土方工程

建筑工程施工方案验算技能培训同济大学土木工程学院第二章土方工程概述：建筑场地选定之后，需要对建筑场地进行平整，这就涉及到土方的填挖问题——场地平整。在对场地进行平整的过程中涉及到施工降水、土坡稳定、土方直立壁开挖高度以及挖土机械和运土汽车协同工作等问题。在施工时需要综合考虑各种问题。以使土方工程顺利进行。土方工程施工降水1土方直立壁开挖高度计算3计算内容土坡稳定计算2基槽开挖时，常常有可能遇到水的侵袭，使施工条件恶化。为了消除施工中可能遇到的水侵袭，当基底标高处于地下水位以下时，则必须采取人工降水措施，降水的方法主要有集水井降水法和井点降水法。(2)集水井降水法当采用集水井降水法时，应根据现场土质条件保持开挖边坡的稳定。当边坡坡面上有地下水位渗出时，应在渗水处设置过滤层，防止土粒流失，并应设置排水沟，将水引出坡面，以免水流冲刷土坡面而造成塌方。施工时，沿槽（坑）四周挖排水沟，并设置集水井（一般集水井每隔20~40m设置），集水井的直径一般为0.6~0.8m，低于工作面0.7~1m,当挖到设计标高后坑底应低于基底1~2m,并铺设碎石层，以免在抽水时将泥沙抽出，造成基底土壤结构破坏。(1)概述1施工降水(3)井点降水法井点降水法有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点和深井井点降水。其中轻型井点应用较为广泛。1）轻型井点设备轻型井点系统主要由滤管、井点管、弯联管、集水总管和抽水设备组成。2）轻型井点布置轻型井点的布置，应根据基坑大小与深度、土质、地下水位高低与流向、降水深度等要求而定。井点的布置主要包括：平面布置，高层布置。井点的平面布置见表2-1.轻型井点的使用高度一般不超过6m。井点管的埋置深度H按下式计算。式中：H1——井点管埋设面至基坑底面的距离（m)。1HHhil地质条件平面布置形状备注基坑宽度小于6m，降水深度不超过6m单排线状井点布置在水的上游一侧，梁端延伸长度不小于槽宽为宜。宽度大于6m,土质不良双排线状井点——基坑面积较大环形井点——表2-1基坑的平面布置形状h——基坑底面至降低后的地下水位线的最小距离，一般取0.5~1.0m;i——水力坡度，根据实测：双排和环状井点为1/10，单排井点为1/4~1/5;L——井点管至基坑中心的水平距离，单排井点为至基坑另一边的距离（m).3）轻型井点的种类井点系统是以水井理论进行计算的。根据地下水有无压力，水井分为无压井和承压井（见图1.11）；水井布置在含水土层中，当地下水表面为自由水时，称为无压井，当含水层处于二不透水层之间，地下水表面有一定水压时称为承压井。图1-12完整井水位降落曲线1——不透水层；2——透水层；3——水井；4——原地下水位线；5——水位降落曲线；6——距井轴x处的过水断面；7——压力水位线水井类型不同，其涌水量的计算公式亦不相同，而无压完整井的计算最为完善。完整井抽水时水位降落曲线如图1-12。经过一定时间的抽水之后，其水位降落曲线趋于稳定，呈漏斗状曲面，水井轴线距漏斗边缘的水平距离，称之为抽水半径R。4）轻型井点的计算轻型井点的计算目的，是求出规定的水位降低深度时，每昼夜抽取的地下水流量，即涌水量；确定井管数量和间距，并选择设备。轻型井点的计算主要包括：平面高程布置，涌水量的计算、单根井管的最大出水量和井点管的最大间距。5）轻型井点的计算步骤准备工作渗透系数K的确定设一个观测孔时：设两个观测孔时：式中,K——渗透系数（m/d);Q——抽水量（m3/d);r——抽水井半径（m);r1,r2——观测孔1、观测孔2至抽水井的距离（m);h——由抽水井底标高算起完全井的动水位（m);h1,h2——观测孔1、观测孔2的水位（m);1122111lglglglg0.730.732rrrrKQQhhHssss212122212112lglglglg0.730.732rrrrKQQhhHsssss——抽水井的水位降低值（m);s1,s——观测孔1、观测孔2水位降低值；H——含水层厚度（m).a进行高程布置根据题目条件选定井管的长度h井点高程布置计算图≥式中h――井点管埋深，m；h1――总管埋设面至基底的距离，m；Δh――基底至降低后的地下水位线的距离，m；i――水力坡度。