土石方工程與地基處理課件

給水排水工程施工技術與管理

目的：調(diào)整、充實、完善學生知識結構，提高實踐能力。建立設計-----管理的整體概念內(nèi)

●土石方與地基處理知識

●給排水工程施工技術；

●施工組織計劃；

●工程項目施工管理；

●工程招標投標。方

法：了解（工藝

、材料和方法，工程施工管理，工程招投標）；掌握（施工技術、

原理、

概念

施工.組織、計劃

）；熟悉（工藝方法的基本理論）。成績：2.5學分，考試+平時第一章土石方工程與地基處理

第一節(jié)

土的工程性質及分類一、土的組成1、組成：

宏觀—顆粒+水+空氣三相體系（圖）微觀—礦物質（石英長石云母鹽類蒙脫石伊里石高嶺石）+有機質+水（結合水,自由水）+空氣●結合水—由分子引力吸附于土粒表面的水,無溶解能力.

●自由水—存在于土粒表面電場以外的水,有溶解能力,傳遞壓力.2、粒組與級配

土的顆粒不同，性質就不同。1）粒組：把大小相近的土粒人為合為一組稱粒組。工程上的六大粒組：塊石.碎石.角礫.砂粒、粉粒.粘粒。(見表1--1）土的組成

2）級配

：大小顆粒的百分比分布情況稱級配。級配由粒徑分布曲線表示

。（圖）由圖可以看出：Ku越大.級配曲線越平緩，d60－

d10的間距越大.粒徑分布帶越寬，粒徑分布越不均勻，級配越好。反之亦然。從理論上講，Ku可作為工程填土墊層用土的判別依據(jù)。Ku<5土粒較均勻，級配不好，密實度較低。因此，工程中盡量采用ku>5的土作填土。二、土的三相比例指標三相–固體顆粒,水,空氣（圖）Ms–

土粒的質量

Vs—土粒的體積Mw–土中水的質量

Vw—土中水的體積Ma–土中氣

的質量

Va–土中氣

的體積M–土的質量

V–土的體積土的

軟、硬、松、密、干、濕、輕、重，均可用三相比例關系表示。

圖

土的三相比例示意圖1、實測指標（1）

土的密度和干密度

密度--天然狀態(tài)下單位體積土的質量ρ=m/v(t/m3)砂土ρ=1.6---2.0T/m3粘土ρ=1.8---2.0T/m3干密度--干燥(1050c恒溫2小時)土粒的單位體積質量。ρd=mS/v，一般情況ρd=1.3--1.8T/m3工程中，常以土的干密度來評價土的密度，控制回填土的密實程度。（2）土顆粒的相對密度(比重）dS=mS/vS·1/ρw1土顆粒比重反映土的礦物成分和有機質含量情況。砂土dS=2.65--2.69粉土dS=2.70--2.71粘性土dS=2.72--2.74(3)土的含水量

