環(huán)境工程施工土石方工程

環(huán)境工程施工土石方工程第一頁，共六十頁，2022年，8月28日環(huán)境工程專業(yè)課程《環(huán)境工程施工》(40學(xué)時)主要內(nèi)容土石方工程與地基處理施工排水鋼筋混凝土工程水工程構(gòu)筑物施工室外管道工程施工管道的特殊施工工程施工組織與管理第二頁，共六十頁，2022年，8月28日主要參考書目1.張勤主編.《水工程施工》（教學(xué)教材）中國建筑工業(yè)出版社，2005年

2.鄭達謙主編.《給水排水工程施工》（第三版）中國建筑工業(yè)出版社，1998年6月3.孫連溪主編.《實用給水排水工程施工手冊》中國建筑工業(yè)出版社，1998年7月4.國家標準，《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB50268-97），中國建筑工業(yè)出版社，1998

第三頁，共六十頁，2022年，8月28日第一章土石方工程與地基處理

土石方工程是水工程施工中主要項目之一。土石方工程施工內(nèi)容：土方開挖、地基土處理、土方回填等。

一、土方工程施工特點1、影響因素多1）土方的種類多大小不同；承載力不同；密實度不同；開挖難度不同2）土方成分復(fù)雜有機物不同；無機物組成不同；含水量不同3）人類活動第四頁，共六十頁，2022年，8月28日2、施工條件復(fù)雜1）地形平地；低坡度地；高坡度地；河道；水庫、湖泊、海洋2）地物建筑物、構(gòu)筑物；各類管線；人行道、公路、鐵路3）水文地下水影響4）地質(zhì)不同類型5）氣候雨季；旱季；夏季；冬季

第五頁，共六十頁，2022年，8月28日3、量大、面廣1）管溝槽開挖2）基坑開挖3）人防工程4）水下開挖第六頁，共六十頁，2022年，8月28日4、勞動強度大、費時多1）人工開挖2）機械開挖3）爆破開挖第七頁，共六十頁，2022年，8月28日5、質(zhì)量要求高1）斷面形式2）開挖的長、寬、高3）開挖的位置4）開挖的高程5）土方的穩(wěn)定性6）槽、坑底的承載力第八頁，共六十頁，2022年，8月28日二、土石方工程施工前期要求1、收集必要的資料；2、做好施工方案；3、做好勞動力、機械準備；4、做好可能出現(xiàn)的各種不利施工條件下預(yù)防措施——人、材、物。此外在給水排水管道和構(gòu)筑物工程施工中，常常會遇到一些軟弱土層，不能滿足要求時，就需要采用合理、有效和經(jīng)濟的施工方案，對地基進行加固或處理。本章就圍繞土石方工程講解施工技術(shù)、方法、工序等內(nèi)容。

第九頁，共六十頁，2022年，8月28日§1-1土的工程性質(zhì)及分類

一、土（一）土的組成

巖石→風化→松散沉積物（土）1、組成——繪圖1）固相——礦物顆粒及有機質(zhì)（有害；帶負電荷)。構(gòu)成土骨架，土的主要成分，決定土性質(zhì)主要因素。按大小分為：見P3表1-1。2）液相——自由水（易流動、易蒸發(fā)，地下水），

薄膜水（受壓移動、易蒸發(fā)、具有毛細粘聚力，毛細水）

吸著水

帶正電荷（性質(zhì)接近固體、≥105℃蒸發(fā)、受壓不移動，結(jié)合水）第十頁，共六十頁，2022年，8月28日3）氣相——空氣、水蒸氣（對土力學(xué)性質(zhì)影響不大）因此，土具有碎散性、壓縮性、顆粒間可以相對移動性和透水性。見下圖1-1(a)實際土體(b)土的三相圖(c)各相的質(zhì)量與體積

