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土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容第一章第一章 土方工程土方工程 第一节第一节 概概 述述一、土方工程的工作内容：土的挖掘、填筑和运输等过程，排水、降水、土壁支撑等准备工作和辅助工程。二、土方工程施工特点：工程量大、劳动繁重和施工条件复杂等；l 受气候、水文、地质、地下障碍等因素的影响大，不可确定的因素也较多，有时施工条件极为复杂。三、土的工程分类 施工中，根据土的“开挖难易程度”，将土分为八类，见下表：1-1 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容四、土的工程性质 1.土的可松性：自然状态下的土，经过开挖后，其体积因松散而增大，以后虽经回填压实，仍不能恢复。土方工程量是以自然状态的体积来计算的，在土方调配、计算土方机械生产率及运输工具数量等时，必须考虑土的可松性。1 3 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 土的可松性程度用可松性系数可松性系数表示，即 KS ：计算土方施工机械及运土车辆等的重要参数，KS：计算场地平整标高及填方时所需挖土量等的重要参数。(1-1)式中 Ks最初可松性系数；Ks最后可松性系数；V1土在天然状态下的体积（m3）；V2土经开挖后的松散体积（m3）；V3土经回填压实后的体积（m3）。1 4 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 2.原状土经机械压实后的沉降量 原状土经机械往返压实或经其他压实措施后，会产生一定的沉陷，根据不同土质，其沉陷量一般在330cm之间。3.土的透水性 土的透水性是指水流通过途中孔隙的难易程度，用渗透系数 K 来表示。4.土的其他工程性质 密实度、抗剪强度、土压力等 1 5 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容第二节第二节 场地设计标高的确定场地设计标高的确定一、场地设计概念场地设计平面：大型工程项目，将自然地面通过场地平整，改造为人们所要求的平面；场地设计标高：要求满足a.规划、生产工艺，运输、排水，最高洪水位，等b.场地内土方的挖填平衡、且土方工程量小。二、场地设计标高的确定 方格网法（见下图）条件：场地比较平缓，对场地设计标高无特殊要求时。1 6 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容1.场地设计标高的计算原理挖填土方量平衡：即1 7 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 2.场地设计标高的计算公式考虑各角点标高的“权”：式中，z1 -一个方格独有的角点标高（m）；z2,z3,z4 -分别为二、三、四个方格所共有的角点标高（m）；z0 -场地的中心标高（m）。上上式中，z0-场地设计标高（m）；n -方格数；zi1,zi2,zi3,zi4 -第 i 个方格四个角点的原地形标高（m）。1 8 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 3.场地任意点的设计标高以 z0 作为场地中心的标高（见图）：式中，ix,iy -x,y 方向的泄水坡度。4.各角点的施工高度 Hi：若 Hi 为正值、该点为填方；若 Hi 为负值、该点为挖方。1 9 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容三、最佳设计平面要求满足：a.规划、生产工艺，运输、排水，最高洪水位，等b.场地内土方的挖填平衡、且土方工程量最小。最小二乘法原理：如图，在平面上任何一点的 标高，可以根据下式求出：1 10 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 场地方格网角点的施工高度为 式中,Hi 方格网各角点的施工高度；方格网各角点的设计平面标高；方格网各角点的原地形标高；n 方格角点总数。1 11 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 令为土方施工高度之平方和，则 当的值最小时，该设计平面既能使土方工程量最小，又能保证填挖方量相等（填挖方不平衡时，上式所得数值不可能最小）。这就是最小二乘法求设计平面的方法。即有，1 12 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容四、设计标高的调整 在实际工程中，应考虑下述因素，调整场地设计标高：(1)考虑土的最终可松性；(2)考虑工程余土或工程用土；(3)由经济比较结果，确认场外取土或弃土的土方量的变化。1 13 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 第三节第三节 土方工程量的计算与调配土方工程量的计算与调配一、土方工程量计算 土方工程施工之前，需计算土方的工程量。但土方工程精确的计算工程量很困难。一般情况下，都将其假设或划分成为一定的几何形状，并采用具有一定精度而又和实际情况近似的方法进行计算。