第二章土方工程施工

1、第一章土方工程 本章教学目的：了解土方工程施工特点、 施工内容、主要施工机械，施工措施， 掌握土方量（土方体积）的计算方法。 主要内容： 1.土的工程性质 2.土方量计算及土方调配 3.土方边坡稳定土方工程施工排水 4.土方机械化施工 第一节 土的分类及性质 一.土的分类 1 、按地基土分类： 根据土的颗粒级配或塑性指数分六 类 岩石, 碎石土, 砂土 , 粉土 ,粘性土 , 人 工填土 2 土的工程分类：按施工的难易程度分八类 松软土 , 普通土 , 坚土 , 砂砾坚土, 软石 , 次坚石 , 坚石 , 特坚石 二. 土的性质 这里只讨论土的工程性质，即土的可松性、土的含水 量、土的渗透性。

2、 1 可松性 1) 定义 ： 自然状态下的土,经过开挖后,其体 积因 松散而增加,以后虽经回填压实,仍不能恢复到原来的 体积,其这种性质称为土的可松性 2)可松性的表示可松性系数 (1)最初可松性系数 Ks V2 开挖后土的松散体积 V1 土的自然体积 1 2 V V K S (2)土的最终可松性系数 Ks V3 土压实后的体积 V1 土的自然体积 1 3 V V K S 3)可松性的利用 （1）借土，弃土时应考虑土的可松性 Q借土或弃土的量，正表示弃土，负表示借土； Vt；Vw填或挖方的体积； Ks；Ks土的可松性 s s t w K K V VQ)( Vw Vt 例题 某场地的挖方体积为1

3、000m3,填方体积为 1500m3,ks=1.08,ks=1.03,问该场地是借土还是弃土? 若用运土量为5m3/车汽车运土,问应运多少车次 解:根据公式 Q=（1000-1500/1.03 )1.08= - 492.8m3 结果为负，故该场地应借土 运土的车次为 n=492.8/5=48(车次) s s t w K K V VQ)( (2) 由于可松性的存在,运土时应考虑工具的容量。 (3) 由于可松性的存在，原土结构受到破坏时不能用 原土回填。 再例：施工某基础工程，已知该基坑的尺寸为深X长X 宽1.5X4.0X3.5m,该基础处地基土的 Ks=1.05,Ks=1.02,地面以下基础体积

4、为7.50m3，问： （1）分层压实回填平至自然地面后，该基础工程 有无余土？（2）余多少？ 解（1）基坑体积V1=1.5X4X3.5=21.0m3 自然地面下基础体积V7.5 m3 回填压实体积V3=21-7.5=13.5m3 总挖出土体积V=21X1.05=22.05m3 回填用土体积V13.5/1.02X1.05= 余土体积VV （2）有余土。为： 2 土的含水量 1）定义：土中水的重量与土的固体颗粒重量之比称为土 的含水量。 2）表达式 = Ww / W 100% 式中： 土的含水量； Ww 土中水的重量； W 土中固体颗粒的重量； 3）应用 （1）填土时应考虑土的最佳含水量 （2）含

5、水量的高低对土的承载力和边坡的稳定性有影响。 3 土的渗透性 1）定义：土体孔隙中的自由水在重力的作用下 会透过土体而运动，土体这种被水透过的性质称 为土的渗透性。 2）表示 ：渗透系数 由达西定律知，渗透系数的物理意 义是：当水力梯度等于时的渗流速度。 ）应用 （）地下降水时计算涌水量应考虑渗透系数 的大小。 （）流砂的防治应考虑。 第三节土方量的计算 一基坑，基槽的土方量的计算 、基坑对于基坑土方量可按立体几何中的拟柱 体（由两个平行平面做上、下底的一种多面体） 体积计算，先计算上、下两个面的面积F1、F2， 再计算其体积。如图1-1示，计算公式为 或 2211 3 FFFF h V 32

6、 3 1 )(hmmhbmhahV 开挖深度； 、上下两个面的面积； a、b 底面的长度和宽； m 放坡系数。 图1-1 2 基槽 沟槽土方量可沿其长度方向分段（截面相同的 不分段）计算，先计算截面面积，再求长度， 累计各段计算土方量，如图1-2示，可按下式 计算 Vi 第i段的体积（m3）； F1、F2 第i段的两端面积（m2）； Li 第i段的长度； F0 第i段的中截面积； )4( 6 201 FFF L V i i n i i VV 1 图1-2 二 场地平整土方量计算 1 设计标高的确定（或称场地竖向规划） 确定方法：(1)场地规划控制标高; (2)场地自然标高加权平均法 （下面介绍

