第一章土方工程(1)

1、土木工程施工土木工程施工古老传统学科活力创新学科有成就感行业非常危险行业教学目的：教学目的： 通过学习使学生掌握土木工程施工的基本知识、基本理论和决策方法，使学生具有解决土木工程施工技术和施工组织计划问题的初步能力。通过本课程的教学实践环节，使理论联系实际，加深对本课程的理解，增强感性认识，提高动手能力。课程的重要性课程的重要性就业注册监理工程师、注册造价工程师、注册建造师建筑公司、房地产公司、监理、造价、咨询公司必须要掌握的课程深造（考研）土木类专业研究生综合考试必考内容报考工程管理类、施工类、结构工程（施工管理方向）必考课程土木工程施工土木工程施工施工技术施工技术施工组织（项目管理）施工组

2、织（项目管理）施工组织概论流水施工原理网络计划技术施工组织总设计单位工程施工组织设计土方工程 基础工程 砌筑工程 混凝土结构工程 预应力混凝土工程 结构安装工程 防水工程 装饰工程特殊工艺施工 土方工程包括土方工程包括: : 场地平整场地平整 修筑道路修筑道路人工开挖土方人工开挖土方机械开挖土方机械开挖土方基坑支护基坑支护基坑支护基坑支护基坑排水基坑排水基坑或管沟的开挖、回填基坑或管沟的开挖、回填土方工程土方工程土木工程施工中首先进行的一项重要内容，主要包括：场地清表、场地平整、基坑沟槽开挖、边坡开挖、路基填筑和基坑沟槽回填等主要工作；同时还包括排水、降水、边坡维护、基础支护等辅助工作。土方施

3、工特点：土方施工特点：l面广量大，劳动繁重：机械，或机械人工l施工条件复杂，露天作业，受自然环境影响大，地质情况不好探明l施工空间狭小，管线密集，周边建筑物高耸林里，对施工安全要求高土方施工一般要求：土方施工一般要求：l在施工前做好调查研究工作，如土的性质，地下水位情况，管线情况，气象水文等资料l根据工期、现场情况等制定详细的施工方案l做好土方的协调调配，尽量少占农田，缩短运距，避免二次倒运l尽可能采用机械化施工 按土开挖的难易程度将土分为：松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚硬石等八类土和普通土可直接用铁锹开挖(人工开挖），或用铲运机、推土机、挖土机施工（机械开挖）；坚土

4、、砂砾坚土和软石要用镐、撬棍开挖，或预先松土，部分用爆破的方法施工；次坚石、坚石和特坚硬石一般要用爆破方法施工。1.1 土的分类和性质土的分类和性质 土的类别土的级别 土的名称开挖方法及工具 一类土（松软土）砂；亚砂土；冲积砂土层；种植土；泥炭（淤泥）用锹、锄头挖掘 二类土（普通土）亚粘土；潮湿的黄土；夹有碎石、卵石的砂、种植土、填筑土及亚砂土用锹、锄头挖掘；少许用镐翻松 三类土（坚土）软及中等密实的粘土、重亚粘土、干黄土及含有碎石、卵石的黄土、亚粘土；压实的填筑土主要用镐，少许用锹、锄头挖掘，部分用锲子及大锤 四类土（砂砾坚土）重粘土及含有碎石、卵石的粘土；粗卵石；密实的黄土；天然级配的砂石

5、；软泥炭碳岩及蛋白石先用镐、撬棍，然后用锹挖掘，部分用锲子及大锤 五类土（软石）-硬石炭纪粘土；中等密实的页岩、泥岩；白垩土；胶结不紧的砾岩；软的石灰岩用镐或撬棍、大锤挖掘，部分用爆破方法 六类土（次坚石）-IX泥炭岩；砂岩；坚实的页岩、泥灰岩、密实的石灰岩；风化花岗岩、片麻岩用爆破方法开挖，部分用镐 七类土 （坚石）X-XIII大理岩；辉绿岩；玢岩；粗、中粒花岗岩；坚实的白云岩、砂岩、砾岩、片麻岩、石灰岩；风化痕迹的安山岩、玄武岩用爆破方法开挖 八类土 （特坚石）XIV-XVI安山岩；玄武岩；花岗片麻岩；坚实的细粒花岗岩、闪长岩、石英岩、辉长岩、辉绿岩、玢岩用爆破方法开挖 土的工程分类 土的