在天然狀態(tài)下，土中水的質量與土顆粒質量之比：w=mw/mS×

100%或w=mw.g/mS.g×100%土的含水量對土的影響：粉土，粘性土

大

細砂，粉砂

小碎石土

無2、導出指標⑴

重力密度：單位體積土受到的重力：r=ρ.g(KN/m3)濕砂土r=16---20KN/m3

濕粘土r=18---20KN/m3干土r=13---18KN/m3

⑵土的孔隙比和孔隙率●孔隙比e=

V

v/VSe是表示土的密實度的重要指標：e＜0.6密實良好的天然地基；e＞1.0松散

不宜作天然地基●孔隙率n=V

v/V（100%）e（n）均可表示土的松密程度，e(n)越大，土越松散；n多用于未動土的孔隙分析

，e多用于填土壓實情況。⑶土的飽和度：Sr=Vw/V

v稍濕很濕飽和三、無粘性土（砂土，碎石土）的密實度1特征：由礫石，砂礫沉積而成，單粒結構（右圖），顆粒粗，少結合水，無粘接力。(3)標準貫入試驗適應現(xiàn)場測試?！督ㄖ鼗A設計規(guī)范》（GBJ7-89）要求采用標準貫入試驗。（N63.5法）方法：63.5kg重錘，自由落距76cm，先把貫入器打入土中15cm，然后根據(jù)打入30cm所需錘數(shù)N（表1-4）來判斷密實度。砂土(四級)，N≤10松散，10<N<15稍密，15≤N<30中密，30<N密實(4)靜力觸探觸探頭壓入土中，阻力應變儀測出探頭受到的阻力，土越密實，探頭所受阻力越大，儀器可把阻力換算成密實度或承載力2、界限含水量--液限、塑限和縮限①界限含水量--粘性土由一種狀態(tài)轉到另一種狀態(tài)的的分界含水量(%)②液限WL--土由可塑狀態(tài)轉到流動態(tài)的界限含水量判別：液限儀測定（詳《土工試驗方法標準〉(GB123-88)

粘土狀態(tài)與含水量關系研究Ip的意義：由于Ip反映土的粘粒含量和礦物成分?！唇ㄖ鼗A設計規(guī)范〉（GBJ7-89）用Ip作為粘性土的分類標準：Ip>17粘土10≤Ip≤17粉質粘土地基基礎設計和施工需要分清粘土和粉質粘土②液性指數(shù)IL==

研究IL的意義：以IL作為判別粘性土軟硬狀態(tài)的指標。根據(jù)IL的大小，粘性土分成五種狀態(tài)：堅硬、硬塑、可塑、軟塑、流塑。承載力依次降低?；A設計和地基處理方法的確定都要考慮液性指數(shù).

五、土的工程分類：巖土的種類很多《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GBJ7-89）把土分為五大類：（一）碎石土（碎石土≠含碎石的土）：d>2mm的顆粒含量超過總重50%的土（表1-6）（二）砂土

d>2mm不超過50%，d>0.075mm超過50%按顆粒級配分

礫砂

粗砂

中砂

細砂

粉沙

（表1-7）五種（三）粉土

IP≤10d>0.075mm的顆粒不超過50%，粒徑介于砂土與粘土之間。（四）粘性土

IP>10按IP細分

粉質粘土：10<IP≤17粘土：IP>17（五）人工填土素填土、雜填土、沖填土（表1-9）強調(diào)1、粗粒徑土按級配分類，細粒土按塑性指數(shù)分類；2、建筑地基基礎設計規(guī)范對土的工程分類有明顯界限；3、土石方施工中對土的分類不同于工程設計對土的分類：土石方按土的開挖難易程度分為8類16級。工程定額單價不同。一類土（松軟土）能用鍬挖掘

放坡系數(shù)0.3砂、沖積砂土，輕亞粘土，種植土二類土（普通土）

能用鍬鎬挖掘

放坡系數(shù)0.3亞粘土、潮濕黃土、碎石砂土三類土（堅土）

能用鎬挖掘

放坡系數(shù)0.2密實粘土、粗礫石、碎石黃土四類土（沙礫堅土）要用撬、錘方式

，不放坡

含風化碎石、卵石、重粘土、密實黃土五類土（軟石）

撬、

錘

不放坡

風化石、灰?guī)r六類土

巖石

爆破

錘

風化花崗巖、片巖、砂巖七類土（堅巖）

爆破

錘

大理石、石灰?guī)r八類土（特堅石）

爆破

錘

花崗巖、石英巖六、土的力學性質1、壓縮性：土在壓力作用下體積減小的特性稱為壓縮性。①土體縮小的三個原因：●

土中水、氣排走●

土顆粒被壓縮●

封閉在土中的水，氣被壓縮。

實踐證明：一般情況，土受到的壓力常在100-600kpa之間，這時土顆粒及水的壓縮變形量不到全部土體壓縮變形量的1/400，可忽略不計。所以土壓縮變形主要原因是由于空隙減小和排出水的緣故。是土的一個力學屬性。②了解土的壓縮性的目的●

地基變形量控制

地基在荷載作用下會發(fā)生變形，建(構)筑物基礎隨之沉降，《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GBJ7-89）對建筑物的地基變形容許值有嚴格規(guī)定.地基變形對管道接頭會有影響.?！?/p>

