土石方工程与地基处理课件

给水排水工程施工技术与管理

目的：调整、充实、完善学生知识结构，提高实践能力。建立设计-----管理的整体概念内

●土石方与地基处理知识

●给排水工程施工技术；

●施工组织计划；

●工程项目施工管理；

●工程招标投标。方

法：了解（工艺

、材料和方法，工程施工管理，工程招投标）；掌握（施工技术、

原理、

概念

施工.组织、计划

）；熟悉（工艺方法的基本理论）。成绩：2.5学分，考试+平时第一章土石方工程与地基处理

第一节

土的工程性质及分类一、土的组成1、组成：

宏观—颗粒+水+空气三相体系（图）微观—矿物质（石英长石云母盐类蒙脱石伊里石高岭石）+有机质+水（结合水,自由水）+空气●结合水—由分子引力吸附于土粒表面的水,无溶解能力.

●自由水—存在于土粒表面电场以外的水,有溶解能力,传递压力.2、粒组与级配

土的颗粒不同，性质就不同。1）粒组：把大小相近的土粒人为合为一组称粒组。工程上的六大粒组：块石.碎石.角砾.砂粒、粉粒.粘粒。(见表1--1）土的组成

2）级配

：大小颗粒的百分比分布情况称级配。级配由粒径分布曲线表示

。（图）由图可以看出：Ku越大.级配曲线越平缓，d60－

d10的间距越大.粒径分布带越宽，粒径分布越不均匀，级配越好。反之亦然。从理论上讲，Ku可作为工程填土垫层用土的判别依据。Ku<5土粒较均匀，级配不好，密实度较低。因此，工程中尽量采用ku>5的土作填土。二、土的三相比例指标三相–固体颗粒,水,空气（图）Ms–

土粒的质量

Vs—土粒的体积Mw–土中水的质量

Vw—土中水的体积Ma–土中气

的质量

Va–土中气

的体积M–土的质量

V–土的体积土的

软、硬、松、密、干、湿、轻、重，均可用三相比例关系表示。

图

土的三相比例示意图1、实测指标（1）

土的密度和干密度

密度--天然状态下单位体积土的质量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恒温2小时)土粒的单位体积质量。ρd=mS/v，一般情况ρd=1.3--1.8T/m3工程中，常以土的干密度来评价土的密度，控制回填土的密实程度。（2）土颗粒的相对密度(比重）dS=mS/vS·1/ρw1土颗粒比重反映土的矿物成分和有机质含量情况。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

在天然状态下，土中水的质量与土颗粒质量之比：w=mw/mS×

100%或w=mw.g/mS.g×100%土的含水量对土的影响：粉土，粘性土

大

细砂，粉砂

小碎石土

无2、导出指标⑴

重力密度：单位体积土受到的重力：r=ρ.g(KN/m3)湿砂土r=16---20KN/m3

湿粘土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是表示土的密实度的重要指标：e＜0.6密实良好的天然地基；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多用于未动土的孔隙分析

，e多用于填土压实情况。⑶土的饱和度：Sr=Vw/V

v稍湿很湿饱和三、无粘性土（砂土，碎石土）的密实度1特征：由砾石，砂砾沉积而成，单粒结构（右图），颗粒粗，少结合水，无粘接力。(3)标准贯入试验适应现场测试。《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）要求采用标准贯入试验。（N63.5法）方法：63.5kg重锤，自由落距76cm，先把贯入器打入土中15cm，然后根据打入30cm所需锤数N（表1-4）来判断密实度。砂土(四级)，N≤10松散，10<N<15稍密，15≤N<30中密，30<N密实(4)静力触探触探头压入土中，阻力应变仪测出探头受到的阻力，土越密实，探头所受阻力越大，仪器可把阻力换算成密实度或承载力2、界限含水量--液限、塑限和缩限①界限含水量--粘性土由一种状态转到另一种状态的的分界含水量(%)②液限WL--土由可塑状态转到流动态的界限含水量判别：液限仪测定（详《土工试验方法标准〉(GB123-88)

粘土状态与含水量关系研究Ip的意义：由于Ip反映土的粘粒含量和矿物成分。〈建筑地基基础设计规范〉（GBJ7-89）用Ip作为粘性土的分类标准：Ip>17粘土10≤Ip≤17粉质粘土地基基础设计和施工需要分清粘土和粉质粘土②液性指数IL==

研究IL的意义：以IL作为判别粘性土软硬状态的指标。根据IL的大小，粘性土分成五种状态：坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑。承载力依次降低。基础设计和地基处理方法的确定都要考虑液性指数.

