绪论及土方工程上

1土木工程课程的课程体系第1页/共62页第一页，共63页。2课程特点：专业知识的运用与拓展内容多、课时少；论述多、推导少；图表数据多、计算少；各章间既独立、又关联；讲授施工经验多、生产体验少；在校学的内容多、深度浅；出去用的专、内容精；教与学：1、多媒体----照片、录象;2、知识----外延、贯通、启发、互动式;3、知识的贯通；过程的建立；专业信念之建立；安全意识的增强；第2页/共62页第二页，共63页。信息参考网页：筑龙网；土木在线；隧道网；学校网页（同济、重大等）期刊：建筑施工；施工技术，隧道工程，公路建设参考书籍：毛鹤琴主编：土木工程施工；穆静波主编：土木工程施工习题集3第3页/共62页第三页，共63页。信息参考规范：国标，行标（建设部、冶金部等）GB5007-2002:建筑地基基础设计规范GB50086-2001:锚杆喷射混凝土支护规范GB50202-2002:建筑地基基础工程施工质量验收规范JGJ120-99建筑基坑支护技术规程（建设部）JGJ94-94建筑桩基技术规范YB9258-97建筑基坑工程技术规范（冶金部）CECS96:97基坑土钉支护技术规程（工程建设标准化协会）4第4页/共62页第四页，共63页。考查和考试考试（百分制）60%平时成绩（百分制度）：40%；出勤率：32%（8周，16节课）准时率：8%（0.5分）5分钟作业:60%（优、良、一般、差）课堂表现：加分（5）5第5页/共62页第五页，共63页。6本章提要：土方问题；4学时关联学科；土力学、线性规划；工程机械1-1:土方工程概述（1.1，1.2）一、土方工程内容和施工特点二、土的分类三、土的工程性质1、土的含水量；2、土的可松性；3、土的渗透性4、土的休止角1-2:土方计算与调配（1.3场地开挖）一、基坑（槽）、管沟土方量计算二、场地平整土方量计算三、土方调配四、表上作业1-3:土方施工一、施工准备二、土壁稳定第一章土方工程第6页/共62页第六页，共63页。7本章提要：土方问题；4学时关联学科；土力学、线性规划；三、基坑开挖与支护四、施工降排水五、土方压实1-4:土方机械化施工

一、土方机械的主要性能二、土方机械的选择1-5：爆破工程一、爆破的基本知识；二、药包量计算三、爆破方法四、爆破安全措施第一章土方工程第7页/共62页第七页，共63页。81-1土方工程概述一、土方工程内容和特点常见类型：场地平整：设计标高、挖方量确定、土方调配、土方开挖：基坑（槽）及管沟开挖、地坪填土、路基填筑、隧道土方填筑：基坑回填、路基填筑等等。

施工过程：包括土或石的挖掘、填筑和运输等以及排水、降水和土壁支撑等准备和辅助过程。施工的特点：工程量大、劳动强度高；施工条件复杂；易受地区气候条件影响；场地受限。施工总的要求：根据工程自身条件，制定合理施工方案，尽可能采用新技术和机械化施工第8页/共62页第八页，共63页。9二、土的工程分类与鉴别在土方工程施工和工程预算定额中，根据土的开挖难易程度，将土分为松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚石等八类。前四类为一般土，后四类为岩石。1-1土方工程概述土的分类

土的名称

可松性系数

现场鉴别方法

KSK’s一类土(松软土)砂，亚砂土，冲积砂土层，种植土，泥炭(淤泥)1.08～1.171.01～1.03能用锹、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

1.14～1.281.02～1.05用锹、锄头挖掘，少许用镐翻松

表1.1土的工程分类与现场鉴别方法第9页/共62页第九页，共63页。10表1.1土的工程分类与现场鉴别方法土的分类

土的名称

可松性系数

现场鉴别方法

KSK’s三类土(坚土)软及中等密实粘土，重亚粘土，粗砾石，干黄土及含碎石、卵石的黄土、亚粘土，压实的填筑土

1.24～1.301.04～1.07要用镐，少许用锹、锄头挖掘，部分用撬棍

四类土(砂砾坚土)重粘土及含碎石、卵石的粘土，粗卵石，密实的黄土，天然级配砂石，软泥灰岩及蛋白石

1.26～1.321.06～1.09整个用镐、撬棍，然后用锹挖掘，部分用楔子及大锤

五类土(软石)硬石炭纪粘土，中等密实的页岩、泥灰岩、白垩土，胶结不紧的砾岩，软的石炭岩

1.30～1.451.10～1.20用镐或撬棍、大锤挖掘，部分使用爆破方法第10页/共62页第十页，共63页。11土的分类

土的名称

可松性系数

现场鉴别方法

KSK’s六类土(次坚石)泥岩，砂岩，砾岩，坚实的页岩，泥灰岩，密实的石灰岩，风化花;岗岩，片麻岩1.30～1.451.10～1.20用爆破方法开挖,部分用风镐七类土(坚石)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

