土的工程性质、土方量计算、降低地下水位

'第一章土方工程 第一节概述一、土方工程的分类、特点1、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（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。 3、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。 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 三、土的工程性质1、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/V11.08~1.5最后可松性系数KS’=V3/V11.01~1.3V1——土在自然状态下的体积。V2——土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：开挖、运输、存放，挖土回填，留回填松土 2、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：水力坡度（I=Δh/L）为1时，单位时间内水穿透土体的速度（V=KI）LΔhK的单位：m/d。粘土<0.1，粗砂50~75，卵石100~200用途：降低水位方法，回填。 3、土的密度：天然密度：一般=16~20KN/m3干密度d：是检测填土密实程度的指标。（105℃，烘干3~4h）d=Ms/V4、土的含水量：天然含水量W=（M-Ms）/Ms——边坡稳定最佳含水量——可使填土获得最大密实度的含水量（手握经验确定）。 第二节土方量计算与调配一、基坑、基槽、路堤土方量计算1、基坑土方量：按拟柱体法——V=(F下+4F中+F上)H/6F下F上F中H HI－IFi2、基槽（路堤）土方量：沿长度方向分段计算Vi，再V=Vi断面尺寸不变的槽段：Vi=Fi×Li断面尺寸变化的槽段：Vi=(Fi1+4Fi0+Fi2)Li/6槽段长Li：外墙——槽底中～中，内墙——槽底净长IIL2L1L5 二、场地平整土方量方格网法、累高法＋平均断面法（一）确定场地设计标高考虑的因素：(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。场地设计标高一般在设计文件上规定，如无规定：(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） 1、初步标高（按挖填平衡）方法：将场地划分为每格边长10～40m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：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：H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4NH1－－一个方格所仅有角点的标高；H2、H3、H4－－分别为两个、三个、四个方格共用角点的标高。 2、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：LyLxixiyH0(2)双向排水时，各方格角点设计标高为：LH11H0H0iH12H21Hn=H0L•iHn=H0LxixLyiy(1)单向排水时，各方格角点设计标高为:Hn 【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：（1）初步设计标高（场地平均标高）H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/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）]/（4×9）=70.29（m）70.09 70.09（2）按泄水坡度调整设计标高：Hn=H0LxixLyiy；H1=70.29－30×2‰+30×3‰=70.3270.3270.3670.4070.4470.2670.3070.3470.3870.2070.2470.2870.3270.1470.1870.2270.26H0＝70.29H2=70.29－10×2‰+30×3‰=70.36H3=70.29+10×2‰+30×3‰=70.40其它见图 70.3270.3670.4070.4470.2670.3070.3470.3870.2070.2470.2870.3270.1470.1870.2270.2670.09（二）场地土方量计算1、计算各方格角点的施工高度hn：hn=Hn－Hn’即：hn=该角点的设计标高—自然地面标高（m）h1=70.32－70.09=＋0.23（m）；正值为填方高度。+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+0.02-0.44h2=70.36－70.40=－0.04（m）；负值为挖方高度 70.3270.3670.4070.4470.2670.3070.3470.3870.2070.2470.2870.3270.1470.1870.2270.26+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+0.02-0.4470.092、确定零线（挖填分界线）插入法、比例法找零点零点连线h100 3、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1）全挖、全填格：V挖（填）=a2(h1+h2+h3+h4)/4h1~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：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（略）（3）三角棱柱体法（略）均见教材 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。 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、要求：总运输量最小；土方施工成本最低。2、步骤：（1）找出零线，画出挖方区、填方区；（2）划分调配区 B1A1A2A3A4B2B30000（3）找各挖、填方区间的平均运距（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A15070100500A2704090500A36011070500A48010040400填方量8006005001900划分调配区示例：（4）列挖、填方平衡及运距表 （5）调配方法：最小元素法－－就近调配。顺序：先从运距小的开始，使其土方量最大。n列填方量填挖B1B2B3挖方量A15070100500A2704090500A36011070500A480100404008006005001900m行400500500300100100结果：所得运输量较小，但不一定是最优方案。（总运输量97000m3-m) 3、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（如上）（2）判别是否最优方案(矩形法判别)表格内有土方量的运距留下,其余删除.运用对角线相加相等的原则,求其余空格数值.挖填A1A2A3A4B1B2B350-10406011070401006003080－+++++表格中出现负值,故该方案不是最优方案,应对初始方案进行调整。 （3）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都加这个土方量，以保持挖填平衡。填方量填挖B1B2B3挖方量A1500A2500A3500A44008006005001900400500500300100100X12(100)(0)(400)(400) （2）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。