（一）基坑（槽）和路堤的土方量计算 1 14 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 基坑（槽）、路堤 的土方量 按拟柱体积 公式计算，即式中 V 土方工程量（m3）；H 基坑的深度，或基槽或路堤的长度（m）；F1，F2 基坑的上下底面积，或基槽、路堤两端的面积（m2）；F0 F1与F2之间的中截面面积（m2）。基槽与路堤通常根据其形状（曲线、折线、变截面等）划分成若干计算段，分段计算土方量，然后再累加求得总的土方工程量。如果基槽、路堤是等截面的，则 F 1=F 2=F 0，由上式计算 V =H F 1 。1 15 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（二）场地平整土方量的计算 1.“零线”位置的确定：零线即挖方区与填方区的交线，在该线上，施工高度为 0；在相邻角点施工高度为一挖一填的方格边线上，用插入法求出零点的位置，如图，将各相邻的零点连接起来即为零线。方格中土方量的计算有两种方法：“四方棱柱体法”和“三角棱柱体法”。1 16 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容2四方棱柱体的体积计算方法：（1）方格四个角点全部为填或全部为挖（图1-6a）时：式中 V 挖方或填方体积（m3）；H1，H2，H3，H4 方格四个角点的填挖高度，均取绝对值（m）。1 17 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（2）方格四个角点，部分是挖方、部分是填方（图1-6b和c）时：式中 H 填（挖）方格角点中填（挖）方施工高度的总和，取绝对值（m）；H 方格四角点施工高度之总和，取绝对值（m）；a 方格边长（m）。1 18 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容3三角棱柱体的体积计算方法（1）先把方格网顺地形等高线，将各个方格划分成三角形，如图。每个三角形的三角点的填挖施工高度，用H1，H2，H3表示。1 19 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（2）当三角形三个角点全部为挖或全部为填时（如图 1-8a）：式中 H1，H2，H3 三角形各角点的施工高度（m），用绝对值代入。1 20 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（3）三角形三个角点有填有挖时，零线将三角形分成两部分，一个是底面为三角形的锥体，一个是底面为四边形的楔体（如图 1-8b）。其中锥体部分的体积为：楔体部分的体积为 式中，H1，H2，H3 分别为三角形各角点的施工高度（m），取绝对值，其中H3指的是锥体顶点的施工高度。1 21 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容二、土方调配土方调配的目的：在使土方总运输量（m3m）最小、或土方运输成本（元）最小的条件下，确定填挖方区土方的调配方向和数量，从而达到缩短工期和降低成本的目的。（一）土方调配区的划分，平均运距和土方施工单价的确定：1调配区的划分原则 （1）调配区的划分应该与工程建（构）筑物的平面位置相协调，并考虑它们的开工顺序、工程的分期施工顺序；（2）调配区的大小应该满足土方施工主导机械（铲运机、挖土机等）的技术要求；（3）调配区的范围应该和土方工程量计算用的方格网协调，通常可由若干个方格组成一个调配区；（4）当土方运距较大或场地范围内土方不平衡时，可根据附近地形，考虑就近取土或就近弃土，这时一个取土区或弃土区都可作为一个独立的调配区。1 22 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容2平均运距的确定：调配区的大小和位置确定之后，便可计算各填、挖方调配区之间的平均运距。当用铲运机或推土机平土时，挖土调配区和填方调配区土方重心之间的距离，通常就是该填、挖方调配区之间的平均运距。当填、挖方调配区之间距离较远，采用汽车、自行式铲运机或其他运土工具沿工地道路或规定线路运土时，其运距应按实际情况进行计算。3土方施工单价的确定 如果采用汽车或其他专用运土工具运土时，调配区之间的运土单价，可根据预算定额确定。当采用多种机械施工时，确定土方的施工单价就比较复杂，因为不仅是单机核算问题，还要考虑运、填配套机械的施工单价，确定一个综合单价。将上述平均运距或土方施工单价的计算结果填入土方平衡与单价表（表1-4）内。1 23 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（二）用“线性规划”方法 进行土方调配 时的数学模型：土方平衡与施工运距（单价）表1 24 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 表格说明：整个场地划分为 m 个挖方区W1，W2，Wm，其挖方量应为a1,a2,am；n 个填方区T1，T2，Tn，其填方量相应为b1，b2，,bn；xij 表示由挖方区 i 到填方区 j 的土方调配数，由填挖方平衡，即1 25 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容从 W1 到 T1 的价格系数（平均运距，或单位土方运价、或单位土方施工费用）为c11，即从 Wi 到 WJ 的价格系数为 cij，则土方调配的数学模型表达：求一组 xij 的值，使目标函数 Z=为最小值，并满足下列约束条件：（i=1，2，m）（j=1，2，n）xij 01 26 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（三）用“表上作业法”进行土方调配 通过“假想价格系数”求检验数，cij 表示假想系数，其值待定。