有机物不同；无机物组成不同；含水量不同3）人类活动第4页，课件共60页，创作于2023年2月2、施工条件复杂1）地形平地；低坡度地；高坡度地；河道；水库、湖泊、海洋2）地物建筑物、构筑物；各类管线；人行道、公路、铁路3）水文地下水影响4）地质不同类型5）气候雨季；旱季；夏季；冬季

第5页，课件共60页，创作于2023年2月3、量大、面广1）管沟槽开挖2）基坑开挖3）人防工程4）水下开挖第6页，课件共60页，创作于2023年2月4、劳动强度大、费时多1）人工开挖2）机械开挖3）爆破开挖第7页，课件共60页，创作于2023年2月5、质量要求高1）断面形式2）开挖的长、宽、高3）开挖的位置4）开挖的高程5）土方的稳定性6）槽、坑底的承载力第8页，课件共60页，创作于2023年2月二、土石方工程施工前期要求1、收集必要的资料；2、做好施工方案；3、做好劳动力、机械准备；4、做好可能出现的各种不利施工条件下预防措施——人、材、物。此外在给水排水管道和构筑物工程施工中，常常会遇到一些软弱土层，不能满足要求时，就需要采用合理、有效和经济的施工方案，对地基进行加固或处理。本章就围绕土石方工程讲解施工技术、方法、工序等内容。

第9页，课件共60页，创作于2023年2月§1-1土的工程性质及分类

一、土（一）土的组成

岩石→风化→松散沉积物（土）1、组成——绘图1）固相——矿物颗粒及有机质（有害；带负电荷)。构成土骨架，土的主要成分，决定土性质主要因素。按大小分为：见P3表1-1。2）液相——自由水（易流动、易蒸发，地下水），

薄膜水（受压移动、易蒸发、具有毛细粘聚力，毛细水）

吸着水

带正电荷（性质接近固体、≥105℃蒸发、受压不移动，结合水）第10页，课件共60页，创作于2023年2月3）气相——空气、水蒸气（对土力学性质影响不大）因此，土具有碎散性、压缩性、颗粒间可以相对移动性和透水性。见下图1-1(a)实际土体(b)土的三相图(c)各相的质量与体积

第11页，课件共60页，创作于2023年2月2、计算1）土体积（m3）：V＝Vs＋Vv

Vs——土中固体颗粒体积（m3）；Vv——土中空隙体积（m3）Vv＝Va+Vw

土中空气体积Va

、土中水的体积Vw2）土质量（kg）：m＝ms＋mw

ms——土中固体颗粒质量（kg）；mw——土中水质量（kg）3）土重量（kN）：G＝Gs＋Gw

Gs——土中固体颗粒重量（kN）；Gs＝msg

Gw——土中水重量（kN）Gw＝mwg第12页，课件共60页，创作于2023年2月（二）土的固体颗粒1、颗粒级配

1）概念：d＝md/m（%）；土中各粒组相对含量百分比称为颗粒级配。2)测定：筛分法（适用粒径＞0.075mm）比重计法（适用粒径＜0.075mm）2、颗粒级配曲线1）概念：根据土粒分析试验结果，在半对数坐标纸上，以纵坐标表示小于某粒径的土粒含量百分比，横坐标表示粒径（用对数坐标），绘出的光滑曲线。第13页，课件共60页，创作于2023年2月2）作用：判定土的均匀程度3）pg4图1-1：曲线陡降，粒径大小相差不大、土粒较均匀、级配不好。孔隙多曲线平缓，粒径大小相差大、土粒不均匀、级配良好。孔隙少

第14页，课件共60页，创作于2023年2月3、土颗粒均匀程度指标——不均匀系数

1）概念Ku＝d60/d10D10——＜d土粒粒径质量累计百分比为10%时对应的粒径——有效粒径

D60——＜d土粒粒径质量累计百分比为60%时对应的粒径——限定粒径2）判定：Ku＞5时，土颗粒不均匀，级配良好Ku＜5时，土颗粒均匀，级配不好第15页，课件共60页，创作于2023年2月二、土的工程性质（一）