五、土的工程分类：岩土的种类很多《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）把土分为五大类：（一）碎石土（碎石土≠含碎石的土）：d>2mm的颗粒含量超过总重50%的土（表1-6）（二）砂土

d>2mm不超过50%，d>0.075mm超过50%按颗粒级配分

砾砂

粗砂

中砂

细砂

粉沙

（表1-7）五种（三）粉土

IP≤10d>0.075mm的颗粒不超过50%，粒径介于砂土与粘土之间。（四）粘性土

IP>10按IP细分

粉质粘土：10<IP≤17粘土：IP>17（五）人工填土素填土、杂填土、冲填土（表1-9）强调1、粗粒径土按级配分类，细粒土按塑性指数分类；2、建筑地基基础设计规范对土的工程分类有明显界限；3、土石方施工中对土的分类不同于工程设计对土的分类：土石方按土的开挖难易程度分为8类16级。工程定额单价不同。一类土（松软土）能用锹挖掘

放坡系数0.3砂、冲积砂土，轻亚粘土，种植土二类土（普通土）

能用锹镐挖掘

放坡系数0.3亚粘土、潮湿黄土、碎石砂土三类土（坚土）

能用镐挖掘

放坡系数0.2密实粘土、粗砾石、碎石黄土四类土（沙砾坚土）要用撬、锤方式

，不放坡

含风化碎石、卵石、重粘土、密实黄土五类土（软石）

撬、

锤

不放坡

风化石、灰岩六类土

岩石

爆破

锤

风化花岗岩、片岩、砂岩七类土（坚岩）

爆破

锤

大理石、石灰岩八类土（特坚石）

爆破

锤

花岗岩、石英岩六、土的力学性质1、压缩性：土在压力作用下体积减小的特性称为压缩性。①土体缩小的三个原因：●

土中水、气排走●

土颗粒被压缩●

封闭在土中的水，气被压缩。

实践证明：一般情况，土受到的压力常在100-600kpa之间，这时土颗粒及水的压缩变形量不到全部土体压缩变形量的1/400，可忽略不计。所以土压缩变形主要原因是由于空隙减小和排出水的缘故。是土的一个力学属性。②了解土的压缩性的目的●

地基变形量控制

地基在荷载作用下会发生变形，建(构)筑物基础随之沉降，《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）对建筑物的地基变形容许值有严格规定.地基变形对管道接头会有影响.。●

认识地基变形时、量关系地基的变形过程就是土的压缩变形过程，土的压缩变形快慢与排气排水速度有关，他们取决于土的渗透性和排水气条件。在有好的排水气条件下，砂土随着施工加荷的终结，变形也基本完成：对含水量大的粘土，施工完毕时仅完成总变形量的5%—20%。完成最终变形量要5-10年，甚至几十年。在相同压力条件下不同土的压缩变形量差别很大，可通过压缩试验确定。压缩系数的求取方法---压缩试验用金属环刀

切取原状土样，将土样连同环刀一起放入压缩仪内：

按P=50,100,200,300,400KPa分组加压至变形稳定：分别测出变形稳定后的“e”，得p--e曲线取p--e曲线中的一段，视为直线，其斜率a即为压缩系数。它是评价地基压缩性的重要指标，单位是MPa-1。在工程中，通常以p1=100KPa和p2=200kPa求出的压缩系数a１－２来评价土的压缩性高低。

a１-２

<0.1MPa-1时，

属低压缩性土：0.1Mpa-1≤a1--2<0.5Mpa-1时，属中压缩性土：a１-２

≥0.5Mpa-1时，

属高压缩性土。●压缩摸量定义：土在完全侧限条件下，竖向附加应力σz与相应的竖向应变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）压缩模量Es是表示土的压缩性高低的又一个指标。Es与a成反比关系，a越大，Es越小，土的压缩性越高，土越软弱，越易被压缩，越不宜作地基；a越小，Es越大，土的压缩性越低，越不易被压缩，越宜作地基。