第十一頁，共六十頁，2022年，8月28日2、計算1）土體積（m3）：V＝Vs＋Vv

Vs——土中固體顆粒體積（m3）；Vv——土中空隙體積（m3）Vv＝Va+Vw

土中空氣體積Va

、土中水的體積Vw2）土質(zhì)量（kg）：m＝ms＋mw

ms——土中固體顆粒質(zhì)量（kg）；mw——土中水質(zhì)量（kg）3）土重量（kN）：G＝Gs＋Gw

Gs——土中固體顆粒重量（kN）；Gs＝msg

Gw——土中水重量（kN）Gw＝mwg第十二頁，共六十頁，2022年，8月28日（二）土的固體顆粒1、顆粒級配

1）概念：d＝md/m（%）；土中各粒組相對含量百分比稱為顆粒級配。2)測定：篩分法（適用粒徑＞0.075mm）比重計法（適用粒徑＜0.075mm）2、顆粒級配曲線1）概念：根據(jù)土粒分析試驗結(jié)果，在半對數(shù)坐標紙上，以縱坐標表示小于某粒徑的土粒含量百分比，橫坐標表示粒徑（用對數(shù)坐標），繪出的光滑曲線。第十三頁，共六十頁，2022年，8月28日2）作用：判定土的均勻程度3）pg4圖1-1：曲線陡降，粒徑大小相差不大、土粒較均勻、級配不好。孔隙多曲線平緩，粒徑大小相差大、土粒不均勻、級配良好。孔隙少

第十四頁，共六十頁，2022年，8月28日3、土顆粒均勻程度指標——不均勻系數(shù)

1）概念Ku＝d60/d10D10——＜d土粒粒徑質(zhì)量累計百分比為10%時對應(yīng)的粒徑——有效粒徑

D60——＜d土粒粒徑質(zhì)量累計百分比為60%時對應(yīng)的粒徑——限定粒徑2）判定：Ku＞5時，土顆粒不均勻，級配良好Ku＜5時，土顆粒均勻，級配不好第十五頁，共六十頁，2022年，8月28日二、土的工程性質(zhì)（一）

土的質(zhì)量密度土的密度是單位體積土的質(zhì)量。公式:見pg6圖1-3通常砂土為：1.6～2.0×103kg/m3粘土和粉土為：1.8～2.0×103kg/m3（二）

土的重力密度（容重）由土的質(zhì)量產(chǎn)生的單位體積的重力稱為重力密度，簡稱為重度（單位為kN/m3）。

通常砂土為：16～20

kN/m3粘土和粉土為：18～20

kN/m3

第十六頁，共六十頁，2022年，8月28日（三）

土的相對密度ds（比重）土的相對密度是指土粒的密度與4℃時的純水密度之比。計算公式：ds＝ms/(Vs·ρW1)

ρW1—4℃時純水密度。通常土顆粒比重參考值見pg7表1-2（四）

土的含水量w——重點土的含水量是土中水的質(zhì)量與固體（土粒）質(zhì)量之比，由下式表示：

見pg7表示土的濕度指標之一。第十七頁，共六十頁，2022年，8月28日（五）

土的干密度ρd

干密度是土的固相質(zhì)量ms與土的總體積V

之比，可由下式表示：

見pg7一般為1.3～1.8×103kg/m3（六）

土的干重度γd（見pg7）

γd＝msg/V=ρdg（七）

土的飽和重度γsat土的飽和密度是當土的孔隙中全部為水所充滿時的密度，即全部充滿孔隙的水的質(zhì)量與固相質(zhì)量之和與土的總體積V之比，由下式表示：γsat＝(Gs＋γwVv)/V一般為18～23kN/m3

第十八頁，共六十頁，2022年，8月28日（八）

土的有效重度γ/

有效重度是扣除浮力以后的固相重力與土的總體積之比（又稱為浮重度），由下式表示：

式中γw為水的重度，純水在4℃時的重度等于9.81

kN/m3，在工程上常取為10kN/m3。在計算地下水位以下土層的自重應(yīng)力時應(yīng)當用有效重度。第十九頁，共六十頁，2022年，8月28日（九）