下面举例说明，用表上作业法求调配最优解的步骤与方法 图示为一矩形广场，方格内的数字为各调配区的土方量，箭杆上的数字则为各调配区之间的平均运距。试求土方调配最优方案。1 27 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容1编制初始调配方案（1）将土方量及价格系数（即 平均运距）填入计算表格中：1 28 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（2）初始方案的确定：）初始方案的确定：先找价格系数最小的方格（C22=C43=40），如取C43，使X43最大为400。1 29 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 再依次找出 价格系数较小的方格，并满足 挖填量的相等。由此利用“最小元素法”确定的初始方案首先是让 cij 最小的那些格内的 xij 值取尽可能大的值，也就是优先考虑“就近调配”，求得总运输量是较小的。1 30 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容2最优方案判别 采用“假想价格系数法”，求检验数：求 无土方调配的方格（本例中的 W1-T3，W4-T2 等）的检验数ij；如所有检验数ij 0，则方案为最优方案；如所有检验数ij 0，则该方案不是最优，需要进行调整。（1）首先求出 表中各个方格的假想价格系数，有调配土方的假想价格系数 =，无调配土方方格的假想系数用下式计算：+=+即，e f p q 构成的任一矩形四个方格内对角线上的假想价格系数之和相等。由此填入下表：1 31 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容本矩形得出，C21 10本矩形得出，C12 1001 32 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（2）其次求出 无调配土方方格的检验数ij，ij ，即有 把表中无调配土方的方格右边两小格的数字上下相减：如21=70(10)=80，12=70100=30，将计算结果填入表中。检验数 ij 有负值，说明方案要调整。1 33 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容3.方案的调整（1）在所有负检验数中，选一个最小的（本例中是C12），把 x12 作调整对象；（2）找出 x12 的闭回路：从 x12 方格出发，沿水平与竖直方向前进，形成一条以有数字的方格为转角点的、用水平和竖直线联起来的闭回路，见下表。x125001003005001004001 34 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（3）在闭回路中，挑出一个最小值 x32 100，将其由x32调到x12方格中；（4）同时调整闭回路上其他的奇数次转角上的数字都减去“100”，偶数次转角上数 字都增加“100”，使得填挖方区的土方量仍然保持平衡，得到新调配方案，见 表。1 35 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（5）对新调配方案，再次检验，直到找出最优方案为止：上表中所有检验均为正号，故该方案即为最优方案。4.最优土方调配方案的土方总运输量 为 Z 40050+10070+50040+40060+10070+40040 94000（m3m）将 土方调配数值绘成土方调配图，图中箭杆上数字为土方调配数。1 36 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容5.比较“最佳方案”与“初始方案”的运输量：初始方案的土方总运输量为 Z0 =50050+50040+30060 +100110+10070+40040=97000（m3m）；最佳方案的土方总运输量为 Z 94000（m3m），ZZ0 =94000 97000 =3000（m3m）即，调整后总运输量减少了 3000（m3m）。u 土方调配的最优方案可以不只是一个，这些方案调配区或调配土方量可以不同，但它们的目标函数 z 都是相同的。有若干最优方案，为人们提供了更多的选择余地。1 37 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容第四节第四节 土方工程的准备与辅助工作土方工程的准备与辅助工作一、土方工程施工前的准备工作（1）场地清理：清理地面及地下各种障碍 包括，施工前拆除旧房和古墓，拆除或改建通讯、电力设备、地下管线及建筑物，迁移树木，耕去除植土及河塘淤泥等。（2）排除地面水：排除场地内的积水和雨水的，保持场地干燥 地面水的排除一般采用排水沟、截水沟、挡水土坝等措施。