工程中除了用a判断土的压缩性外，还用ES1-2

来判断土的压缩性。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据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抗剪强度⑴

概念--土的抗剪强度=抵抗剪切破坏的极限能力，是土的另一个力学属性。⑵

测定方法--直接剪切试验

切取原状土样，放入面积为A的剪切盒内;顶部施加压力N，调节手轮施加水平推力T，计算出不同N,T时的压应力σ=N/A和剪应力τ=T/A.当T增加到T´时，土样破坏。此时的剪应力记为抗剪强度τf=T´/A

土的剪应力实验装置示意以不同的N,T´进行3--4次试验，得出不同的ό,τf并点绘直角座标纸上，连线得抗剪强度曲线。（下图）⑶

库伦定律砂土类土τf=σtanΦ

粘土类土τf=σtanΦ+c库伦定律说明：①

土的抗剪强度不是常数，它随压应力大小而变化。②

砂土的抗剪强度仅由内摩擦力组成；粘土的抗剪强度由粘聚力和内摩擦力两部分组成。③

土的抗剪强度与土的含水率和孔隙比有关。（如表1—10“中砂”c、Φ随孔隙比变化）地基土破坏的模式：地基在荷载作用下的p—s曲线随土的压缩性质，加荷速度，基础深度，大小形式不同而不同。一般归纳为三类：a整体剪切破坏多出现在紧密砂土或坚硬黏土中。b局部剪切破坏多出现在密实砂土中c冲剪破坏多出现在松软砂土或软土。

3土的应力及分布①自重应力---沿水平均匀分布且与深度成正比

②附加应力(中心受压情况

)

●同一深度下距作用轴线越远应力值越小

●荷载轴线上应力最大.

●荷载应力随深度增加而减少

地基的不同深度处附加应力分布●被动土压力负位移(转动).土体(ABC)处于极限平衡状态.此时土对挡土结构的反作用力称为被动土压力.砂土黏性土●静止土压力无位移(转动)土体(ABC)不存在潜在滑移面。此时的土压力称为静止土压力

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)第二节土石方平衡与调配一土石方计算方法（一）基坑土方量计算v=H/6(F1＋4F0＋F2)

（二）沟槽土方量计算V=断面积(F)×沟长(L)（三）场地土方量计算1方格网法：本法用于地形平缓、场地宽大情况。精度高【例】某水处理工程施工场地方格网的一部如图1--5所示。方格边长为20m×20m，试计算挖（填）土方量【解】（1）划分方格网（2）标注高程.根据地形图和设计地面标高，标注方格各点的自然地面标高(右下角)和设计地面标高(右上角)。（3）计算施工高度。地面标高－设计标高。“＋”为挖、“－”为填。（4）计算零点位置本例8-13、9-14、14-15网边两端的施工高度符号不同，表明有零点存在。由表1—6公式计算得：8--13线b=20×0.16/(0.16＋0.26)=7.6m9--14线b=20×0.26/(0.26＋0.21)=11.0m14--15线b=20×0.21/(0.05＋0.21)=16.2m将各零点标于图上，并将零点线连接起来，零点连线为挖（填）方区分界线。（5）计算挖（填）方量。依据方格网平面图形,结合表1-6公式计算每个方格网内的挖（填）方量X1=ah1/(h1＋h2).或(X2=ah2/(h1＋h2)（6）土方量汇总2断面法根据地形图或现场。将场地划分成为若干相互平行的横断面，逐段计算土方量并汇总。本法用于自然地面复杂、地形起伏大的狭长地带，精度不高。【例】某地段场地平整如图1-4。已知AA′、BB′、CC′..EE′截面的填方面积分别为47.45.20.5.0㎡，挖方面积分别为15、22、38、20、16，试求该地段的总填方和总挖方量。【解】（1）划分横断面断面应垂直等高线，断面间距视现场情况定。如AA′、BB′、CC′..EE′。2画横截面图形按比例（水平1：200～500、垂直1：100～200）绘制每个横截面的自然地面和设计地面的轮廓线，得到若干三角形或梯形f1,f2…。两轮郭线之间的面积为挖方（填）方的截面。F=f1,＋f2…。如图1-43计算横截面面积依图形按公式分别计算每个截面的挖（填）方面积F1、、F2..4计算土方量按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）边坡土方量计算