土的质量密度土的密度是单位体积土的质量。公式:见pg6图1-3通常砂土为：1.6～2.0×103kg/m3粘土和粉土为：1.8～2.0×103kg/m3（二）

土的重力密度（容重）由土的质量产生的单位体积的重力称为重力密度，简称为重度（单位为kN/m3）。

通常砂土为：16～20

kN/m3粘土和粉土为：18～20

kN/m3

第16页，课件共60页，创作于2023年2月（三）

土的相对密度ds（比重）土的相对密度是指土粒的密度与4℃时的纯水密度之比。计算公式：ds＝ms/(Vs·ρW1)

ρW1—4℃时纯水密度。通常土颗粒比重参考值见pg7表1-2（四）

土的含水量w——重点土的含水量是土中水的质量与固体（土粒）质量之比，由下式表示：

见pg7表示土的湿度指标之一。第17页，课件共60页，创作于2023年2月（五）

土的干密度ρd

干密度是土的固相质量ms与土的总体积V

之比，可由下式表示：

见pg7一般为1.3～1.8×103kg/m3（六）

土的干重度γd（见pg7）

γd＝msg/V=ρdg（七）

土的饱和重度γsat土的饱和密度是当土的孔隙中全部为水所充满时的密度，即全部充满孔隙的水的质量与固相质量之和与土的总体积V之比，由下式表示：γsat＝(Gs＋γwVv)/V一般为18～23kN/m3

第18页，课件共60页，创作于2023年2月（八）

土的有效重度γ/

有效重度是扣除浮力以后的固相重力与土的总体积之比（又称为浮重度），由下式表示：

式中γw为水的重度，纯水在4℃时的重度等于9.81

kN/m3，在工程上常取为10kN/m3。在计算地下水位以下土层的自重应力时应当用有效重度。第19页，课件共60页，创作于2023年2月（九）

土的孔隙比e

——重点（见pg8）土的孔隙比是孔隙的体积Vv与固相体积Vs之比，以小数计，由下式表示：

孔隙比常用来评价土的紧密程度，或从孔隙比的变化推算土的压密程度。通常e＜0.6密实，压缩性小；e＞1.0疏松，压缩性大。（十）

土的孔隙率n——重点土的孔隙率是孔隙的体积与土的总体积V

之比，即

第20页，课件共60页，创作于2023年2月（十一）

土的饱和度Sr土的饱和度Sr是指孔隙中水的体积与孔隙体积之比，常用百分数表示，即

通常Sr≤50%稍湿；50％～80％很湿；Sr＞80％饱和【例题1-1】已知土的试验指标：土颗粒的容重g=18kN/m3，rs=2.7g/cm3和w=12％，求e,Sr

和gd

。【解】设土体积等于1，则土重力G＝gV＝18kN。第21页，课件共60页，创作于2023年2月已知土粒的重力Gs

与水的重力Gw

之和等于土的重力G，即G＝Gs＋Gw

。水的重力Gw

与土的重力Gs之比等于含水量w，则Gw＝w×Gs＝0.12Gs，由此求得土粒的重力Gs＝16kN。土粒体积Vs

可由土粒的密度rs

和土粒的重力Gs

求得，其值为0.59m3，孔隙的体积Vv则为0.41m3，水的体积Vw

由水的重度

gw

和水的重力Gw

求得，其值为0.19m3。根据三相指标定义可计算孔隙比e，饱和度Sr

和干重度

gd

的数值：

第22页，课件共60页，创作于2023年2月在实际工程计算中一般是先导出相应的换算公式，然后直接用换算公式计算。第23页，课件共60页，创作于2023年2月(十二)土的密实度——重点1、非粘性土（砂土、碎石土）——松密程度判别方法：1）天然孔隙比e用天然孔隙比e来表示砂土的密实度时，可能会因颗粒形状而导致结果不正确。如：均粒密砂、e较大。不均粒的松散砂、e较小。密实度密实中密稍密松散砾石、粗砂、中砂e＜0.60.60≤e≤0.750.75＜e≤0.85e＞0.85细砂、粉砂e＜0.70.70≤e≤0.850.85＜e≤0.95e＞0.95第24页，课件共60页，创作于2023年2月2）相对密实度（见pg9）计算砂土的相对密实度：