（3）临时道路，供水、供电等临时设施 的修筑。（4）材料、机具及土方机械 的进场。（5）土方工程的测量、放线。（6）根据土方施工设计，做好土方工程的辅助工作，包括边坡稳定、基坑（槽）支护、降低地下水等。1 38 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容二、土方边坡及其稳定 1.土方边坡坡度：以其高度 H 与其底宽度 B 之比表示，边坡可做成直线形、折线形或踏步形，如图。土方边坡坡度 i =式中，m=B/H，称为坡度系数。1 39 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容2.边坡稳定影响边坡坡度的因素：土质、开挖深度、施工工期、地下水水位、坡顶荷载及气候条件。边坡失稳：土方边坡在一定范围内整体地沿某一滑动面向下和向外移动而丧失其稳定性。边坡失稳的原因：外界不利因素影响下触动和加剧，这些外界不利因素，导致土体下滑力的增加、或抗剪强度的降低。引起下滑力增加的因素主要有：坡顶上堆物、行车等荷载；雨水或地面水渗入土中使土的含水量提高而使土的自重增加；地下水渗流产生一定的动水压力；土体竖向裂缝中的积水产生侧向静水压力等。引起土体抗剪强度降低的因素主要是：气候的影响使土质松软；土体内含水量增加而产生润滑作用；饱和的细砂、粉砂受振动而液化等。边坡稳定的分析方法：摩擦圆法、条分法、有限元法 等。1 40 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容三、土壁支护 开挖基坑（槽）时，不能按要求的坡度放坡开挖，这时就需要进行基坑（槽）支护，以保证施工的顺利和安全，并减少对相邻建筑、管线等的不利影响。基坑(槽)支护结构的形式（根据受力状态）横撑式支撑板桩式支护结构重力式支护结构悬臂式支撑式1 41 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（一）基槽支护 市政工程施工时，铺设管沟开挖的沟槽一般较窄，多用横撑式土壁支撑。横撑式土壁支撑 分为：水平挡土板式，垂直挡土板式 两类。1 42 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容横撑式土壁支撑水平挡土板支撑垂直挡土板式：间断式：湿度较小的粘性土、挖土深 度小于3m连续式：对松散、湿度较大的土，挖 土深度可达5m对松散和湿度很高的土可用垂直挡土板式支撑，其挖土深度不限支撑，所承受的荷载为土压力。1 43 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容土压力，与土的性质、开挖深度、支撑的形式及变形亦有关。实测资料表明，作用在横撑式支撑上的土压力的分布很复杂，工程中通常按下图所示的几种简化图形进行计算。1 44 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容支护结构设计要求：重力式水泥土墙板式支护结构土钉墙（二）基坑支护基坑支护结构的形式：首先要考虑周边环境的保护，其次要满足本工程地下结构施工 的要求，再则应尽可能降低造价、便于施工。1 45 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容1重力式支护结构 水泥土搅拌桩（或称深层搅拌桩）支护结构水泥土搅拌桩是通过搅拌桩机将水泥与土进行搅拌，形成柱状的水泥加固土。支护结构的搅拌桩的水泥掺量通常为12%20%，水泥土的强度可达0.81.5MPa、其渗透系数很小（一般10-6cm/s）。支护结果由水泥土搅拌桩搭接而形成水泥土墙，它既具有挡土作用，又兼有隔水作用，可适用于46m深的基坑，最大可达78m。（1）水泥土重力式支护结构的设计 设计内容：整体稳定、抗倾覆稳定、抗滑移稳定、位移等，有 时还应验算抗渗、墙体应力、地基强度等。1 46 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容水泥土墙的构造形式：通常布置成格栅式，基坑开挖深度h，墙体的宽度b、有 b=(0.60.8)h，插入深度hd、有 hd=（0.81.2)h。1 47 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 水泥土支护结构的计算模型图式：1 48 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容根据“水泥土墙的计算模型”土压力的计算：主动土压力 、主动土压力起算点 被动土压力 、地面荷载的 附加主动土压力1 49 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容式中 Ka主动土压力系数 ，其中 为墙底 以上各土层内摩擦角按土层厚度的加权平均值()；Kp被动土压力系数 ，其中 为墙底 至基坑底之间各土层内摩擦角按土层厚度的加权平均值()；H 水泥土墙的墙高(m)；hd水泥土墙的插入深度(m)；C 墙底以上各土层粘聚力按土层厚度的加权平均值(kPa)；1 50 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 C1墙底至基坑底之间各土层粘聚力按土层厚度的加权 平均值(kPa)；墙底以上各土层天然重度按土层厚度的加权平均值 (kN/m3)；1墙底至基坑底之间各土层天然重度按土层厚度的加 权平均值(kN/m3)；hq地面荷载q的当量土层厚度(m)；b 水泥土挡墙的宽度(m)。