本法系根据地形图和边坡竖向布置图或现场测绘，将要计算的边坡先划分为近似的三棱体或三棱柱体，再用相应的公式算得体积。【例】场地平整工程，长80m、宽60m。土质为粉质黏土，挖方区边坡1:1.25，填方区边坡1:1.5，已知平面图挖填方界线尺寸及角点标高如图所示，试求边坡挖填土方量．

【解】1、先求边坡角点1—4的挖填方宽度。角点1填方宽度0.85m×1.50=1.28m角点2挖方宽度1.54m×1.25=1.93m角点3挖方宽度0.40m×1.25=0.50m角点4挖方宽度1.40m×1.50=2.10m2、按照场地四个控制角点的边坡宽度，利用作图法可得出边坡平面尺寸（如图1—7所示）。3、分别按三棱椎体和三棱柱体的体积公式计算边坡土方量。二.土方平衡调配1.原则：土的挖，填，堆，弃，转，运要综合考虑，根据实际情况和工程概预算定额考虑成本最低原则。2.工作内容和程序：⑴

划分配调区的界线。根据场地，边坡的土方量计算结果，在场地平面图上找出挖，填方区，尽量做到挖，填平衡，减少借土或弃土，暂存土要留足够场地堆放。⑵

计算平均运距--挖，填之间的重心平均运距。①计算挖（填）方重心坐标：X=∑vx/∑v

Y=∑vy/∑vX,Y挖方调配区或填方调配区的重心坐标；v----每个方格的土方量；

x----

每个方格的重心横座标；

y----

每个方格的重心纵座标

。(注:实践中.采用形心坐标)

②

从地形图上或现场量出挖，填区之间的运距。③

绘制土方平衡图或土方平衡表（表1--11）【例】水处理工程施工场地各调配区的土方量和相互之间的平均运距如图1-9所示。试求最优土方调配方案和土方总运输量、总的平均运距。1.推土机作用：推土（一，二，三类）；可开挖深1.5m内的基坑，回填，清理障碍物。推档体积：0.75--2.0m3

。2.铲运机作用：场地平整（一，二，三类土），铲、运、卸、填、筑、压。斗容量2.5--9.0m3，切土深度0.15—0.3m,第三节土石方开挖与施工机械一.基坑（沟槽）边坡坡度与断面形式教材.图1—16和表1—14.边坡坡角与土的类型以及含水率有关.近似等于土的内摩擦角.一般按设计规范或施工规范.断面形式有直槽,梯形槽..依土质或图纸要求定.二.土方施工机械3.挖掘机●正铲:开挖停机坪以上的土方，开挖高度2.米以上，（一、二三、四类土）斗容量0.5--1.0m3●反铲：开挖停机坪以下的土方（挖深5.5m左右），适宜湿土、泥淖地施工。斗容量0.5立方米，360度旋转。●拉铲作用类同反铲，但工作半径大．效率高．●

抓铲适用于水下作业．深井.沟槽.沉井.基坑．４.施工机械小时生产率例:推土机Ph=3600q/T·KP(m3/h)T---生产作业时间（s);Kp----土质系数，一般1.2--1.3q---斗容量（m3)台班生产率：Pd=8.Ph.KB(m3/台班)KB---台班的有效工作系数，0.72---0.75．（参见施工机械产品介绍）三简单土坡稳定性分析所谓简单土坡是指坡度不变，顶面、底面水平，土质均匀，无地下水.1非粘性土的土坡稳定性。如图表示坡角为β的无粘性土坡。稳定条件是坡面上的各土粒不下滑。设坡面上某颗粒M,所受重力为G,内摩擦角为Ф，重力G沿坡面的切向分力为T=Gsinβ，法向分力N=Gcosβ。分力T使颗粒M向下滑动,而法向力N在坡面上引起的摩擦力T／则会阻止颗粒下滑。T／=NtgФ=Gcosβ·tgФ抗滑力与滑动力之比称为稳定安全系数k,即K=T／/T=Gcosβ·tgФ/Gsinβ=Gcosβ·tgФ/Gcosβtgβ=tgФ/tgβ（1--25）

结论:①β=Ф时，K=1T/=T,抗滑力=滑动力，土坡处于极限平衡状态。此时的β称自然休止角或称天然坡角.