密实度密实中密松散相对密度Dr1.0～0.670.67～0.330.33～0第25页，课件共60页，创作于2023年2月3）现场标准贯入试验锤击数利用质量为63.5kg的穿芯锤，落距为76cm，直径为42mm的触探杆自由下落，将标准贯入器打入土层中15cm。以后，记录每打入土中30cm的锤击数。即为实测锤击数N/

。当触探杆长度超过3m时，应乘以校正系数。现场标准贯入试验锤击数：N＝aN/

结论：见pg9表1—4，N≤10松散；10＜N≤15稍密；15＜N≤30中密；N＞30密实。第26页，课件共60页，创作于2023年2月2、粘性土(粉质粘土、粘土)——软硬程度

1）界限含水量粘性土四态

固态半固态塑态流态含水量

含少量吸着水含大量吸着水含薄膜水、少量自由水含大量自由水

感官

十分密实、不易分开较密实、外力作用下断裂外力作用下不断裂、只颗粒间摩擦力减力学情况

很好好较好极差（无强度）界限名称

收缩界限可塑界限液性界限简称：缩限（ws）塑限（wp）液限（wL）界限确定

人工滚搓法锥式液限仪法第27页，课件共60页，创作于2023年2月2）塑性指数Ip——粘性土分类概念：Ip＝wL－wp粘土Ip≥17；粉质粘土（亚粘土）10≤Ip

＜17；轻亚粘土3≤Ip

＜103）液性指数IL

——粘性土软硬指标液性指数IL

是表示天然含水量与界限含水量相对关系的指标，其表达式为：第28页，课件共60页，创作于2023年2月可塑状态的土的液性指数在0到l之间，液性指数越大，表示土越软；液性指数大于1的土处于流动状态；小于0的土则处于固体状态或半固体状态。粘性土状态可根据液性指数IL

分为坚硬、硬塑、可塑、软塑和流塑，见表所示。

表1-5按液性指数值确定粘性土状态

IL值IL≤0

0<IL≤0.25

0.25<IL≤0.75

0.75<IL≤1.0

1.0<IL

状态坚硬硬塑可塑软塑流塑第29页，课件共60页，创作于2023年2月【例题1-2】已知粘性土的密度rs

=2.75

g/cm3，液限为40％，塑限为22％，饱和度为0.98，孔隙比为1.15，试计算塑性指数、液性指数及确定粘性土的状态。【解】根据液限和塑限可求得塑性指数为18，土的含水量及液性指数可由下式求得IL

＞l，故此粘性土为流塑状态。

第30页，课件共60页，创作于2023年2月(十三)土的可松性

土经挖掘后，颗粒间的相互连接遭到破坏，挖掘后的回填土，其体积一般比开挖前的自然体积要增大些，这都是因为土具有可松性造成的。其大小用：最初可松性系数：K1=V2/V1V1——开挖前土的自然密实体积；

V2——开挖后土的松散体积；最后可松性系数：K2=V3/V1V3——压实后土的体积。第31页，课件共60页，创作于2023年2月K1用于计算挖方工程量的主要参数；K2用于计算填方工程量的主要参数；土的可松性系数可以参考pg16表1－11。以挖掘前的天然密实体积为准计算。土方体积折算表

虚方体积天然密实度体积夯实后体积松填体积1.000.770.670.831.301.000.871.081.501.151.001.251.200.920.801.00第32页，课件共60页，创作于2023年2月（十四）土的压实性

由于土中有孔隙，因此，土具有压实性。通过施加外力——静压力、振动力、冲击力，使土中的孔隙减少的过程，称之为压密。理论上讲：绝对密实的土，承载力大，当然，土中应不存在孔隙。事实上，这是办不到的。因此，工程上用最大干密度ρdmax来表示。第33页，课件共60页，创作于2023年2月1、最佳含水量（最优含水量）