6、工程性质对土方施工方法的选择、劳动量和机械台班的消耗及工程费用等都有较大影响。u土的含水量u土的天然密度和干密度u土的可松性系数u土的渗透性土的工程性质土的工程性质土的含水量土的含水量 土的含水量：土中水的质量与固体颗粒质量之比的百分率式中： m湿 含水状态土的质量,kg； m干 烘干后土的质量,kg； mw 土中水的质量,kg； mS 固体颗粒的质量,kg.土的含水量随气候条件、雨雪和地下水的影响而变化，对土方边坡的稳定性及填方密实程度有直接的影响. 土的天然密度和干密度土的天然密度和干密度 土的天然密度: 在天然状态下，单位体积土的质量。它与土的密实程度和含水量有关。土的天然密度按下式计算

7、：式中:土的天然密度,kg/m3； m 土的总质量,kg； V 土的体积,m3.干密度: 土的固体颗粒质量与总体积的比值.用下式表示： 式中 d 土的干密度,kg/m3； mS 固体颗粒质量,kg；V 土的体积,m3. 在一定程度上,土的干密度反映了土的颗粒排列紧密程度.土的干密度愈大,表示土愈密实.土的密实程度主要通过检验填方土的干密度和含水量来控制.土的可松性系数土的可松性系数土的可松性：天然土经开挖后，其体积因松散而增加，虽经振动夯实，仍然不能完全复原，土的这种性质称为土的可松性。土的可松性用可松性系数表示， u最初可松性系数KS=V2 /V1 u最后可松性系数KS=V3 /V1 用途：

8、开挖、运输、存放，挖土回填，留回填松土 312VVV说明：（1）计算土方量：用天然密实土的体积 V1 （2）土方运输：用松土的体积 V2，考虑 KS （3）土方回填：用压实土的体积 V3 ，考虑 KS 土的类型KsKs一类土 1.08 1.171.01 1.03二类土 1.14 1.241.02 1.05三类土 1.24 1.30 1.04 1.07四类土 1.26 1.451.06 1.20 五类土 1.30 1.50 1.10 1.30 六类土 1.45 1.501.28 1.30土的可松性系数土的渗透性土的渗透性 土体孔隙中的自由水在重力作用下会产生流动,土体被水透过的性质称为渗透性.土

9、的渗透性是土的水力学主要性质之一.达西达西(H.Darcy)(H.Darcy)定律定律: :V=K V=K = K = KI I h1-h2h1-h2 L LL Lh h2 2h h1 1v vA AB B式中式中: : I= I= = - = -称为水力坡度称为水力坡度 ; ; K- K-渗透系数渗透系数(m/h,m/d) (m/h,m/d) 为一比例系数为一比例系数, , 当当 I =1.0I =1.0时时, V=K, V=Kh h1 1-h-h2 2 L L h h L L土的类型K (m/d)土的类型K (m/d) 漂石(无砂质充填) 500 1000 粉 砂0.5 1 卵 石 100

10、 500 黄 土0.25 0.5 砾 石 50 150 粘砂土0.1 0.5 粗 砂 20 50 轻砂粘土0.05 0.1 中 砂 5 20 重砂粘土0.001 0.05 细 砂 1 5 粘 土 0.001渗透系数K经验近似值1.2 土方量计算与调配土方量计算与调配一、基坑、基槽和路堤的土方量计算一、基坑、基槽和路堤的土方量计算 基坑土方量即可按拟柱体的体积公式式中 H基坑深度(m)； F1，F2基坑上下两底面积(m2)； F0F1与F2之间的中截面面积(m2)； )F4F(F6HV201当基槽和路堤沿长度方向断面呈连续性变化时其土方量可以用同样方法分段计算。式中 V1第一段的土方量(m3)；

11、 L1第一段的长度(m)； 将各段土方量相加即得总土方量，即： 式中 V1，V2Vn为各分段土的土方量(m3)。11102=(+ 4+)6LVFFF二、场地平整土方计算二、场地平整土方计算 对于在地形起伏的山区、丘陵地带修建较大厂房、体育场、车站等占地广阔工程的平整场地,主要是削凸填凹,移挖方作填方，将自然地面改造平整为场地设计要求的平面.场地挖填土方量计算一般采用方格网法.方格网法计算场地平整土方量步骤为：u读识方格网图u确定场地设计标高u计算场地各个角点的施工高度u计算“零点”位置，确定零线u计算方格土方工程量u边坡土方量计算u计算土方总量方格网图由设计单位(一般在1：500的地形图上)将