7、此法）； （3）最小二乘法。 场地整平常要求场地内的土方在平整前和平整后相等， 达到挖填土方量最平衡。即“填挖平衡”的原则确定设计 标高H0。如图1-3示。步骤如下： 1）在场区地形图上建立方格方格网，方格边长 a=1040m，与地形变化有关，常用a=20 m。 2） 根据等高线按比例求解各顶点的地面高程Hij或放线 实测Hij 。 3） 求解H0 图1-3 场地平整标高计算 1 等高线 2自然地坪 3设计标高平面 4自然地面与设计标高平面的交线（零线） 化简得 改写成 N HHHH aNaH 1 22211211 22 0 4 N HHHH H N 4 )( 1 22211211 0 N H

8、HHH H 4 432 4321 0 式中： H0达到挖填平衡的场地标高(m)； a方格网边长(m)； N方格数(个)； N11N22任一方格的四个角点的标高 (m); H11个方格共有的角点标高(m)； H22个方格共有的角点标高(m)； H33个方格共有的角点标高(m)； H44个方格共有的角点标高(m)。 2 H0的调整 1）考虑土的可松性影响 由于土有可松性，为了达到填挖平衡，则应把H0 提高h，如图1-4示 VT VW h AW AT 图1-4 标高调整简图 增加高度为： 式中： VT、VW 设计标高调整前的填挖方体积 AT、AW 设计标高调整前的填挖方面积； Ks 土的最终可松性系

9、数； h 设计标高的增加值。 )( sWWTT khAVhAV )1( sWT sW kAA kV h 2)考虑排水坡度后标高 H0为理论数值（即场地表面交处于同一个水平面），可 作施工粗略确定场地整平标高用，实际场地均有排水坡 度，如场地面积较大，有2%以上排水坡度，尚应考虑坡 度对设计标高的影响，以场地中心为基点，双向排水， 则场地内任一点实际施工时所采用的设计标高Hn，可由 下式求得 （如图1-5示） 式中： H0场地内任意一点的设计标高 ix iyx方向y方向的排水坡度(不小于2%) lx lyx，y方向至场地中心的距离 由场地中心点沿x，y方向指向计算点，若其 方向与ix iy反向则

10、取“+”号，反之取“”号 yyxxn ililHH 0 41 H1 h1 H1 2 3 5 67 8 91011 12 1314 15 16 ix iy 图1-5 方格网示意图 3 求各顶点的施工高度 式中： hn各顶点的施工高度，“+”为填方，“-” 为挖方 Hn各角点的设计标高 Hn各角点的自然标高 4 确定零线，即填挖的分界线 当一个方格内同时有填方与挖方时，要确定填挖的分界线 即“零线”。先确定零点，再把零点连起来得零线 （如图1-6）。 nnn HHh 零点确定公式： a hh h x 21 1 1 a hh h x 21 2 2 x2 x1 h2 h1 h1 h2 h3 h4 o

11、1 o2 零线 o1 图1-6 零点及零线的确定 5 土方量的计算 如图1-7示按零线通过的位置不同，方格可分为三 种类型，计算公式为“平均高度柱体体积计算” 即：41 H1 h1 H1 2 3 5 67 8 91011 12 1314 15 16 ix iy 图1-7 方格网示意图 零线 填 方 区 挖 方 区 1）全填或全挖 2) 两挖两填 3）三挖一填 或三填一挖 222 12 1,2 1423 4 hha V hhhh )( 4 4321 2 hhhh a V h1 h2 h3 h4 a 全填全挖 h1 h2 h3 h4 b c a 两填两挖 h1 h2 h3 h4 b c a 三填一

12、挖或 三挖一填 32 4 4 1434 6 ()() ha V hhhh 2 1,2,312344 (22) 6 a VhhhhV 6 求填挖方量 将所有的填方挖方累加起来即得总的填挖方量 7 边坡土方量的计算 在整平场地，修筑路基的边坡时，常需计算边坡 挖填土方量，系根据地形图和边坡竖向布置图或 现场测绘，将要计算的边坡划分为两种近似的几 何形体（图1-8），一种为三角棱体（如体积 、11）；另一种为三角棱柱体（如体积 ），然后应用几何公式分别进行土方计算，最 后将各块汇总，即得场地边坡总挖、填土方量 tT VV wW VV 图1-8 场地边坡计算简图 1）边坡三棱体体积 边坡三角棱体体积V