1 51 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 按照计算图式，墙后主动土压力 Ea 按式（1-26）计算：式中，q 为地面荷载(kPa)。其他符号意义同前。墙前被动土压力Ep按式（1-27）计算：式中其他符号同前。(1-26)(1-27)1 52 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 整体稳定的验算 水泥土墙的插入深度应满足整体稳定性，整体稳定验算按式（1-28）简单条分法计算：式中：li第i条沿滑弧面的弧长(m)，；qi第i条土条处的地面荷载(kN/m)；bi第i条土条宽度(m)；Wi第i条土条重量(kN)；(1-28)1 53 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 i 第 i 条滑弧中点的切线和水平线的夹角()；Ci，i 分别表示第 i 条土条滑动面上土的粘 聚力(kPa)和内摩擦角()；KZ 整体稳定安全系数，一般取 1.2 1.5。1 54 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 抗倾覆稳定的验算 根据整体稳定得出的水泥土墙的hd以及选取的b按重力式挡土墙验算墙体绕前趾A的抗倾覆稳定安全系数：式中：W水泥土挡墙的自重（kN），W=cbH，c为水泥土墙体的自重（kN/m3），根据自然土重度与水泥掺量确定，可取1819 kN/m3；Kp抗倾覆安全系数，一般取1.31.5；其他符号意义同前。(1-29)1 55 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 水泥土墙如满足整体稳定性及抗倾覆稳定性，一般可不必进行抗滑移稳定的验算，在特殊情况下可按式（1-30）验算沿墙底面滑移的安全系数：式中 分别表示墙底土层的内摩擦角()与粘聚力(kPa)；Kh抗滑移稳定安全系数，取1.21.3。抗滑移稳定的验算(1-30)1 56 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容重力式支护结构的位移，应在设计中足够重视。由于重力式支护结构的抗倾覆稳定有赖于被动土压力的作用，而被动土压力的发挥是建立在挡土墙一定数量位移的基础上的，因此，重力式支护结构发生一定的位移是必然的，设计的目的是将该位移量控制在工程许可的范围内。水泥土墙的位移可用“m”法等计算，突出影响水泥土墙水平位移的几个主要因素，计算简便、适用。位移的计算1 57 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容位移的计算公式：施工质量影响系数：正常工序施工时，取=1.0；未到正常施工要求，但水泥用量达到要求时，取=1.5；严格控制施工质量，可取=0.8。式中 0墙顶估计水平位移(cm);L 开挖基坑的最大边长(cm);施工质量影响系数，取0.81.5；h 基坑开挖深度；其他符号意义同前。（1-31）1 58 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（2）水泥土搅拌桩的施工 1）施工机械：深层搅拌桩机，由深层搅拌机（主机），机架，灰浆搅拌 机和灰浆泵，等配套机械组成。1 59 滚管行走、桅杆式双轴搅拌桩机械履带行走式三轴搅拌桩机械三轴搅拌桩 机头 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 2）施工工艺：依据水泥掺入比及土质情况，可采用“一次喷浆、二次搅拌”或“二次喷浆、三次搅拌”工艺。“一次喷浆、二次搅拌”的施工工艺流程如图示。“二次喷浆、三次搅拌”工艺 可在图示步骤 e）作业时也进行注浆，以后再重复 d）与 e）的过程。1 61 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 3）施工质量要求：根据建筑地基基础工程施工质量验收规范GB 50202-2002，其中的水泥土搅拌桩地基质量检验标准 项序检查项目允许偏差或允许值检查方法单位数值主控项目1水泥及外掺剂质量设计要求查产品合格证或抽样送验2水泥用量参数指标查看流量计3桩体强度设计要求按规定办法4地基承载力设计要求按规定办法一 般 项 目1机头提升速度m/min0.5量机头上升距离及时间2桩底标高mm200测机头深度3桩顶标高mm+100-50水准仪（最上部500mm不计入）4桩位偏差mm50用钢尺量5桩径 0.04D用钢尺量，D为桩径6垂直度%1.5经纬仪7搭接mm200用钢尺量1 62 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容2.板式支护结构 板式支护结构的组成：挡墙系统，支撑(或拉锚)系统，悬臂式板桩支护结构则不设支撑(或拉锚)。