12、场地划分为边长a=1040m的若干方格,与测量的纵横坐标相对应,在各方格角点规定的位置上标注角点的自然地面标高(H)和设计标高(Hn),图1-3 方格网法计算土方工程量图u读识方格网图读识方格网图确定场地设计标高确定场地设计标高l考虑的因素考虑的因素l初步标高初步标高( (按挖填平衡按挖填平衡) )l场地设计标高的调整场地设计标高的调整u确定场地设计标高确定场地设计标高0(b) 场地设计标高示意图图1-2 场地设计标高计算示意图1aaaaaa(a) 方格网划分11H21H22H12Haaaaaa23H11H21H12H22H1等高线； 2自然平面； 3设计平面任一方格4个角点标高l满足生产工艺

13、和运输的要求；l尽量利用地形，减少挖填方数量；l争取在场区内挖填平衡，降低运输费；l有一定泄水坡度（一般取不小于2%0），满足排水要求.l场地设计标高一般在设计文件上规定，如无规定：A.小型场地挖填平衡法；B.大型场地最佳平面设计法(用最小二乘法，使挖填平衡且总土方量最小)。考虑的因素：考虑的因素：场地初步标高：场地初步标高：H H11 11、H H1212、H H2121、H H22 22 一个方格各角点的自然地一个方格各角点的自然地面标高；面标高； MM 方格个数方格个数. . 或：或： H H0=(0=(H1H1+2+2H H2+32+3H H3+43+4H H4)/44)/4MMH H

14、1 1一个方格所仅有角点的标高；一个方格所仅有角点的标高；H H2 2、H H3 3、H H4 4分别为两个、三个、四个方格共用分别为两个、三个、四个方格共用角点的标高角点的标高. .111221220()4HHHHHM初步标高初步标高(按挖填平衡按挖填平衡)2场地设计标高的调整：场地设计标高的调整：)(sWWsWTWWWKhFVKVVhFVV 挖方区有：挖方区有：hFVVTTT 填方区有：填方区有： )(sWTsWKFFKVh 1hHH 00考虑考虑泄水坡度、土的可松性泄水坡度、土的可松性、就近借弃土就近借弃土等进行调整等进行调整. .)(sWTsWKFFKVh 1场地设计标高的调整场地设计

15、标高的调整土的可松性挖方区有：挖方区有：填方区有：填方区有： hHH 00)(sWTsWKFFKVh 1按泄水坡度调整各角点设计标高按泄水坡度调整各角点设计标高( (如下图如下图) ) ： 单向排水时，各方格角点设计标高为单向排水时，各方格角点设计标高为: : 双向排水时，各方格角点设计标高为双向排水时，各方格角点设计标高为：0nHHli0nx xy yHHl il i场地设计标高的调整场地设计标高的调整 施工高度为角点设计地面标高与自然地面标高之差，是以角点设计标高为基准的挖方或填方的施工高度.各方格角点的施工高度按下式计算： 式中 hn-角点施工高度即填挖高度(以“+”为填，“-”为 挖)

16、，m； n-方格的角点编号(自然数列1，2，3，n). Hn-角点设计高程， H-角点原地面高程. 计算场地各个角点的施工高度计算场地各个角点的施工高度 方格边线一端施工高程为方格边线一端施工高程为“+”,+”,若另一端为若另一端为“-”,-”,则沿其边线则沿其边线必然有一不挖不填的点，即必然有一不挖不填的点，即“零点零点”计算计算“零点零点”位置，确定零线位置，确定零线零点位置零点位置 零点位置按下式计算：零点位置按下式计算： 式中式中 x1 x1、x2 x2 角点至零点的距离角点至零点的距离,m,m； h1 h1、h2 h2 相邻两角点的施工高度相邻两角点的施工高度( (均用绝对值均用绝对

17、值),m),m； a a 方格网的边长方格网的边长，m. m. 1. 1.全挖或全填全挖或全填: :V= (h1+h2+h3+h4)2.2.两挖、两填两挖、两填挖方 V1,2= ( + ) 填方 V3,4= ( + ) a a 4 4a a 4 4h h1 1 h h1 1+h+h4 4h h2 2 h h2 2+h+h3 3a a 4 4h h4 4 h h1 1+h+h4 4h h3 3 h h2 2+h+h3 3h3aah2h1h4h1h2h4aah3全挖(全填)方格两挖两填方格土方量计量土方量计量:常用的有两种方法：常用的有两种方法：四方棱四方棱柱体法柱体法或或三角棱柱体法三角棱柱体法