認識地基變形時、量關系地基的變形過程就是土的壓縮變形過程，土的壓縮變形快慢與排氣排水速度有關，他們?nèi)Q于土的滲透性和排水氣條件。在有好的排水氣條件下，砂土隨著施工加荷的終結，變形也基本完成：對含水量大的粘土，施工完畢時僅完成總變形量的5%—20%。完成最終變形量要5-10年，甚至幾十年。在相同壓力條件下不同土的壓縮變形量差別很大，可通過壓縮試驗確定。壓縮系數(shù)的求取方法---壓縮試驗用金屬環(huán)刀

切取原狀土樣，將土樣連同環(huán)刀一起放入壓縮儀內(nèi)：

按P=50,100,200,300,400KPa分組加壓至變形穩(wěn)定：分別測出變形穩(wěn)定后的“e”，得p--e曲線取p--e曲線中的一段，視為直線，其斜率a即為壓縮系數(shù)。它是評價地基壓縮性的重要指標，單位是MPa-1。在工程中，通常以p1=100KPa和p2=200kPa求出的壓縮系數(shù)a１－２來評價土的壓縮性高低。

a１-２

<0.1MPa-1時，

屬低壓縮性土：0.1Mpa-1≤a1--2<0.5Mpa-1時，屬中壓縮性土：a１-２

≥0.5Mpa-1時，

屬高壓縮性土。●壓縮摸量定義：土在完全側限條件下，豎向附加應力σz與相應的豎向應變εz的比值：由σz=p2–p1εz=(e1-e2)/(1+e1)代入Es=σz./εz

得Es=(1+e1)/aa=(e1-e2)/（p2–p1）壓縮模量Es是表示土的壓縮性高低的又一個指標。Es與a成反比關系，a越大，Es越小，土的壓縮性越高，土越軟弱，越易被壓縮，越不宜作地基；a越小，Es越大，土的壓縮性越低，越不易被壓縮，越宜作地基。

工程中除了用a判斷土的壓縮性外，還用ES1-2

來判斷土的壓縮性。整理(1+e2)/(1+e1)=(h0-△S)/h0=1－△S/h0

因此△S/h0=εz=1－(1+e2)/(1+e1)=(e1－e2)/(1+e1)

④據(jù)σz=△p，εz=△S/h0=(e1－e2)/(1+e1)有ES=σz./εz=△p/△S/h0=△p/(e1－e2)/(1+e1)=(1+e1)/△e/△p=(1+e1)/a2抗剪強度⑴

概念--土的抗剪強度=抵抗剪切破壞的極限能力，是土的另一個力學屬性。⑵

測定方法--直接剪切試驗

切取原狀土樣，放入面積為A的剪切盒內(nèi);頂部施加壓力N，調(diào)節(jié)手輪施加水平推力T，計算出不同N,T時的壓應力σ=N/A和剪應力τ=T/A.當T增加到T′時，土樣破壞。此時的剪應力記為抗剪強度τf=T′/A

土的剪應力實驗裝置示意以不同的N,T′進行3--4次試驗，得出不同的?,τf并點繪直角座標紙上，連線得抗剪強度曲線。（下圖）⑶

庫倫定律砂土類土τf=σtanΦ

粘土類土τf=σtanΦ+c庫倫定律說明：①

土的抗剪強度不是常數(shù)，它隨壓應力大小而變化。②

砂土的抗剪強度僅由內(nèi)摩擦力組成；粘土的抗剪強度由粘聚力和內(nèi)摩擦力兩部分組成。③

土的抗剪強度與土的含水率和孔隙比有關。（如表1—10“中砂”c、Φ隨孔隙比變化）地基土破壞的模式：地基在荷載作用下的p—s曲線隨土的壓縮性質，加荷速度，基礎深度，大小形式不同而不同。一般歸納為三類：a整體剪切破壞多出現(xiàn)在緊密砂土或堅硬黏土中。b局部剪切破壞多出現(xiàn)在密實砂土中c沖剪破壞多出現(xiàn)在松軟砂土或軟土。

3土的應力及分布①自重應力---沿水平均勻分布且與深度成正比

②附加應力(中心受壓情況

)

●同一深度下距作用軸線越遠應力值越小

●荷載軸線上應力最大.