对单排布置的井点，i取1/4~1/5；对双排布置的井点，i取1/7；对U形或环形布置的井点，i取1/10。L――井点管至水井中心的水平距离，当井点管为单排布置时，L为井点管至对边坡角的水平距离，m。要点：必须要保证Δh大于0b涌水量计算群井的涌水量Q（m3/d）计算公式或式中R’――群井降水影响半径，R’=R+x0，mx0――由井点管围成的大圆井的半径，mS――井点管处水位降落值，m在实际工程中往往会遇到无压非完整井的井点系统，这时地下水不仅从井的面流入，还从井底渗入。因此涌水量要比完整井大。此时，式中H换成有效含水深度H0，有效含水深度H0的意义是，抽水是在H0范围内受到抽水影响，而假定在H0以下的水不受抽水影响，因而也可将H0视为抽水影响深度。无压非完整井计算简图无压非完整井的涌水量对于单井有：或对于群井有：或式中H0——有效含水层厚度，mH0可查下表。当计算得到的H0大于实际含水层的厚度H时，取H0=H。含水层有效厚度H0S/（S+l）0.20.30.50.8H01.3(S+l)1.5(S+l)1.7(S+l)1.84(S+l)注：S/（S+l）的中间值可采用插入法求H0。上表中，S为井点管中的水位降落值；l为滤管长度，m应用上述公式时，先要确定x0，R，K由于基坑大多不是圆形，因而不能直接得到x0。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，此时将近似圆的半径作为矩形水井的假想半径：式中x0――环形井点系统的假想半径，mF――环形井点所包围的面积，m2抽水影响半径，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。在抽水2~5d后，水位降落漏斗基本稳定，此时抽水影响半径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值对计算结果影响较大。K值的确定可用现场抽水试验或实验室测定。对重大工程，宜采用现场抽水试验以获得较准确的值c计算井点管数量涌水量计算后，可根据涌水量布置井点数量，井点管最少数量由下式确定（根）式中，q为单根井管的最大出水量，由下式确定：(m3/d)式中d、l――分别为滤管的直径及长度，m根据布置的井点总管长度及井点管数量，井点管间距便容易求得。实际采用的井点管间距D应当与总管上接头尺寸相适应。即尽可能采用0.8m，1.2m，1.6m或2.0m,实际采用的井点数一般应当增加10%左右，以防井点管堵塞等影响抽水效果。补充：水位降低数值校核井点管数与间距确定后，可按下式校核所采用的布置方式是否能将地下水位降低到规定的标高，即h是否小于规定的数值：式中，h——滤管外壁处或坑底处任意点的动水位高度（m），对完整井算至井底，对不完整井算至有效深度；x1,x2,…xn——所核算的滤管外壁或坑底任意点至各井点管的水平距离（m）。抽水设备的确定一般按涌水量、渗透系数、井点管数量与间距、降水深度及需用水泵功率等综合数据来选水泵型号（包括流量、扬程、吸程等）。21231lglg...1.364nQhHRxxxxKn施工降水1土方直立壁开挖高度计算3计算内容土坡稳定计算2概述土坡失稳不仅影响工程顺利进行，有时还会造成人身和工程事故，因此研究和分析计算土坡稳定是地基工程中的常遇课题，也是施工中的重要问题，土坡稳定的计算主要包括以下主要内容：无粘性土边坡稳定计算粘性土边坡稳定计算土坡稳定的圆弧法计算挖方安全边坡计算由粗粒土所堆筑的土坡称无粘性土坡，无粘性土坡的稳定分析比较简单。