土的孔隙比e

——重點（見pg8）土的孔隙比是孔隙的體積Vv與固相體積Vs之比，以小數(shù)計，由下式表示：

孔隙比常用來評價土的緊密程度，或從孔隙比的變化推算土的壓密程度。通常e＜0.6密實，壓縮性??；e＞1.0疏松，壓縮性大。（十）

土的孔隙率n——重點土的孔隙率是孔隙的體積與土的總體積V

之比，即

第二十頁，共六十頁，2022年，8月28日（十一）

土的飽和度Sr土的飽和度Sr是指孔隙中水的體積與孔隙體積之比，常用百分數(shù)表示，即

通常Sr≤50%稍濕；50％～80％很濕；Sr＞80％飽和【例題1-1】已知土的試驗指標：土顆粒的容重g=18kN/m3，rs=2.7g/cm3和w=12％，求e,Sr

和gd

?！窘狻吭O(shè)土體積等于1，則土重力G＝gV＝18kN。第二十一頁，共六十頁，2022年，8月28日已知土粒的重力Gs

與水的重力Gw

之和等于土的重力G，即G＝Gs＋Gw

。水的重力Gw

與土的重力Gs之比等于含水量w，則Gw＝w×Gs＝0.12Gs，由此求得土粒的重力Gs＝16kN。土粒體積Vs

可由土粒的密度rs

和土粒的重力Gs

求得，其值為0.59m3，孔隙的體積Vv則為0.41m3，水的體積Vw

由水的重度

gw

和水的重力Gw

求得，其值為0.19m3。根據(jù)三相指標定義可計算孔隙比e，飽和度Sr

和干重度

gd

的數(shù)值：

第二十二頁，共六十頁，2022年，8月28日在實際工程計算中一般是先導(dǎo)出相應(yīng)的換算公式，然后直接用換算公式計算。第二十三頁，共六十頁，2022年，8月28日(十二)土的密實度——重點1、非粘性土（砂土、碎石土）——松密程度判別方法：1）天然孔隙比e用天然孔隙比e來表示砂土的密實度時，可能會因顆粒形狀而導(dǎo)致結(jié)果不正確。如：均粒密砂、e較大。不均粒的松散砂、e較小。密實度密實中密稍密松散礫石、粗砂、中砂e＜0.60.60≤e≤0.750.75＜e≤0.85e＞0.85細砂、粉砂e＜0.70.70≤e≤0.850.85＜e≤0.95e＞0.95第二十四頁，共六十頁，2022年，8月28日2）相對密實度（見pg9）計算砂土的相對密實度：

密實度密實中密松散相對密度Dr1.0～0.670.67～0.330.33～0第二十五頁，共六十頁，2022年，8月28日3）現(xiàn)場標準貫入試驗錘擊數(shù)利用質(zhì)量為63.5kg的穿芯錘，落距為76cm，直徑為42mm的觸探桿自由下落，將標準貫入器打入土層中15cm。以后，記錄每打入土中30cm的錘擊數(shù)。即為實測錘擊數(shù)N/

。當觸探桿長度超過3m時，應(yīng)乘以校正系數(shù)?，F(xiàn)場標準貫入試驗錘擊數(shù)：N＝aN/

結(jié)論：見pg9表1—4，N≤10松散；10＜N≤15稍密；15＜N≤30中密；N＞30密實。第二十六頁，共六十頁，2022年，8月28日2、粘性土(粉質(zhì)粘土、粘土)——軟硬程度

1）界限含水量粘性土四態(tài)

固態(tài)半固態(tài)塑態(tài)流態(tài)含水量

含少量吸著水含大量吸著水含薄膜水、少量自由水含大量自由水

感官

十分密實、不易分開較密實、外力作用下斷裂外力作用下不斷裂、只顆粒間摩擦力減力學(xué)情況

很好好較好極差（無強度）界限名稱

收縮界限可塑界限液性界限簡稱：縮限（ws）塑限（wp）液限（wL）界限確定

人工滾搓法錐式液限儀法第二十七頁，共六十頁，2022年，8月28日2）塑性指數(shù)Ip——粘性土分類概念：Ip＝wL－wp粘土Ip≥17；粉質(zhì)粘土（亞粘土）10≤Ip

