土方工程2013

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。1 可松性 1

2、) 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12VVKS (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 13VVKS 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 sstwKKVVQ)(Vw Vt 例题 某场地的挖方体积为1000m3,填方体积为1500m3,ks=1.08,ks=1

3、.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) sstwKKVVQ)(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

4、（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

5、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。 第二节土方量的计算 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22113FFFFhV3231)(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

6、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(6201FFFLViiniiVV1 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

7、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 NHHHHaNaH1222112112204NHHHHHN4)(1222112110NHHHHH443243210 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(

8、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 VTVWhAWAT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 土的最终可松性系数； h 设计标高的增加值。 )(sWWTTkhAVhAV)1(sWTsWkAAkVh 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

9、，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反向则取“+”号，反之取“”号 yyxxnililHH041H1h1H1235 67891011 121314 15 16 ixiy 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

10、 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）。nnnHHh 零点确定公式：ahhhx2111ahhhx2122x2x1h2 h1h1h2h3h4o1o2零线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：41H1h1H1235 67891011 121314 15 16 ixiy 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 )(443212hh

11、hhaV)(821hhcbaV)(2(5143123hhhbcaV2161bchVh1 h2h3h4a全填全挖h1 h2h3h4bca两填两挖h1 h2h3h4bca三填一挖或 三挖一填 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 tTVVwWVV 图1-8 场地边坡计算简图

12、1）边坡三棱体体积 边坡三角棱体体积V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 221161hmlV42142lFFV22121mhF 23221mhF)4(620144FFFlV 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示，各角点编号及自然标高

13、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。NHHHHH443243210mH25.488 . 89 . 910.100 .1045. 91mH75.372 .930.95 .975.92mH7.93mH6 .94Ix=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=9.56; H6=9.62; H7=9.68; H8=9.54; H9=

14、9.6; H10=9.66; H11=9.72 mH56. 9546 . 947 . 9375.37225.480mH46.920%3 .020%2 .056.91mH52.920%2.056.929.58m200.3%200.2%9.56H3 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 0.01m9.459.46h1ahhhx2111mx83. 02023. 001. 001. 0mx65.172

15、004. 03 . 03 . 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 mx65.172004. 03 . 03 . 0mx67. 62016. 008. 008. 0mx41. 92018. 016. 016. 0 方格4589 V+=(20-2.352.35) /2(0.3+0.74+0.3)/5=106.46m3 V-=1/22.352.350.04/3=0.04m3 方格2356 V-=20(0.

16、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=159.76m3 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

17、，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

18、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 )(min11ijijnjmixcZ挖方 填方 T1 T2 Tl Tn挖方量(m3) W1X11c11X12c12X1jc1jX1nc1n W1 W2X21c21X22c22X2jc2jX2nc2n W2 . WiXi1ci1Xi2ci2.Xijcij.Xincin Wi . WmX

19、m1cm1Xm2cm2.Xmjcmj.Xmncmn Wm填方量(m3) T1 T2. Tj. TniniimiTW11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 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) W110015090 500 W21409040 400 W38013011

20、0 300 W41305080 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(m3) W110015090 500 W21409040 400 W380130110 300 W41305080 350填方量(m3) 500 600 450 1550 155035030040020025050Z1=100200+250150+5090+40040+3008

21、0+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LI = 0.1HH1h 抽水设备基坑中心线降水线LIhHH1 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 ; 1.6mlgxlgR73. 2MSkQ365kdlqqQ

22、n1 . 1nLD 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

23、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 Al 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（称动水压力）大小相等，方向相反，所以 GD= - T = - I w wlhhT21lh