18、 3.3.三挖一填三挖一填( (或三填一挖或三填一挖): ):填方: V4=挖方: V1,2,3= (2h1+h2+2h3-h4)+V44.4.一挖一填一挖一填 挖方: V1= ah1 1 16 6a a 6 6h h4 4 (h(h4 4+h+h1 1)(h)(h4 4+h+h3 3) )a a 6 6h3aah2h1h4h1h2a三挖一填(或三填一挖)方格一挖一填方格a 将挖方区(或填方区)所有方格计算的土方量和边坡土方量汇总,即得该场地挖方和填方的总土方量。计算土方总量计算土方总量某建筑场地方格网布置图 在平整场地土方工程量计算完成后进行.编制土方调配方案应根据地形及地理条件，把挖方区和

19、填方区划分成若干个调配区，计算各调配区的土方量， 计算每对挖、填方区之间的平均运距(即挖方区重心至填方区重心的距离)，确定挖方各调配区的土方调配方案，应使土方总运输量最小或土方运输费用最少，而且便于施工，从而可以缩短工期、降低成本. 土方调配的原则：力求达到挖方与填方平衡和运距最短的原则；近期施工与后期利用的原则.进行土方调配，必须依据现场具体情况、有关技术资料、工期要求、土方施工方法与运输方法，综合上述原则，并经计算比较，选择经济合理的调配方案.调配方案确定后，绘制土方调配图如图1.9在土方调配图上要注明挖填调配区、调配方向、土方数量和每对挖填之间的平均运距.图中的土方调配，仅考虑场内挖方、

20、填方平衡.A为挖方，B为填方.三、土方调配三、土方调配三、土方调配三、土方调配 土方调配土方调配是土方工程施工组织设计是土方工程施工组织设计( (土方规划土方规划) )中的一中的一个重要内容，个重要内容，在平整场地土方工程量计算完成后进行在平整场地土方工程量计算完成后进行。编制土方调配方案应根据地形及地理条件，编制土方调配方案应根据地形及地理条件，把挖方区和把挖方区和填方区划分成若干个调配区填方区划分成若干个调配区，计算，计算各调配区的土方量各调配区的土方量，并计算每对挖、填方区之间的并计算每对挖、填方区之间的平均运距平均运距( (即挖方区重心至即挖方区重心至填方区重心的距离填方区重心的距离)

21、 )，确定确定挖方挖方各调配区的土方调配方案各调配区的土方调配方案，应应使土方总运输量最小或土方运使土方总运输量最小或土方运输费用最少输费用最少，而且便于，而且便于施工，从而可以缩短工期、降低成本。施工，从而可以缩短工期、降低成本。（一）调配原则（一）调配原则 应力求达到应力求达到挖、填平衡挖、填平衡和和运距最短运距最短的原则。的原则。 土方调配应考虑土方调配应考虑近期近期施工与施工与后期后期利用利用相结合相结合的原则。的原则。 土方调配应采取土方调配应采取分区与全场分区与全场相相结合结合来考虑的原则。来考虑的原则。 土方调配还应尽可能土方调配还应尽可能与大型地下与大型地下建筑物的建筑物的施工

22、相结合施工相结合，避免土方的重复挖、填和运输。避免土方的重复挖、填和运输。 合理布置挖、填方分区线，选择恰当的调配方向、运输合理布置挖、填方分区线，选择恰当的调配方向、运输线路，使土方机械和运输车辆的性能得到充分发挥。线路，使土方机械和运输车辆的性能得到充分发挥。 划分调配区划分调配区。在平面图上划出挖、填区的分界线，并在。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干调配区，确定调配区的大小和挖方区和填方区划出若干调配区，确定调配区的大小和位置。位置。 计算各调配区的土方量计算各调配区的土方量，并，并标于图上标于图上。 计算每对调配区的平均运距计算每对调配区的平均运距，即挖方区土

23、方重心至填方，即挖方区土方重心至填方区重心的距离，并将每一距离标于土方平衡与运距表中。区重心的距离，并将每一距离标于土方平衡与运距表中。 确定最优调配方案确定最优调配方案。先用。先用“最小元素法最小元素法”确定初始方案，确定初始方案，再用再用“位势法位势法”进行检查，是否总的运输量为最小值，进行检查，是否总的运输量为最小值，否则用否则用“闭回路法闭回路法”进行调整。进行调整。 绘制土方调配图绘制土方调配图，根据以上结果，标出调配方向、土方，根据以上结果，标出调配方向、土方数量及运距。数量及运距。 （二）调配步骤（二）调配步骤 调配方案确定后，绘制调配方案确定后，绘制土方调配图土方调配图( (如