＜17；輕亞粘土3≤Ip

＜103）液性指數(shù)IL

——粘性土軟硬指標液性指數(shù)IL

是表示天然含水量與界限含水量相對關(guān)系的指標，其表達式為：第二十八頁，共六十頁，2022年，8月28日可塑狀態(tài)的土的液性指數(shù)在0到l之間，液性指數(shù)越大，表示土越軟；液性指數(shù)大于1的土處于流動狀態(tài)；小于0的土則處于固體狀態(tài)或半固體狀態(tài)。粘性土狀態(tài)可根據(jù)液性指數(shù)IL

分為堅硬、硬塑、可塑、軟塑和流塑，見表所示。

表1-5按液性指數(shù)值確定粘性土狀態(tài)

IL值IL≤0

0<IL≤0.25

0.25<IL≤0.75

0.75<IL≤1.0

1.0<IL

狀態(tài)堅硬硬塑可塑軟塑流塑第二十九頁，共六十頁，2022年，8月28日【例題1-2】已知粘性土的密度rs

=2.75

g/cm3，液限為40％，塑限為22％，飽和度為0.98，孔隙比為1.15，試計算塑性指數(shù)、液性指數(shù)及確定粘性土的狀態(tài)?！窘狻扛鶕?jù)液限和塑限可求得塑性指數(shù)為18，土的含水量及液性指數(shù)可由下式求得IL

＞l，故此粘性土為流塑狀態(tài)。

第三十頁，共六十頁，2022年，8月28日(十三)土的可松性

土經(jīng)挖掘后，顆粒間的相互連接遭到破壞，挖掘后的回填土，其體積一般比開挖前的自然體積要增大些，這都是因為土具有可松性造成的。其大小用：最初可松性系數(shù)：K1=V2/V1V1——開挖前土的自然密實體積；

V2——開挖后土的松散體積；最后可松性系數(shù)：K2=V3/V1V3——壓實后土的體積。第三十一頁，共六十頁，2022年，8月28日K1用于計算挖方工程量的主要參數(shù)；K2用于計算填方工程量的主要參數(shù)；土的可松性系數(shù)可以參考pg16表1－11。以挖掘前的天然密實體積為準計算。土方體積折算表

虛方體積天然密實度體積夯實后體積松填體積1.000.770.670.831.301.000.871.081.501.151.001.251.200.920.801.00第三十二頁，共六十頁，2022年，8月28日（十四）土的壓實性

由于土中有孔隙，因此，土具有壓實性。通過施加外力——靜壓力、振動力、沖擊力，使土中的孔隙減少的過程，稱之為壓密。理論上講：絕對密實的土，承載力大，當然，土中應(yīng)不存在孔隙。事實上，這是辦不到的。因此，工程上用最大干密度ρdmax來表示。第三十三頁，共六十頁，2022年，8月28日1、最佳含水量（最優(yōu)含水量）

在對土進行壓密過程中，輸入一定壓實能量，導(dǎo)致土能達到最大干密度時的含水量，稱為最佳含水量（或最優(yōu)含水量）。思考題：為什么含水量的大小會影響土的壓密性？答：（1）含水量大。土中的水分排出困難，孔隙比較高，干密度較??；（2）含水量小。土中缺乏必要的潤滑，壓密能量消耗大，顆粒飛散，壓不實，干密度較小。當回填土中自然含水量高于最佳含水量時，應(yīng)在夯實前晾曬；當回填土中自然含水量低于最佳含水量2%時，應(yīng)在夯實前注水浸潤。第三十四頁，共六十頁，2022年，8月28日2、最大干密度

ρdmax在最佳含水量下，達到的最大密實度。最佳含水量和最大干密度可通過室內(nèi)擊實試驗確定。注意：加大擊實能量，最大干密度增大，最優(yōu)含水量減少。無擊實資料時：

ρdmax——壓實填土最大干密度；η—經(jīng)驗系數(shù)，粘土取0.95，粉質(zhì)粘土取0.96，粉土取0.97；ρw—水的密度；ds—土粒相對密度；wop—最優(yōu)含水量%，按當?shù)亟?jīng)驗或wp＋2，粉土取14～18。