1.30～1.451.10～1.20用爆破方法开挖

八类土(特坚硬石)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1.45～1.501.20～1.30用爆破方法开挖表1.1土的工程分类与现场鉴别方法第11页/共62页第十一页，共63页。12GB5007-2002建筑地基基础设计规范：6类（1岩石（坚硬、较坚硬、较软岩、软岩），2碎石类土、3砂土类、4粉土、5粘性土、6人工填土)塑性和成因其他特殊类土：冻土、湿陷性黄土、淤泥、膨胀土《土的分类标准》GBJ145-90（有机含量、塑性指标）土无机土巨粒土含巨粒土粗粒土细粒土有机土第12页/共62页第十二页，共63页。13三、土的工程性质

1、土的含水量（w）天然含水量土中水的质量与固体颗粒质量之比，以百分率表示：

式中，m1——含水状态时土的质量（kg）；

m2——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）。1-1土方工程概述注：土的含水量随天气和地下水流动有关，影响到土方边坡稳定、填方密实度、施工方法等第13页/共62页第十三页，共63页。141-1土方工程概述2、土的可松性：自然状态下的土经开挖后，内部组织破坏，其体积因松散而增加以后虽经回填压实仍不能恢复其原来的体积，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：式中：Ks—土的最初可松性系数；

Ks′

—土的最终可松性系数；

V

1—土在自然状态下的体积；

V

2—土挖出后的松散状态下的体积；

V

3—土经回填压实后的体积。3、土的休止角：指天然状态下的土体可以稳定的坡度。第14页/共62页第十四页，共63页。154、土的渗透性土体被水透过的性质，常用渗透系数K表示。渗透系数K：在水力坡度为1的渗流作用下，水从土中渗出的速度，它同土的颗粒级配，密实程度等有关。1-1土的分类和工程性质砂土的渗透实验第15页/共62页第十五页，共63页。16表1.2土的渗透系数参考表

土的名称

渗透系数(m/d)土的名称渗透系数(m/d)粘土

＜0.005中砂

5.0～20.0亚

粘

土

0.005～0.10均质中砂

35.0～50.0轻亚粘土

0.10～0.50粗砂

20～50黄土

0.25～0.50圆

砾

石

50～100粉砂

0.50～1.00卵石

100～500细砂

1.00～5.00第16页/共62页第十六页，共63页。17四、土方坡度直壁开挖

根据土方工程相关规范的规定：对于土质均匀且地下水位低于基坑（槽）底或管沟底面标高，开挖土层湿度适宜且敞露时间不长时，其挖方边坡可作成直壁，不加支撑，但挖方深度不宜超过下列规定：密实、中密的砂土和碎石土（充填物为砂土）-----1.00（m）硬塑、可塑的粉质粘土及粉土-------------------1.25（m）硬塑、可塑的粘土和碎石类土（充填物为粘性土）1.50（m）坚硬的粘土----------------------------------2.0（m）

式中，m=B/H为边坡系数。称为坡度系数第17页/共62页第十七页，共63页。18放坡

按规定坡度开挖：深度超过以上数值的基坑边坡，开挖时可按相应规范选取，对于5m以内基坑可按下表选取，对于山地条件较好深10米以内。超过10米，且土性变化的，其坡度可采取折形布置，见图

通过计算确定坡度：对地下水、开挖深度、荷载、土质复杂等开挖条件超过规范的规定时，可采用土力学原理计算边坡坡度。深度在5m以内的基坑（槽）、管沟边坡最陡坡度第18页/共62页第十八页，共63页。19

（a）（b）（c）（d）图1－40土方边坡(a)直线边坡；(b)不同土层折线边坡；(c)不同深度折线边坡；(d)阶梯边坡一、边坡工程影响边坡稳定的主要因素:1)坡度与土性2)雨水3)附近地表负荷4)时间采取的措施

1)放足坡度;2)加固和支撑放坡形式第19页/共62页第十九页，共63页。201-2土方量计算与调配一、基坑（槽）、管沟土方量计算基坑土方量的计算可近似按立体几何中拟柱体（由两个平行的平面做底的一种多面体）体积公式计算。