●荷載應力隨深度增加而減少

地基的不同深度處附加應力分布●被動土壓力負位移(轉動).土體(ABC)處于極限平衡狀態(tài).此時土對擋土結構的反作用力稱為被動土壓力.砂土黏性土●靜止土壓力無位移(轉動)土體(ABC)不存在潛在滑移面。此時的土壓力稱為靜止土壓力

k0=1-sinφ，(KN/m)

Ep

=1/2γh2.kp=1/2γh2.tg2(450＋φ/2)(KN/m)

Ep=1/2γh2.ka＋2ch(KN/m)E0=1/2γ.h2.k0(KN/m)第二節(jié)土石方平衡與調(diào)配一土石方計算方法（一）基坑土方量計算v=H/6(F1＋4F0＋F2)

（二）溝槽土方量計算V=斷面積(F)×溝長(L)（三）場地土方量計算1方格網(wǎng)法：本法用于地形平緩、場地寬大情況。精度高【例】某水處理工程施工場地方格網(wǎng)的一部如圖1--5所示。方格邊長為20m×20m，試計算挖（填）土方量【解】（1）劃分方格網(wǎng)（2）標注高程.根據(jù)地形圖和設計地面標高，標注方格各點的自然地面標高(右下角)和設計地面標高(右上角)。（3）計算施工高度。地面標高－設計標高。“＋”為挖、“－”為填。（4）計算零點位置本例8-13、9-14、14-15網(wǎng)邊兩端的施工高度符號不同，表明有零點存在。由表1—6公式計算得：8--13線b=20×0.16/(0.16＋0.26)=7.6m9--14線b=20×0.26/(0.26＋0.21)=11.0m14--15線b=20×0.21/(0.05＋0.21)=16.2m將各零點標于圖上，并將零點線連接起來，零點連線為挖（填）方區(qū)分界線。（5）計算挖（填）方量。依據(jù)方格網(wǎng)平面圖形,結合表1-6公式計算每個方格網(wǎng)內(nèi)的挖（填）方量X1=ah1/(h1＋h2).或(X2=ah2/(h1＋h2)（6）土方量匯總2斷面法根據(jù)地形圖或現(xiàn)場。將場地劃分成為若干相互平行的橫斷面，逐段計算土方量并匯總。本法用于自然地面復雜、地形起伏大的狹長地帶，精度不高。【例】某地段場地平整如圖1-4。已知AA′、BB′、CC′..EE′截面的填方面積分別為47.45.20.5.0㎡，挖方面積分別為15、22、38、20、16，試求該地段的總填方和總挖方量?！窘狻浚?）劃分橫斷面斷面應垂直等高線，斷面間距視現(xiàn)場情況定。如AA′、BB′、CC′..EE′。2畫橫截面圖形按比例（水平1：200～500、垂直1：100～200）繪制每個橫截面的自然地面和設計地面的輪廓線，得到若干三角形或梯形f1,f2…。兩輪郭線之間的面積為挖方（填）方的截面。F=f1,＋f2…。如圖1-43計算橫截面面積依圖形按公式分別計算每個截面的挖（填）方面積F1、、F2..4計算土方量按V=（F1＋F2）L/2.VAB填=（F1＋F2）L/2.=50（47＋45）/2=2300m3VAB挖=50（15＋22）/2=925m3VBC填=60（45＋20）/2=1950m3VBC挖=60（22＋38）/2=1800m3VCD填=30（20＋5）/2=375m3VDE填=80（5＋0）/2=200m3VCD挖=30（38＋20）/2=870m3VDE挖=80（20＋16）/2=1440m3表1--5（四）邊坡土方量計算

本法系根據(jù)地形圖和邊坡豎向布置圖或現(xiàn)場測繪，將要計算的邊坡先劃分為近似的三棱體或三棱柱體，再用相應的公式算得體積?！纠繄龅仄秸こ?，長80m、寬60m。土質為粉質黏土，挖方區(qū)邊坡1:1.25，填方區(qū)邊坡1:1.5，已知平面圖挖填方界線尺寸及角點標高如圖所示，試求邊坡挖填土方量．