在对土进行压密过程中，输入一定压实能量，导致土能达到最大干密度时的含水量，称为最佳含水量（或最优含水量）。思考题：为什么含水量的大小会影响土的压密性？答：（1）含水量大。土中的水分排出困难，孔隙比较高，干密度较小；（2）含水量小。土中缺乏必要的润滑，压密能量消耗大，颗粒飞散，压不实，干密度较小。当回填土中自然含水量高于最佳含水量时，应在夯实前晾晒；当回填土中自然含水量低于最佳含水量2%时，应在夯实前注水浸润。第34页，课件共60页，创作于2023年2月2、最大干密度

ρdmax在最佳含水量下，达到的最大密实度。最佳含水量和最大干密度可通过室内击实试验确定。注意：加大击实能量，最大干密度增大，最优含水量减少。无击实资料时：

ρdmax——压实填土最大干密度；η—经验系数，粘土取0.95，粉质粘土取0.96，粉土取0.97；ρw—水的密度；ds—土粒相对密度；wop—最优含水量%，按当地经验或wp＋2，粉土取14～18。

对于，非粘性土ρdmax＝2.0～2.2×103kg/m3

第35页，课件共60页，创作于2023年2月3、压实系数λcλc=ρd/ρdmaxρd

——土的控制干密度；ρdmax——压实填土最大干密度。一般要求：压实系数达到0.94～0.96以上。

第36页，课件共60页，创作于2023年2月(十五)土的力学状况1、土的压缩性地基土在压力作用下体积减少的性质。

1）土的压缩量

Δh

Δh＝h·(e1－e2)/(1＋e1)式中：Δh——土的压缩量；

h——土压缩前的厚度；

e1——土压缩前的孔隙比；e2——土压缩后的孔隙比。第37页，课件共60页，创作于2023年2月2）压缩系数

α用来评价地基土压缩性高低的指标α=Δe/Δp=(e1－e2)/(p2－p1)(MPa-1)用土的孔隙比与压力曲线，e－p曲线求得。工程上：p1＝0.1MPa；p2＝0.2MPa当：α1-2＜0.1MPa-1时，属低压缩性土0.1MPa-1≤α1-2＜0.5MPa-1时，属中压缩性土α1-2≥0.5MPa-1时，属高压缩性土第38页，课件共60页，创作于2023年2月3）压缩模量

Es也可用来评价地基土压缩性的高低土在完全侧限条件下：Es=σz/εzσz——竖向附加应力σz＝p2－p1εz——竖向应变εz=(e1－e2)/(1＋e1)Es=(1＋e1)/α压缩模量Es值越小，压缩性越高工程上当：Es1-2＜4MPa时，属高压缩性土4MPa≤Es1-2＜15MPa时，属中压缩性土15MPa≤Es1-2＜40MPa时，属低压缩性土第39页，课件共60页，创作于2023年2月2、土中应力及其分布——重点1）土的自重应力

σ

当没有侧向变形和剪切变形时，由于土体本身的质量引起的土中应力，称为自重应力。

（kPa）式中：n

——土层数；γi——第i土层的土重度；

hi——第i土层的土厚度；第40页，课件共60页，创作于2023年2月2）附加应力

p构筑物等荷载作用于土层或地基，导致土层或地基土产生应力，这种荷载被称作附加荷载，这种应力称为附加应力。其分布和大小定性的讲：某一深度的附加应力为，距荷载作用点越远，其值越小。荷载作用点下，不同深度的附加应力为，其值随深度的增加而减少。荷载作用点外，最大值出现在荷载影响线处，随深度的增加或减少，其值减少。第41页，课件共60页，创作于2023年2月3、土的抗剪强度土抵抗剪切破坏的能力。1）剪切试验2）土的抗剪切强度（库仑定律）