13、可按下式计算（例如图1-8中的） 2）边坡三棱柱体体积 （1）边坡三角棱柱体积V，可按下式计算（例如图1-8 中的 ） （2）当两端横截面面积相差很大时 2 211 6 1 hmlV 4 21 4 2 l FF V 2 21 2 1 mhF 2 32 2 1 mhF )4( 6 201 4 4 FFF l V 式中： V1、边坡三角棱体体积(m3)，其它的计算方 法相同; l1边坡的边长(m) m边坡的坡度系数； V4边坡三角棱体积(m3) l4边坡的长度(m) F1、F2、F0边坡两端及中部的横截面面积 8 土方计算实例土方计算实例 某场地平整利用方格网法计算其土方量a=20m， 如图1-9

14、示，各角点编号及自然标高如图示，场 地考虑双向排水，ix=0.2%，iy=0.3%（以5角点 为中心），不考虑土的可松性影响，试按填挖 平整的原则计算，该场地平整的土方量。 解：1.确定设计标高H0。 N HHHH H 4 432 4321 0 mH25.488 . 89 . 910.100 .1045. 9 1 mH75.372 .930.95 .975.9 2 mH7.9 3 mH6 .9 4 Ix=0。3% Iy=0。2% 图1-9 零线 零线 填 方 区 挖 方 区 2.考虑排水坡度影响，计算每个角点的计算标高 同理其余各角点的设计标高可计算出并标在图1-9 上 H4=9.5; H5=

15、9.56; H6=9.62; H7=9.68; H8=9.54; H9=9.6; H10=9.66; H11=9.72 mH56. 9 54 6 . 947 . 9375.37225.48 0 mH46.920%3 .020%2 .056.9 1 mH52.920%2.056.9 2 9.58m200.3%200.2%9.56H 3 3.计算各角点的施工高度 hn=Hn- Hn 式中hn为相应角点的挖或填高；Hn、Hn分别为 相应角点的设计标高和自然标高。 同理其它各角点的施工高度计算并标在图1-9上。 4.计算零点，找零线 利用公式 求零点距角点的距离。 12线 45线 mh01.045.9

16、46.9 1 a hh h x 21 1 1 mx83. 020 23. 001. 0 01. 0 mx65.1720 04. 03 . 0 3 . 0 59线 610线 1011线 把零点连成零线 5.计算土方量 方格1245 V+=20(0.83+17.65)(0.01+0.3)/8=14.32m3 V-=20(19.17+2.35)(0.23+0.04)/8=14.53m3 mx65.1720 04. 03 . 0 3 . 0 mx67. 620 16. 008. 0 08. 0 mx41. 920 18. 016. 0 16. 0 方格4589 V+=(20-2.352.35) /2(

17、0.3+0.74+0.3)/5=106.46m3 V-=1/22.352.350.04/3=0.04m3 方格2356 V-=20(0.23+0.42+0.04+0.08)/4=77 m3 方格56910 V+=1/2(17.65+13.32)20(0.3+0.16)/4=35.63m3 V-=20/8(2.35+6.67)(0.04+0.08)=2.71m3 方格671011 V+=1/6(13/339.41)0.16=3.35m3 V-=(202-13.339.41)(0.08+0.42+0.18)/5=37.34m3 总土方量 V+=14.32+106.46+35.63+3.35=159

18、.76m3 V-=14.53+77+0.04+2.71+37.34=131.62m3 三 土方调配 1 调配原则 1).填方、挖方基本平衡，减少运土 2).填、挖方量与远距的乘积之和尽可能小，使总的 运费最低 3).好土应用于回填质量要求高的区域 4).调配应与地下构筑物的施工相配合，地下设施的 挖土，应留土后填 5).选择恰当的调配方向及线路、避免对流与乱流现 象，同时便利调配、机械化施工 2 调配步骤 1).划分调配区。在平面图上划出挖、填区的分界线， 并在挖方区和填方区划出若调配区，确定调配区的大 小和位置 2).计算各调配区的土方量，并标于图上 3).计算每对调配区的平均运距，即挖方区