對于，非粘性土ρdmax＝2.0～2.2×103kg/m3

第三十五頁，共六十頁，2022年，8月28日3、壓實系數(shù)λcλc=ρd/ρdmaxρd

——土的控制干密度；ρdmax——壓實填土最大干密度。一般要求：壓實系數(shù)達到0.94～0.96以上。

第三十六頁，共六十頁，2022年，8月28日(十五)土的力學(xué)狀況1、土的壓縮性地基土在壓力作用下體積減少的性質(zhì)。

1）土的壓縮量

Δh

Δh＝h·(e1－e2)/(1＋e1)式中：Δh——土的壓縮量；

h——土壓縮前的厚度；

e1——土壓縮前的孔隙比；e2——土壓縮后的孔隙比。第三十七頁，共六十頁，2022年，8月28日2）壓縮系數(shù)

α用來評價地基土壓縮性高低的指標α=Δe/Δp=(e1－e2)/(p2－p1)(MPa-1)用土的孔隙比與壓力曲線，e－p曲線求得。工程上：p1＝0.1MPa；p2＝0.2MPa當：α1-2＜0.1MPa-1時，屬低壓縮性土0.1MPa-1≤α1-2＜0.5MPa-1時，屬中壓縮性土α1-2≥0.5MPa-1時，屬高壓縮性土第三十八頁，共六十頁，2022年，8月28日3）壓縮模量

Es也可用來評價地基土壓縮性的高低土在完全側(cè)限條件下：Es=σz/εzσz——豎向附加應(yīng)力σz＝p2－p1εz——豎向應(yīng)變εz=(e1－e2)/(1＋e1)Es=(1＋e1)/α壓縮模量Es值越小，壓縮性越高工程上當：Es1-2＜4MPa時，屬高壓縮性土4MPa≤Es1-2＜15MPa時，屬中壓縮性土15MPa≤Es1-2＜40MPa時，屬低壓縮性土第三十九頁，共六十頁，2022年，8月28日2、土中應(yīng)力及其分布——重點1）土的自重應(yīng)力

σ

當沒有側(cè)向變形和剪切變形時，由于土體本身的質(zhì)量引起的土中應(yīng)力，稱為自重應(yīng)力。

（kPa）式中：n

——土層數(shù)；γi——第i土層的土重度；

hi——第i土層的土厚度；第四十頁，共六十頁，2022年，8月28日2）附加應(yīng)力

p構(gòu)筑物等荷載作用于土層或地基，導(dǎo)致土層或地基土產(chǎn)生應(yīng)力，這種荷載被稱作附加荷載，這種應(yīng)力稱為附加應(yīng)力。其分布和大小定性的講：某一深度的附加應(yīng)力為，距荷載作用點越遠，其值越小。荷載作用點下，不同深度的附加應(yīng)力為，其值隨深度的增加而減少。荷載作用點外，最大值出現(xiàn)在荷載影響線處，隨深度的增加或減少，其值減少。第四十一頁，共六十頁，2022年，8月28日3、土的抗剪強度土抵抗剪切破壞的能力。1）剪切試驗2）土的抗剪切強度（庫侖定律）

根據(jù)抗剪曲線圖（繪出）可得：砂土類土抗剪強度：τf=σtanφ（kPa）粘土類土抗剪強度：τf=σtanφ＋c（kPa）式中：σtanφ——土的內(nèi)摩擦力（kPa）；來源于：顆粒間的摩擦阻力和咬合力；σ——土的法向應(yīng)力（kPa）；φ——土的內(nèi)摩擦角（度）；tanφ——土的內(nèi)摩擦系數(shù)；c——粘性土的粘聚力（kPa）來源于：顆粒間天然膠結(jié)物的膠結(jié)作用和電分子引力。第四十二頁，共六十頁，2022年，8月28日要點（1）土的抗剪強度，隨剪切面上的正應(yīng)力（N）大小而變化；摩擦系數(shù)和內(nèi)摩擦角不變化；（2）砂性土的抗剪強度，由土的內(nèi)摩擦力組成；粘性土的抗剪強度，由土的內(nèi)摩擦力＋粘聚力組成；（3）粘性土的顆粒越細，塑性越大，粘聚力也越大。第四十三頁，共六十頁，2022年，8月28日4、土的邊坡和邊坡率n