【解】1、先求邊坡角點1—4的挖填方寬度。角點1填方寬度0.85m×1.50=1.28m角點2挖方寬度1.54m×1.25=1.93m角點3挖方寬度0.40m×1.25=0.50m角點4挖方寬度1.40m×1.50=2.10m2、按照場地四個控制角點的邊坡寬度，利用作圖法可得出邊坡平面尺寸（如圖1—7所示）。3、分別按三棱椎體和三棱柱體的體積公式計算邊坡土方量。二.土方平衡調(diào)配1.原則：土的挖，填，堆，棄，轉，運要綜合考慮，根據(jù)實際情況和工程概預算定額考慮成本最低原則。2.工作內(nèi)容和程序：⑴

劃分配調(diào)區(qū)的界線。根據(jù)場地，邊坡的土方量計算結果，在場地平面圖上找出挖，填方區(qū)，盡量做到挖，填平衡，減少借土或棄土，暫存土要留足夠場地堆放。⑵

計算平均運距--挖，填之間的重心平均運距。①計算挖（填）方重心坐標：X=∑vx/∑v

Y=∑vy/∑vX,Y挖方調(diào)配區(qū)或填方調(diào)配區(qū)的重心坐標；v----每個方格的土方量；

x----

每個方格的重心橫座標；

y----

每個方格的重心縱座標

。(注:實踐中.采用形心坐標)

②

從地形圖上或現(xiàn)場量出挖，填區(qū)之間的運距。③

繪制土方平衡圖或土方平衡表（表1--11）【例】水處理工程施工場地各調(diào)配區(qū)的土方量和相互之間的平均運距如圖1-9所示。試求最優(yōu)土方調(diào)配方案和土方總運輸量、總的平均運距。1.推土機作用：推土（一，二，三類）；可開挖深1.5m內(nèi)的基坑，回填，清理障礙物。推檔體積：0.75--2.0m3

。2.鏟運機作用：場地平整（一，二，三類土），鏟、運、卸、填、筑、壓。斗容量2.5--9.0m3，切土深度0.15—0.3m,第三節(jié)土石方開挖與施工機械一.基坑（溝槽）邊坡坡度與斷面形式教材.圖1—16和表1—14.邊坡坡角與土的類型以及含水率有關.近似等于土的內(nèi)摩擦角.一般按設計規(guī)范或施工規(guī)范.斷面形式有直槽,梯形槽..依土質或圖紙要求定.二.土方施工機械3.挖掘機●正鏟:開挖停機坪以上的土方，開挖高度2.米以上，（一、二三、四類土）斗容量0.5--1.0m3●反鏟：開挖停機坪以下的土方（挖深5.5m左右），適宜濕土、泥淖地施工。斗容量0.5立方米，360度旋轉?！窭P作用類同反鏟，但工作半徑大．效率高．●

抓鏟適用于水下作業(yè)．深井.溝槽.沉井.基坑．４.施工機械小時生產(chǎn)率例:推土機Ph=3600q/T·KP(m3/h)T---生產(chǎn)作業(yè)時間（s);Kp----土質系數(shù)，一般1.2--1.3q---斗容量（m3)臺班生產(chǎn)率：Pd=8.Ph.KB(m3/臺班)KB---臺班的有效工作系數(shù)，0.72---0.75．（參見施工機械產(chǎn)品介紹）三簡單土坡穩(wěn)定性分析所謂簡單土坡是指坡度不變，頂面、底面水平，土質均勻，無地下水.1非粘性土的土坡穩(wěn)定性。如圖表示坡角為β的無粘性土坡。穩(wěn)定條件是坡面上的各土粒不下滑。設坡面上某顆粒M,所受重力為G,內(nèi)摩擦角為Ф，重力G沿坡面的切向分力為T=Gsinβ，法向分力N=Gcosβ。分力T使顆粒M向下滑動,而法向力N在坡面上引起的摩擦力T／則會阻止顆粒下滑。T／=NtgФ=Gcosβ·tgФ抗滑力與滑動力之比稱為穩(wěn)定安全系數(shù)k,即K=T／/T=Gcosβ·tgФ/Gsinβ=Gcosβ·tgФ/Gcosβtgβ=tgФ/tgβ（1--25）

結論:①β=Ф時，K=1T/=T,抗滑力=滑動力，土坡處于極限平衡狀態(tài)。此時的β稱自然休止角或稱天然坡角.