如图2-6所示，一坡角为β的无粘性均质土坡，坡高为H，土颗粒之间没有粘聚力（c=0），设斜坡上有一土颗粒M、重力为G，土的内摩擦角为φ，则土颗粒的下滑力，土的抗sindGH（1）无粘性土边坡稳定计算2土坡稳定计算GVMH0Hd图2-6无粘性图坡稳定性计算简图5.1~1.1tantansintancosd0sGGHHK＝滑动力抗滑力1）当坡角β=φ时，Ks=1，此时的抗滑力等于滑动力，土坡处于极限平衡状态（土坡稳定的极限坡角等于砂土的内摩擦角时，坡角β通称为自然休止角或天然坡度角）；2）当Ks1（即βφ时），土坡处于稳定状态，而且与坡高H无关；3）当Ks1（即βφ时），土坡处于不稳定状态。（2-7）滑力。设无粘性土坡的稳定系数（抗滑力和滑动力的比值）为Ks，Ks值应符合下式要求：tancos0GH（2）粘性土边坡稳定计算为简化计算工作量，曾有不少学者根据他们所掌握的大量计算资料，整理出坡高H、坡角β、与土的抗剪强度指标c、φ和容重γ等参数之间的关系，并绘成图供直接查用。其中较为简便实用的如图2-7所示的前苏联学者洛巴索夫的土坡稳定计算图。图2-7计算简单土坡稳定用图表对于均质的简单土坡，高度在10m以内时可以直接查用。对于更高的土坡，也有参考价值，图中N称为稳定数，其中c为粘聚力以kPa计，γ为土的容重，以kN/m3计，H为土坡的高度，以m计。利用这张图表，可以很快地解决下列两个主要的土坡稳定问题。HcN（2-8）1）已知坡角β、土的内摩擦角φ、粘聚力c以及容重，求土坡的许可高度H。2）已知土的性质指标c、φ、γ以及坡高H，求许可的坡角β。（见Word文档例题）（3）土坡稳定的圆弧法计算用圆弧法（又称条分法，下同）分析土坡稳定，是基于对失稳土坡现场观测得知土坡失稳时的滑动曲面呈圆弧形，本法适用于各向同性的均质粘性土坡，也可用于分层土坡。（2-9）（4）挖方安全边坡计算如图2-10，假定边坡滑动面通过坡脚一平面，滑动面上部土体为ABC，其重力为:由于：当土体处于极限平衡状态时，挖方边坡的允许最大高度可按下式计算:sinsin)sin(22hG)2(sincossin22ch（2-11）式中——土的重度（kN/m3）；——边坡的坡度角（o）；——土的内摩擦角（o）；c——土粘聚力（kN/m2）sincostanGGcl（2-10）图2-10挖方边坡计算简图1一滑动面由上式，如知土的φ值，假定开挖边坡的坡度角值，即可求得挖方边坡的允许最大高度h值。（见Word文档例题）施工降水1土方直立壁开挖高度计算3计算内容土坡稳定计算2概述土方开挖时，当土质均匀，且地下水位低于基坑（槽、沟）底面标高时，挖方边坡可以做成直立壁不加支撑。（1）对粘性土垂直壁允许最大高度hmax计算可以按以下步骤计算（图2-11）：令作用在坑壁上土压力Ea=0，即解之得：取安全系数为K（一般用1.25），则02245tan2)245(tan2222chchEa)245tan(2ch)245tan(2maxKch3土方直立壁开挖高度计算当坑顶护道上有均布荷载q（kN/m2）作用时，则qKch)245tan(2maxhEa图2-11直立壁开挖高度计算简图式中——坑壁土的重度（kN/m3）；——坑壁土的内摩擦角（o）c——坑壁土的粘聚力（kN/m2）；h——基坑开挖高度（m）。（2）基坑开挖最小深度的验算基坑开挖后，应进行验槽，除了检验基坑尺寸、标高、土质是否符合设计要求外，应检验或核算基坑开挖的深度能否满足承载力要求，下面简介一种简单验算方法。如图2-12所示，假定基础底AB上，因上部结构物重量，受到单位压力pl作用，在基底四周的土层，应有一个侧压力p2来支持，按朗肯理论，两者的关系为:图2-12基础坑的最小深度)245(tan0212pp式中——土壤的内摩擦角压力p3等于基地以上土重，其深度为D，设土壤单位重度则：所以无粘性土的最小开挖深度为：Dp3)245(tan0223pp)245(tan041KpD上式为无粘