挖填A1A2A3A440表格内有土方量的运距留下,其余删除.运用对角线相加相等的原则,求其余空格数值.B1B2B350204060707060303050+++++80+ 故最优方案为：填方量填挖B1B2B3挖方量A15070100500A2704090500A36011070500A480100404008006005001900400500400400100100 （5）求出最优方案的总运输量：400×50＋100×70＋500×40＋400×60＋100×70＋400×40＝94000m3-m。（4）绘出调配图：（包括调运的流向、数量、运距）。A1A2A3A4B1B2B3m3m 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。 第三节土方开挖的辅助工作一、降低地下水位（一）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。 2～5％排水沟集水井水泵（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 要求：（1）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：沿基坑底边角设置，间距20～40m，直径0.6~0.8m，井底低于坑底1~2m。长期用，有护壁和碎石压底。（3）水泵：离心泵、潜水泵、污水泵…… （一）普通明沟排水法（二）分层明沟排水法 流砂现象1．动水压力――地下水在渗流过程中受到土颗粒的阻力，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。GD＝Iγw=(Δh/L)γw2．流砂原因当动水压力大于或等于土的浸水重度（GD≥γ’）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。QFGD 3．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）。 2．井点降水法（1）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渗透系数降水深度最大井距主要原理单级轻型井点0.1~20m/d3～6m1.6~2m地上真空泵或喷射嘴真空吸水多级轻型井点6～20喷射井点0.1~208～202～3m地下喷射嘴真空吸水电渗井点<0.15～6极距1m钢筋阳极加速渗流管井井点20~2003～520~50单井真空泵、离心泵深管井点10~25025～5030~50单井潜水泵排水 轻型井点降水全貌图 二级轻型井点降水 喷射井点 井点管电极<60V的直流电源电渗井点示意图电渗井点是井点管作阴极，在其内侧相应地插入钢筋或钢管做阳极，通入直流电后，在电场的作用下，使土中的水流加速向阴极渗透，流向井点管。这种方法耗电多，只在特殊情况下使用。 管井井点构造 钢管深管井井点井孔粘土封口φ50出水管电缆砾石滤水层φ375钢井管潜水电泵滤水管滤网导向段开孔底板中粗砂φ75总管钢板井盖φ50出水管无砂混凝土管深管井井点井孔潜水电泵砾石滤水层沉砂管无砂混凝土滤水管沉砂管粘土封口 （三）轻型井点降水1．降水原理2．井点设备井管：φ38、φ51，长5～7m（常用6m），无缝钢管，丝扣连滤管；滤管：φ38、φ51，长1～1.7m，开孔φ12,开孔率20～25％，包滤网；总管：内φ75～100无缝钢管，每节4m，每隔0.8、1或1.2m有一短接口；连接管：使用透明塑料管、胶管或钢管，宜有阀门；抽水设备：真空泵（教材）――真空度高，体形大、耗能多、构造复杂射流泵（常用）――简单、轻小、节能隔膜泵（少用） 真空泵井点设备工作原理图 (b)射流器构造射流泵井点设备工作原理图(a)工作简图 滤管构造 3．井点布置（1）平面布置单排：在沟槽上游一侧布置，每侧超出沟槽≮B。用于沟槽宽度B≤6m，降水深度≤5m。双排：在沟槽两侧布置，每侧超出沟槽≮B。用于沟槽宽度B>6m，或土质不良。环状：在坑槽四周布置。用于面积较大的基坑。 单排井点平面及高程布置环状井点平面及高程布置 （2）高程布置（图）井管埋深：H埋≥H1＋h＋iL。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0.5～1m）；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。 4．计算涌水量Q：（环状井点系统）（1）判断井型（图）按照滤管与不透水层的关系：完整井――到不透水层非完整井――未到不透水层.按照是否承压水层：承压井无压井 水井的分类 （2）无压完整井群井井点计算（积分解）Q＝1.366K(2H－S)S/(lgR－lgX0)（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/B≯5时，X0=(F/π)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。 （3）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：1、当H0值超过H时，取H0＝H；2、计算R时，也应以H0代入。 （4）承压完整井Q＝2.73KMS/(lgR－lgX0)（m3/d)M――承压含水层厚度（m）承压水位不透水层含水层不透水层hsHMR （5）承压非完整井Q＝2.73KMS/(lgR－lgX0)r-井点管半径 5．确定井管的数量与间距（1）单井出水量：q＝65πdl3K1/2（m3/d）d、l――滤管直径、长度（m）；（2）最少井点数：n’＝1.1Q/q（根）1.1－－备用系数。（3）最大井距：D’＝L总管/n’（m）；（4）确定井距：取井距D（5）确定井点数：n＝L总管/D≤D’≥15d符合总管的接头间距。 例：已知某地下室基坑开挖的坑底平面尺寸为30.5m×20.5m，坑底深4.0m，挖土边坡为1∶0.5；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。 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 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=5.3M(短边方向满足即可)井点管长6m，滤管长1m，井点管露出总管敷设面0.2m，埋入土中5.8m。即实际埋入深度H=5.8m>5.3m，符合埋深要求。基坑中心的实际降水深度为4.0m>3.5m。滤管底部距不透水层的距离=10-（7+0.3）=2.7m。 2、基坑涌水量计算：基坑的长宽比小于5，可按无压非完整井环状井点系统计算涌水量，即Q=1.366K(2H-s)s/(lgR-lgx0)由S/=6.0+0.3-1.0=5.3M,S//(S/+1)=5.3/(5.3+1)=0.84,查表得H0=1.85*（S/+1）=11.66M>9.0m(含水层厚度)，故取H0=9.0M抽水影响半径R==(m) 环状井点系统假想半径(m)故 q=（m3/d)3.计算井点管数量和井点管距离井点管数量n=1.1Q/q=1.1*1570/25.18=69封闭的环形总管的总长度为124m，考虑施工机械进出基坑方便，可在基坑地下水下游一侧不封闭。留出6m宽的通道，可取总管总长度为118m，则D=L/n=118/69=1.71m确定井点管数量为69根、井点管间距为1.7m。 6．井点管的埋设与使用（1）埋设方法：水冲法：水枪、井管自身（高压水）钻孔法：正循环钻、反循环钻、冲击钻振动水冲法：（2）使用要求：开挖前2～5天开泵降水；连续抽水不间断（水量先大后小，先混后清），防止堵塞。 3）注意问题：1)真空度0.6~0.7大气压2)死管：检查、变活3)设观测井检查水位下降情况4）拔除井管：基坑回填后；卷扬机、支架；51×6.5m上拔力1.2~1.8t'