根据抗剪曲线图（绘出）可得：砂土类土抗剪强度：τf=σtanφ（kPa）粘土类土抗剪强度：τf=σtanφ＋c（kPa）式中：σtanφ——土的内摩擦力（kPa）；来源于：颗粒间的摩擦阻力和咬合力；σ——土的法向应力（kPa）；φ——土的内摩擦角（度）；tanφ——土的内摩擦系数；c——粘性土的粘聚力（kPa）来源于：颗粒间天然胶结物的胶结作用和电分子引力。第42页，课件共60页，创作于2023年2月要点（1）土的抗剪强度，随剪切面上的正应力（N）大小而变化；摩擦系数和内摩擦角不变化；（2）砂性土的抗剪强度，由土的内摩擦力组成；粘性土的抗剪强度，由土的内摩擦力＋粘聚力组成；（3）粘性土的颗粒越细，塑性越大，粘聚力也越大。第43页，课件共60页，创作于2023年2月4、土的边坡和边坡率n

我们研究土的抗剪强度的目的是：确定地基承载力、评价土的稳定性。如何评价土的稳定性？1）自然倾角（安息角）以干砂自由下落，自然堆放成，这就是稳定性问题，由颗粒间的摩擦力形成的，称α为安息角。完全松散的砂土：α≈φ

第44页，课件共60页，创作于2023年2月2）边坡在土方开挖时，为了保持土壁的稳定性，人为地近似形成土的“安息角”，必须要挖成一定的斜坡，这个斜坡叫做边坡。用1：n表示。3）边坡率

n表示边坡的陡缓用1：n；而n＝a/h称为边坡率。第45页，课件共60页，创作于2023年2月4）边坡选择原则：根据土的性质（φ、c），含水量、附加荷载情况、晾槽时间等确定。①砂土的边坡缓，n值大；粘性土的边坡陡，n值小。②含水量较大的土，应留有较缓的边坡，n值大。③槽上有附加荷载（堆土、其他荷载），应留有较缓的边坡，n值大或加支撑。④临时性土方工程，可留较陡的边坡，n值小。⑤沟槽越深，边坡应缓，n值大。特别是沟槽上部。⑥晾槽时间过久会引起槽壁坍塌，边坡应缓，n值大。⑦雨季进行土方开挖，应留有较缓的边坡，n值大或加支撑第46页，课件共60页，创作于2023年2月（a）（b）（c）（d）图1－2土方边坡（a）直线边坡；（b）不同土层折线边坡；（c）不同深度折线边坡；（d）阶梯边坡（c）第47页，课件共60页，创作于2023年2月（十六）土的渗透性表示土的透水的性质、渗水能力。其大小取决于土的结构、颗粒大小形状、粒径级配状况、土的密实程度、土的温度等，还与胶质颗粒的含量、水中电解质含量有关。其值用渗透系数K表示。渗水量：Q＝KI·ω式中：Q——单位时间内流过的水量；I——水力梯度；ω——土垂直于渗流方向的断面积；渗流速度：v＝K·I。一般，K有实测求得。粘土类：K＜1（m/d）；砂土类：K＝1～100（m/d）；碎石类：K＞100（m/d）。第48页，课件共60页，创作于2023年2月二、地基土的分类——简述（一）按《建筑地基基础设计规范》分类*岩石

按其坚固性分：硬质岩石（花岗岩、石英岩、石灰岩等）抗压强度≥30MPa；

软质岩石（页岩、粘土岩、云母片岩等）抗压强度＜30MPa；按风化程度分：微风化（岩质新鲜，稍有风化迹象）

中等风化（岩体分为块状，镐难挖掘）强风化（岩体分为碎石状，镐可挖掘）第49页，课件共60页，创作于2023年2月*碎石土按粒径级配分：漂石、块石；卵石、碎石；园砾、角砾。见表1—6，pg10按密实度分：密实、中密、稍密、松散。见表1—4，pg9*砂土按粒径级配分：砾砂、粗砂、中砂、细砂、粉砂。见表1—7，pg11按密实度分：密实、中密、稍密、松散。见表1—4，pg9第50页，课件共60页，创作于2023年2月*粘土按塑性指数Ip分：粉土Ip≤10；粉质粘土10＜Ip≤17；粘土Ip＞17。按密实度分：密实、中密、稍密、松散。按液性指数IL分坚硬IL≤0硬塑0＜IL≤0.25可塑0.25＜IL≤0.