1 63 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容板式支护结构挡墙系统（常用的材料）槽钢、钢板桩钢筋混凝土预制板桩排桩：灌注桩、树根桩地下连续墙支撑系统钢支撑系统：钢筋混凝土支撑工具式钢管：609、580H型钢格构式钢支撑：电焊加工拼接钢围檩：电焊加工拼接拉锚系统：钢筋、钢索、型钢或土锚杆钢筋、钢索、型钢或土锚杆1 65 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（1）板桩计算 一般基坑工程中广泛采用“支撑式板桩”支护结构。悬臂板桩 所需板桩的截面大，且位移也较大，仅用于34m的浅基坑工程。总结板桩的工程事故，其失败的原因主要有五方面：板桩的入土深度不够，走动而出现坑壁滑坡(图1-21a)；支撑或拉锚的强度不够(图1-21b、c)；拉锚长度不足，锚碇失去作用而使土体滑动(图1-21d)；板桩本身刚度不够，在土压力作用下失稳弯曲(图1-21e)；板桩位移过大，造成周边环境的破坏(图1-21f)。1 66 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容1 67 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容u 板桩的设计五大要素：单支点板桩的计算原理及计算方法：根据板桩入土深度与基坑深度比值的大小，将单支点板桩分成 自由支承单支点板桩 嵌固支承单支点板桩(见下图)。u板桩的入土深度、u截面弯矩、u支点反力、u拉锚长度、u板桩位移。1 68 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容两种类型 单支点板桩 的土压力分布、弯矩和变形也不尽相同。1 69 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容单点自由支承板桩：当板桩入土深度较浅，整个板桩都向坑内变形，板桩底端发生转动并有微小的位移，坑底的被动土压力得以全部发挥。如板桩的入土深度增加，由于作用在桩前被动土压力也随之增加，当达到某一平衡状态时，桩底C仅在原位置发生转动而无位移。板桩底端的支承相当于简支。单支点嵌固板桩：如果入土深度继续增加，则桩前被动土压力随深度的增加继续增加，当达到一定深度D点时，板桩底部有一段既无位移也无转角，这时板桩在土中处于嵌固状态。这种板桩在一定深度D点以下的弯矩为零。1 70 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 单支点嵌固板桩的简化计算方法相当梁法：板桩的精确 计算较为困难，主要是插入地下部分属超静定问题，其土 压力分布难以精确确定。1）板墙部分的计算 一般将板桩的主动、被动土压力简化为线性分布来进行计算。单支点嵌固板桩的计算模型相当梁法：1 71 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 单支点嵌固板桩 计算模型 的说明：图 a)所示梁的一端固定、一端简支；梁在均布荷载作用下的弯矩图（图 b)所示）及挠度曲线（图 c)所示）；梁的反弯点C，假想该处截断、并设简单支承于截断处（图d)所示），则称AC为相当梁；梁AC、梁CD均为静定结构，易于计算。1 72 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容上图是嵌固支承单支点板桩的计算简图：再近似假定 在距基坑底部 hc1的反弯点C 就是主动、被动土压应力相同处的D点。1 73 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 用相当梁法 计算 嵌固支承单支点板桩 的设计步骤：d.c.b.a.计算作用于板桩上的主动土压力和被动土压力；计算板桩上土压力强度为零的点C至地面的距离hc1，利用下式 将板桩在C点截面，利用x=0，M=0计算相当梁AC的支座反力Rc和支撑或锚杆反力Tc1；即(1-32)计算板桩入土深度hd；1 74 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 根据嵌固支承单支点板桩的特点，在桩底某一位置以下的弯矩为零，如该点位于D点，则由下段板桩CD可求得h0。因为CD段桩上矩形部分的主动土压力相等，由MD=0得所以有 (1-33)由于实际桩前被动部压力较图1-24所示者小，按式（1-33）计算得到h0的偏小，故应增加入土深度h，h取0.2h0，因此板桩入土深度为(1-34)1 75 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容e.在剪力为零处求得Mmax；1 76 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容2)支撑（拉锚）系统的设计 一端固定在板桩上部的围檩上，支撑或拉锚的 另一端则支撑到基坑对面的板桩上，或固定到桩墙后的锚锭、锚座板上。支撑(或拉锚)的单位长度反力Tc1（沿板墙）：可通过板墙部分的计算 求得，KN/m；根据支撑或拉锚布置的间距，即可求得每一支撑或拉锚的轴力。如果支撑长度过大，则应在支撑中央设置竖撑，防止支撑在自重作用下挠度过大引起附加内力。1 77 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 拉锚长度计算：应保证锚锭或锚座板位于它本身引起的被动土楔滑移线、板桩位移引起的主动土楔滑移线和静土楔滑移线之外的阴影区内。