②.β<Ф(K＞1),土坡在理論上是穩(wěn)定的.且與坡高無關。

③.β＞Ф(K<1),土坡處于不穩(wěn)定狀態(tài).

2黏性土坡穩(wěn)定性

第四節(jié)基坑溝槽支撐支撐目的:安全施工防止塌方流沙.一.支撐種類及適用條件：１橫撐適用濕度小，黏土非黏性土,５Ｍ內(nèi)．2豎撐適用松散濕度大的土溝深５Ｍ上．３板樁撐適用于地下水位高，易流沙環(huán)境．４錨啶５土壁加固二支撐計算（圖1—49）（1）撐板計算1.土壓力如密砂P=0.8γ0.2Hka=0.16γHka（上層）P=0.8γ0.6Hka=0.48γHka（中層）P=0.8γ0.2Hka=0.16γHka（下層）2撐板最大彎矩Mmax=pbL12/8b=0.2～0.3mL1=1.0～1.5m3抵抗矩W=bd2/64撐板最大彎應力σ=Mmax/W=3pL12/4d2≤［σw］

（2）立柱計算按簡支梁類同撐板計算（3）撐桿計算按中心受壓（壓桿）情況三支撐設置與拆除（略）第五節(jié)土方回填1土料選擇基坑亦用碎石土.砂土;慎用細砂.黏土.粉砂,禁用淤泥.垃圾,溝槽禁用石塊.磚頭.垃圾.淤泥.密實度要求●基坑λc≮0.9.●非車道下.管道頂部0.5m內(nèi).管道結構外緣范圍,λc≮0.85管道兩側

λc符合表1—15規(guī)定●.車道下.管道頂部0.25m內(nèi),λc≮0.87

管道其他部分λc符合表1—15規(guī)定.●建筑地基主要受力層,λc0.94～0.963壓實方法分層壓.每層0.2—0.3m,慢速２～4遍4施工機械平碾機（5—10t）羊足碾,

蛙式夯,火力夯,帶式打夯機.振動機.

第六節(jié)地基處理地基與基礎的關系

●地基--支撐建（構）筑物荷載的土層稱為地基。

●基礎--建（構）筑物向地基傳遞荷載的下部結構稱為基礎。●建筑物的安全性取決于地基、基礎和上部結構的整體構成．地基是否要處理，怎樣處理，主要取決于原土的性質和工程對地基的要求。應根據(jù)地基條件，目的要求，工程費用，施工進度，材料來源，技術水平，處理效果以及環(huán)境影響等方面進行綜合考慮．.

地基與基礎的關系二

處理方法（表1--18）1.換土墊層

清除弱土層，分層回填砂，石，灰土等，夯實。分●

素土墊層

干土，堅土，處理軟弱土地基；●

砂墊層

礫砂，中砂，粗砂，細砂，處理軟弱土地基；●

灰土墊層

熟石灰，干土，處理濕陷性黃土；（在干旱條件下形成的黃色粉質土，多含石英長石、碳酸鹽，天然狀態(tài)下肉眼可見大孔隙，易受水的浸漬，未受水浸漬時強度高壓縮性小，是好地基。受水浸漬后，由于碳酸鹽類溶解，土的結構迅速破壞，強度迅速降低，顯著下沉）；、●

碎石墊層

碎石

素土，處理膨脹土地基。（系主要由親水性礦物成分組成的粘土，具有明顯的吸水膨脹，失水收縮的特性。膨脹或收縮都可引起基礎開裂，所以膨脹土地基必須處理）原理置換墊層，改變了原有軟土的含水率、顆粒級配和顆粒結構成分。另，石灰+黃土形成截水層，使水不至滲入濕陷黃土中。2擠密振實⑴

擠密樁

工藝方法：打樁機成孔--管內(nèi)灌砂、灰土、碎石--振動抽管。（右圖）按填充的材料分為砂石樁.生石灰樁和灰土樁.●

擠密砂石樁

樁孔成三角形排列，孔徑d300--800mm,孔眼間距L≤4d,填料要求礫砂,粗砂,中砂,碎石等（樁孔布置圖）（見下圖）原理：打樁擠緊地基土,填料改變土的成分,