19、土方重心至填 方区重心的距离，并将每一距离Lij标于表1-1(土方平衡 与运距表)中 4).确定最优调配方案。这类问题是多元线性问题，只有 用运筹学的线性规划才能解决这种问题。基本方法是 “表上作业法”，即先用“最小元素非法”确定初始方 案，再用“位势法”进行检查总的运输量z是否为最小值， 否则用“闭回路法”进行调整 cij各调配区之间的平均运距(m)或单价（元/km）； Xij各调配区的土方量(m3)。 5).绘制土方调配图，根据以上结果，标出调配方向、土 方数量及运距 )(min 11 ijij n j m i xcZ 挖方 填方 T1 T2 Tl Tn挖方量(m3) W1 X11 c11

20、 X12 c12 X1j c1j X1n c1n W1 W2 X21 c21 X22 c22 X2j c2j X2n c2n W2 . WiXi1 ci1 Xi2 ci2 .Xij cij .Xin cin Wi . WmXm1 cm1 Xm2 cm2 .Xmj cmj .Xmn cmn Wm 填方量(m3) T1 T2. Tj. Tn i n i i m i TW 11 表1-1 土方平衡与运距表 3 例题 矩形广场各调配区的土方量如图1-10所示,相互之间的 平均运距见表1-2，试求最优土方调配方案。 W3 300 W4 350 T1 500 T2 600 T3 450 W1 500 W2

21、 400 图1-10 各调配区的土方量 解：（1）先将图1-10中的数值标注在填、挖方平衡及 运距 表1-2中 表1-2 填挖方平衡及运距表 挖方 填方 T1 T2 T3挖方量(m3) W1 10015090 500 W2 1409040 400 W3 80130110 300 W4 1305080 350 填方量(m3) 500 600 450 1550 1550 （2）采用“最小元素法”编初始调配方案，即根据对应于最小的Lij取最 大的xij值的原则初配， xij Wi Tjmin 。初始方案见表3-23 表表3-23 土方初始调配方案土方初始调配方案 挖方 填 方 T1 T2 Tl挖方量

22、(m3) W1 10015090 500 W2 1409040 400 W3 80130110 300 W4 1305080 350 填方量(m3) 500 600 450 1550 1550 350 300 400 200 25050 Z1=100200+250150+5090+40040+30080+35050=119500 m3m （3）用“位势法”检验 ）利用“位势法”求假想运距Lij = vi+uj ， 求检验数 ij = Lij (vi+uj) 若所有 ij 0 则方案最优， 若有 i j 0 则方案不优 ） 检验 检验结果见表1-3，从中可以知道22= -10 6m,用多级 L

23、I = 0.1 H H1 h 抽水设备 基坑中心线 降水线 LIhHH 1 B 涌水量的计算 水井种类: 无压完整井,无压非完整井,承压完整井,承压非完整井 承压完整井的涌水量 C 单根井管出水量q、井点管根数n和井点间距D计算 D 一般取0.8m; 1.2m ; 1.6m lgxlgR 73. 2 MS kQ 3 65kdlq q Q n1 . 1 n L D D 抽水设备的选择 一般选用真空泵,泵型用V5或V6型.采用V5型时,总管长度不 大于100m,井点管数为80个左右;采用V6型时,总管长度不大 于120m,井点管数为100个左右。 E 井点管的埋设与使用 埋设顺序： 先排放总管，再

24、埋设井点管，然后用弯联管 把井点管与总管连接，最后安装抽水设备。 使用中的正常出水规律是 “先大后小，先浑后清”。 3 流砂 1）定义 粒径很小，无塑性的土壤，在动水压力推动下， 极易失去稳定而随地下水一起涌入坑内，形成流砂现象。 2）原因：内因取决于土壤的性质，当土的孔隙度大含水量 大粘粒含量少粉粒多渗透系数小排水性能 差等均容易产生流砂现象。因此，流砂现象经常发 发生在细砂粉和亚砂土中；会不会发生流砂现象，还 应具备一定的外因条件，即地下水及其产生动水压力 的大小。 w h1A w h2AT l A l 土体脱离体 土体受力分析 h1 h2 地下水位线 设想不透水层 动水压力对土的影响 如图示，由于高水位的左端（水头高为h1）与低水位的右端（水 头高为h2）之间存在压力差，水经过长度为l，断面为的土体右左 向右渗流。作用于土体的力有： w h1A土体左断的总水压力，其方向与水流一致 w h2A土体右断的总水压力，其方向与水流相反 T l A土体颗粒对水的阻力（T为单位土体阻力） 由静力平衡条件得： w h1A w h2A T l A = 0 化简得 式中称 为水力梯度，以 I 表示，则上式可 写成 T = I w ，由于单位土体阻力与水在土中渗流时 对单位土体的压力GD（称动水