我們研究土的抗剪強度的目的是：確定地基承載力、評價土的穩(wěn)定性。如何評價土的穩(wěn)定性？1）自然傾角（安息角）以干砂自由下落，自然堆放成，這就是穩(wěn)定性問題，由顆粒間的摩擦力形成的，稱α為安息角。完全松散的砂土：α≈φ

第四十四頁，共六十頁，2022年，8月28日2）邊坡在土方開挖時，為了保持土壁的穩(wěn)定性，人為地近似形成土的“安息角”，必須要挖成一定的斜坡，這個斜坡叫做邊坡。用1：n表示。3）邊坡率

n表示邊坡的陡緩用1：n；而n＝a/h稱為邊坡率。第四十五頁，共六十頁，2022年，8月28日4）邊坡選擇原則：根據(jù)土的性質(zhì)（φ、c），含水量、附加荷載情況、晾槽時間等確定。①砂土的邊坡緩，n值大；粘性土的邊坡陡，n值小。②含水量較大的土，應(yīng)留有較緩的邊坡，n值大。③槽上有附加荷載（堆土、其他荷載），應(yīng)留有較緩的邊坡，n值大或加支撐。④臨時性土方工程，可留較陡的邊坡，n值小。⑤溝槽越深，邊坡應(yīng)緩，n值大。特別是溝槽上部。⑥晾槽時間過久會引起槽壁坍塌，邊坡應(yīng)緩，n值大。⑦雨季進行土方開挖，應(yīng)留有較緩的邊坡，n值大或加支撐第四十六頁，共六十頁，2022年，8月28日（a）（b）（c）（d）圖1－2土方邊坡（a）直線邊坡；（b）不同土層折線邊坡；（c）不同深度折線邊坡；（d）階梯邊坡（c）第四十七頁，共六十頁，2022年，8月28日（十六）土的滲透性表示土的透水的性質(zhì)、滲水能力。其大小取決于土的結(jié)構(gòu)、顆粒大小形狀、粒徑級配狀況、土的密實程度、土的溫度等，還與膠質(zhì)顆粒的含量、水中電解質(zhì)含量有關(guān)。其值用滲透系數(shù)K表示。滲水量：Q＝KI·ω式中：Q——單位時間內(nèi)流過的水量；I——水力梯度；ω——土垂直于滲流方向的斷面積；滲流速度：v＝K·I。一般，K有實測求得。粘土類：K＜1（m/d）；砂土類：K＝1～100（m/d）；碎石類：K＞100（m/d）。第四十八頁，共六十頁，2022年，8月28日二、地基土的分類——簡述（一）按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》分類*巖石

按其堅固性分：硬質(zhì)巖石（花崗巖、石英巖、石灰?guī)r等）抗壓強度≥30MPa；

軟質(zhì)巖石（頁巖、粘土巖、云母片巖等）抗壓強度＜30MPa；按風化程度分：微風化（巖質(zhì)新鮮，稍有風化跡象）

中等風化（巖體分為塊狀，鎬難挖掘）強風化（巖體分為碎石狀，鎬可挖掘）第四十九頁，共六十頁，2022年，8月28日*碎石土按粒徑級配分：漂石、塊石；卵石、碎石；園礫、角礫。見表1—6，pg10按密實度分：密實、中密、稍密、松散。見表1—4，pg9*砂土按粒徑級配分：礫砂、粗砂、中砂、細砂、粉砂。見表1—7，pg11按密實度分：密實、中密、稍密、松散。見表1—4，pg9第五十頁，共六十頁，2022年，8月28日*粘土按塑性指數(shù)Ip分：粉土Ip≤10；粉質(zhì)粘土10＜Ip≤17；粘土Ip＞17。按密實度分：密實、中密、稍密、松散。按液性指數(shù)IL分堅硬IL≤0硬塑0＜IL≤0.25可塑0.25＜IL≤0.7