24、下图如下图) )。在土方调配图上。在土方调配图上要注明要注明挖填调配区挖填调配区、调配方向调配方向、最终土方调配量最终土方调配量和和每对挖填之间的每对挖填之间的平均运距平均运距。WW为挖方，为挖方，T T为填方。为填方。最终土方调配量平均运距举例：举例：下图为一矩形广场，图中小方格的数字为各调配区的土方量，箭杆下图为一矩形广场，图中小方格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。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 1） 找出零线，画找出零线，画出挖方区、填方区。出挖方区、填方区。划分调配区。划分调配区。（2 2）找各挖、

25、填找各挖、填方区间的平均运距方区间的平均运距（即土方重心间的（即土方重心间的距离）。可近似以距离）。可近似以几何形心代替土方几何形心代替土方体积重心。体积重心。（3 3）列挖、填方平衡及运距表）列挖、填方平衡及运距表平均运距，记为平均运距，记为Cij （单位（单位m）W1到T1的调配量，记为Xij （单位（单位m3）（4 4）调配）调配 初始调配方案初始调配方案 方法：最小元素法就近调配。方法：最小元素法就近调配。 顺序：先从运距小的开始，使其土方量最大。顺序：先从运距小的开始，使其土方量最大。 先选先选C43=40，使，使X43为最大值为最大值400400，即，即W W4挖方区的土方挖方区的

26、土方全部调到了全部调到了T3填方区。则填方区。则X41 、 X42 都为零，在其方格内画都为零，在其方格内画上一个上一个“”号。号。 同理再选同理再选C22=40，使使X22为最大值为最大值500500，即，即W W2挖方区的挖方区的土方全部调到了土方全部调到了T2填方区。则填方区。则X21 、 X23 都为零都为零，在其方格，在其方格内画上一个内画上一个“”号。号。具体操作过程：具体操作过程：400500重复上面步骤，依次地确定其余重复上面步骤，依次地确定其余 Xij 数值数值 400500500300100100结果：结果：所得运输量较小，但不一定是最优方案。所得运输量较小，但不一定是最优

27、方案。 （总运输量总运输量= =（土方调配量（土方调配量平均运距）平均运距）=9700097000m3m) ) 法一法一: :位势法位势法 1 1）求求位势位势U Ui i和和V Vj j ：有调配数的方格开始有调配数的方格开始 Cij = Ui + Vj （ Cij 平均运距）平均运距）挖挖 填填位势数位势数T1T2T3位势数位势数Ui VjW1500 50 70 100W2 70 500 40 90 W3300 60 100 110100 70W4 80 100 400 40U1= 0V1=50U3=10V2=100U2=60V3= 60U4=20 设 U1=0，U3= C31V1=605

28、0=10；则V1= C11U1=500=50；V2=11010=100； （5 5）判别是否最优方案判别是否最优方案2）求检验数求检验数 ij， ij= Cij Ui Vj ，若，若所有所有 ij 0，则方案为最优解，则方案为最优解。 ij = Cij Ui Vj ; 11 = 500500; 13 = 100060 40; 21 = 70(60)50 80 ; -30+40+80+90+50+20挖挖 填填 T1T2T3 Ui VjV1=50V2=100V3=60W1U1=0070100W2U2=-6070 090 W3U3=10000W4U4=-2080100 0位势数位势数位势数位势数5

29、060110404070结论：表中结论：表中12为负值，非最优方案。应对初始方案进行调整。为负值，非最优方案。应对初始方案进行调整。（6 6）方案调整（闭回路法）方案调整（闭回路法）第一步，第一步，在所有在所有负检验数中选一个负检验数中选一个（一般可选（一般可选代数值最小代数值最小的一个的一个），本例中便是），本例中便是12 ，把它所对应的变量，把它所对应的变量X12作为调作为调整对象。整对象。第二步第二步，找出，找出X12的闭回路。的闭回路。 其作法是：从其作法是：从X12方格出发，沿水平与竖直方向前进，方格出发，沿水平与竖直方向前进，遇到适当的有数字的方格作遇到适当的有数字的方格作9090度转弯（也不一定转弯），度转弯（也不一定转弯），然后继续前进，如果路线恰当，有限步后便能回到出发然后继续前进，如果路线恰当，有限步后便能回到出发点，形成一条以有数字的方格为转角点的、用水平和竖点，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。直线联起来的闭回路。 第三步，第三步，从空格从空格X12出发，沿着闭回路（方向任意）一直前进，出发，沿着闭回路（方向任意）一直前进，在各奇数次转角点（以出发点为在各奇数次转角点（以出发点为0 0）的数字中，挑出一个最小）的数字中，挑出一个最小的（本例中便是在的（本例中便是在 X11 及及 X32 中选出中选出“100”10