1 78 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容式中 L拉锚最小长度；h基坑深度；hc1对自由支承板桩，取板桩入土深度；对嵌固支承板桩，取基坑底至反弯点的距离；h1锚碇底端至地面的距离；土的内摩擦角。a.b.拉锚的最小长度，按下列a.、b.两式计算结果取较大值（1-35）1 79 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容3）围檩的计算 围檩计算的受力简图：围檩 主要材料型钢：槽钢、工字钢、H型钢、等：按简支梁计算现浇混凝土结构 ：按连续梁计算1 80 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（2）板桩墙的施工 本处介绍钢板桩的施工方法，通常钢板桩，有三种打桩方法：1)单独打入法：每块钢板桩逐块插打，施工简便，易向一边倾斜、墙面平直度 差。一般在钢板桩长度不大(小于10m)、工程要求不高时采用。2)围檩插桩法：用围檩支架作板桩打 设导向，按阶梯型逐渐将板桩一块 块打入设计标高。此法优点是可以 保证平面尺寸准确和钢板桩垂直度，但施工速度慢，不经济。围檩拉森钢板桩（小止口连接）1 81 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容3)分段复打桩（屏风法）：将1020块钢板桩组成的施工段沿单层围檩插入土中一定深度形成较短的屏风墙，先将其两端的两块打入，严格控制其垂直度，打好后用电焊固定在围檩上，然后将其他的板桩按顺序以1/2或1/3板桩高度打入。此法可以防止板桩过大的倾斜和扭转，防止误差积累，有利实现封闭合拢，且分段打设，不会影响邻近板桩施工。1 82 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容钢板桩的拔出：地下工程施工结束后，钢板桩应拔出重复使用。钢板桩的拔除须考虑：选择正确拔除方法、拔除顺序；板桩拔出时带土所引起的土体变形，对周围环境造成危害，必要的注浆填充等方法。板桩的打桩锤设备有两类：振动电动振动锤、液压夹紧设备锤击柴油打桩锤1 83 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容四、降水基坑(或沟槽)开挖的水源：土壤含水层被切断后地下水渗入坑内；雨季施工时，地面水也会流入坑内。基坑降水的目的：保证基础工程施工的正常进行；防止边坡塌方，防止地基承载能力的下降。降水方法：重力降水（如集水井、明渠等）；强制降水（如轻型井点、深井泵、电渗井点等）。土方工程中较多采用 集水井降水和轻型井点降水。1 84 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（一）集水井降水 施工方法：在基坑或沟槽开挖时，在坑底设置集水井，并沿坑底的周围 或中央开挖排水沟，使水在重力作用下流入集水井内，然后 用水泵抽出坑外。1 85 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 集水井降水的要求：l四周的排水沟及集水井，应设置在基础范围以外、地下水流的上游；l基坑面积较大时，可在基础范围内设置盲沟排水；l根据地下水量、基坑平面形状及水泵能力，集水井每隔 20 40 m设置一个；l集水井的直径或宽度，一般为 0.6 0.8 m；l集水井深度随挖土而加深，底部低于挖土面 0.7 1.0 m；l基坑开挖完成，井底应低于坑底 1 2 m，并铺设碎石滤水层；l做好较坚固的井壁。集水井降水方法比较简单、经济，对周围影响小，因而应用较广。1 86 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（二）、井点降水 井点降水：预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管（井），在基坑开挖前和开挖中，利用真空原理，不断抽出地下水，使地下水位降到坑底以下。1井点降水的作用防止地下水涌入坑内（图1-29a）；防止边坡由于地下水的渗流而引起塌方（图1-29b）；消除地下水位差引起的压力、防止了坑底的管涌（1-29c）；减少了板桩的横向荷载（图1-29d）；改变了地下水向外渗流，杜绝了流砂的出现（1-29e）；降低地下水位后，还能使土壤固结，增加地基的承载能力。1 87 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容1 88 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容降水前，积水状况降水后，干枯状况1 89 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容2流砂的成因与防治 流砂现象：土随着水的渗出 堆积在外，影响基础施工的正常进行、导致周 围的土体变形。产生原因：是水在土中渗流所产生的动水压力 对土体作用的结果。1 90 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 动水压力GD：地下水的渗流对单位土体内骨架产生的压力；GD与单位土体内渗流水受到土骨架的阻力 T 大小相等、方向相反；水在土体内从A向B流动，长度为L、横截面积为F，AB之间的水头差为HA-HB 。