②.β<Ф(K＞1),土坡在理论上是稳定的.且与坡高无关。

③.β＞Ф(K<1),土坡处于不稳定状态.

2黏性土坡稳定性

第四节基坑沟槽支撑支撑目的:安全施工防止塌方流沙.一.支撑种类及适用条件：１横撑适用湿度小，黏土非黏性土,５Ｍ内．2竖撑适用松散湿度大的土沟深５Ｍ上．３板桩撑适用于地下水位高，易流沙环境．４锚啶５土壁加固二支撑计算（图1—49）（1）撑板计算1.土压力如密砂P=0.8γ0.2Hka=0.16γHka（上层）P=0.8γ0.6Hka=0.48γHka（中层）P=0.8γ0.2Hka=0.16γHka（下层）2撑板最大弯矩Mmax=pbL12/8b=0.2～0.3mL1=1.0～1.5m3抵抗矩W=bd2/64撑板最大弯应力σ=Mmax/W=3pL12/4d2≤［σw］

（2）立柱计算按简支梁类同撑板计算（3）撑杆计算按中心受压（压杆）情况三支撑设置与拆除（略）第五节土方回填1土料选择基坑亦用碎石土.砂土;慎用细砂.黏土.粉砂,禁用淤泥.垃圾,沟槽禁用石块.砖头.垃圾.淤泥.密实度要求●基坑λc≮0.9.●非车道下.管道顶部0.5m内.管道结构外缘范围,λc≮0.85管道两侧

λc符合表1—15规定●.车道下.管道顶部0.25m内,λc≮0.87

管道其他部分λc符合表1—15规定.●建筑地基主要受力层,λc0.94～0.963压实方法分层压.每层0.2—0.3m,慢速２～4遍4施工机械平碾机（5—10t）羊足碾,

蛙式夯,火力夯,带式打夯机.振动机.

第六节地基处理地基与基础的关系

●地基--支撑建（构）筑物荷载的土层称为地基。

●基础--建（构）筑物向地基传递荷载的下部结构称为基础。●建筑物的安全性取决于地基、基础和上部结构的整体构成．地基是否要处理，怎样处理，主要取决于原土的性质和工程对地基的要求。应根据地基条件，目的要求，工程费用，施工进度，材料来源，技术水平，处理效果以及环境影响等方面进行综合考虑．.

地基与基础的关系二

处理方法（表1--18）1.换土垫层

清除弱土层，分层回填砂，石，灰土等，夯实。分●

素土垫层

干土，坚土，处理软弱土地基；●

砂垫层

砾砂，中砂，粗砂，细砂，处理软弱土地基；●

灰土垫层

熟石灰，干土，处理湿陷性黄土；（在干旱条件下形成的黄色粉质土，多含石英长石、碳酸盐，天然状态下肉眼可见大孔隙，易受水的浸渍，未受水浸渍时强度高压缩性小，是好地基。受水浸渍后，由于碳酸盐类溶解，土的结构迅速破坏，强度迅速降低，显著下沉）；、●

碎石垫层

碎石

素土，处理膨胀土地基。（系主要由亲水性矿物成分组成的粘土，具有明显的吸水膨胀，失水收缩的特性。膨胀或收缩都可引起基础开裂，所以膨胀土地基必须处理）原理置换垫层，改变了原有软土的含水率、颗粒级配和颗粒结构成分。另，石灰+黄土形成截水层，使水不至渗入湿陷黄土中。2挤密振实⑴

挤密桩

工艺方法：打桩机成孔--管内灌砂、灰土、碎石--振动抽管。（右图）按填充的材料分为砂石桩.生石灰桩和灰土桩.●

挤密砂石桩

桩孔成三角形排列，孔径d300--800mm,孔眼间距L≤4d,填料要求砾砂,粗砂,中砂,碎石等（桩孔布置图）（见下图）原理：打桩挤紧地基土,填料改变土的成分,