土体的重量和所受浮力的反力之和为 w L F，土体骨架对渗流水的总阻力为 TLF。1 91 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容（1-36）由此，动力水压GD的大小与水力坡度成正比，即水位差HA-HB愈大，则GD愈大；而渗透路程L愈长，则GD愈小。于是式中，负号表示GD与所设水渗流时的总阻力T的方向相反，即与水的渗流方向一致。1 92 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 流砂产生的力学条件：当水流在水位差的作用下，动水压力不但使土粒受到了水的浮力，而且还受到向上动水压力的作用。如果压力等于或大于土的浮重度，即 GD ，则土粒失去自重，处于悬浮状态；当土的抗剪强度等于零，土粒能随着渗流的水一起流动。流砂产生的土质条件：细颗粒、均匀颗粒、松散及饱和的土，流砂现象经常在细砂、粉砂及粉土中出现。流砂的防治方法：水下挖土法、冻结法、枯水期施工、抢挖法，加设支护结构，井点降水（根除流砂的有效方法）。1 93 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容3井点降水法的种类 井点有两大类：轻型井点、管井类。井点降水选择：土的渗透系数、降水深度、设备条件及经济比较等因素。实际工程中，一般轻型井点应用较为广泛。下面介绍轻型井点降水。1 94 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容4轻型井点降水 （1）一般轻型井点设备：“管路系统、抽水设备”组成。1 95 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 管路系统包括：滤管、井点管、弯联管及总管等。滤管：长1.01.5m、直径38mm或 51mm的无缝钢管；管壁钻有直径为1219mm 的滤孔；构造如图；滤管上端与井点管连接。1 96 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容井点管：为直径38mm或51mm、长57m的钢管；井点管上端用弯联管与总管相连。集水总管：为直径100127mm的无缝钢管，每段长4m，与井点管连结的短接头，间距0.8m或1.2m。1 97 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 抽水设备包括：真空泵、离心泵和水气分离器等。水气分离器（集水箱）工作原理：开动真空泵，空气由上部真空泵排出，使水气分离器内部形成真空度；土中的水分和空气受真空吸力作用而吸出，进入水气分离器；当分离器内的水达到一定高度，开动离心泵、水经离心泵排出。1 98 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 轻型井点设备的工作原理简图：1 99 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 （2）轻型井点布置和计算水文地质资料工程要求设备条件 地下水含水层厚度，承压或非承压水及地下水变化情况，土体性质、渗透系数，不透水层位置，等；基坑（槽）形状、大小，开挖深度；井管长度，泵的抽吸能力等。井点设计依据 轻型井点设计内容高程布置：确定井点布置形式、总管长度、井点管数量、水泵数量及位置、等；平面布置：确定井点管的埋设深度。轻型井点降水的设计步骤：确定平面布置 高程布置 计算井点管数量等 调整设计。1 100 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 1）确定平面布置方案：单排布置，双排布置，环形布置、或 U形布置。1 101 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 单排布置：适用于基坑、槽宽度小于6m，且降水深度不超过5m的情况；井点管应布置在地下水的上游一侧；两端延伸长度不宜小于坑、槽的宽度。双排布置：适用于基坑宽度大于6m或土质不良的情况。环形布置：适用于大面积基坑。U形布置，井点管不封闭的一段、应设在地下水的下游处。1 102 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 2）高程布置 确定：井点管埋深 滤管上口至总管埋设面的距离。1 103 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 高程布置的计算公式：h h1 +h +i L 式中 h 井点管埋深（m）；h1 总管埋设面至基底的距离（m）；h 基底至降低后的地下水位线的距离（m），一般取0.51m；L 井点管至水井中心的水平距离，（m）当井点管单排时，为井点管至对边坡脚的水平距离；i 水力坡度，i 的取值按照：单排布置时 i=1/4 1/5；双排布置时 i=1/7；环形布置时 i=1/10 。当井点管为1 104 土木施工工程学 第一章 土方工程课程内容 上述计算结果，应满足下式：h hpmax 式中 hpmax 为抽水设备的最大抽吸高度，一般轻型井点的hpmax为67m。上述计算结果，如出现：h hpmax 时，a)当计算结果 h 略大于 hpmax、且地下水位