基槽和管沟在土方量计算时，可沿长度方向分段计算，将各段土方量相加，即得总土方量。

基坑土方量计算

基槽土方量计算

第20页/共62页第二十页，共63页。21共有三种方案选择1、先平整整个场地，后开挖基坑2、先开挖基坑（槽），后平整场地3、边平整场地，边开挖基坑（槽）二、场地平整施工方案三、场地平整土方量计算步骤1、在具有等高线图上，划分网格10m~40m2、计算各方格角点的自然标高3、设计场地标高和泄水坡度4、计算施工高度，各个挖填方角点的施工高度5、确定零线6、计算各个方格内土方量、边坡土方量，并汇总；第21页/共62页第二十一页，共63页。22二、

场地平整土方量计算场地平整土方量的计算思路根据给定的场地设计标高，以此标高为基准分别计算标高以下的填方量和标高以上的挖方量。l、初步确定场地设计标高H0（1）在具有等高线的地形图上将施工区域划分为边长a=10m～40m的若干方格如图所示；（2）确定各小方格的角点高程。可根据地形图上相邻两等高线的高程，用插值法求得。在无地形图的情况下，也可以在地面用木桩或钢钎打好方格网，然后用仪器直接测出方格同角点标高。

场地设计标高计算第22页/共62页第二十二页，共63页。23（3）按填挖方平衡原则确定设计标高；挖=填

场地设计标高计算

由右图可看出，H11只属于一个方格的角点标高，H12和H21则属于两个方格公共的角点标高，H22则属于四个方格公共的角点标高，它们分别在上式中要加一次、二次、三次、四次。因此，上式可改写成下列形式：

第23页/共62页第二十三页，共63页。24第24页/共62页第二十四页，共63页。25(4)．按最小二乘法确定场地最佳设计标高施工高度计算土方施工高度方差平方和：Pi—应用次数(1,2,3,4)最小二乘法求解：（1，挖=填，2，最小工程量）第25页/共62页第二十五页，共63页。26123456789101112131415点号xyzPPxPyPzPxxPxyPyyPxzPyzHPH1P12P23P3….nPn∑Pn∑Px∑∑∑∑∑∑∑--∑最小二乘法确定场地最佳设计标高计算表第26页/共62页第二十六页，共63页。27图1－5考虑土的可松性调整设计标高计算示意图(a)(b)H0’＝H0+Δh式中：Vw——按理论标高计算出的总挖方体积；

FW，FT——按理论设计标高计算出的挖方区、填方区总面积；

Ks’——土的最后可松性系数。2．场地设计标高的调整(1)土的可松性影响第27页/共62页第二十七页，共63页。28(2)场内挖方和填土的影响(场区上填筑路堤,H下降；挖河道、水池等H上升);(3)场地泄水坡度的影响;1）单向泄水时各方格角点的设计标高

Hn＝H0±li

(a)(b)

图1—6场地泄水坡度示意图

(a)单向泄水；(b)双向泄水

第28页/共62页第二十八页，共63页。291-2土方量计算2）双向泄水时各方格角点的设计标高

Hn＝H0±lxix±lyiy

(a)(b)

图1—6场地泄水坡度示意图

(a)单向泄水；(b)双向泄水

第29页/共62页第二十九页，共63页。30二、场地平整土方量的计算

4.场地平整土方量的计算一般采用方格网法。

（1）计算场地各方格角点的施工高度

式中，hn为角点施工高度，即挖填高度，以“＋”为填，“－”为挖；Hn为角点的设计标高；Hn′为角点的自然地面标高。（2）确定“零线”平面网格中，相邻两个零点相连成的一条折线，就是方格网中的挖填分界线——零线。

设h1为填方角点的填方高度，h2为挖方角点的挖方高度，O为零点位置。则O点与A点的距离为：

求零点的图解法BACODxah1h2第30页/共62页第三十页，共63页。31二、场地平整土方量的计算（3）计算方格挖填土方量零线求出后，场地的挖填区即随之标出，可按“四方棱柱体法”和“三角棱柱法”计算出各方格的挖填土方量。

全挖全填方格

两挖两填方格挖全填方格

三挖一填或三填一挖方格aaaaaah1h1h1h2h3h4h2h2h3h3h4h4四方棱柱体法。第31页/共62页第三十一页，共63页。32表1.3常用方格网点计算公式

项目图式计算公式一点填方或挖方(三角形)两点填方或挖方(梯形)三点填方或挖方(五角形)四点填方或挖方(正方形)第32页/共62页第三十二页，共63页。33二、场地平整土方量的计算(1)全挖全填式中a——方格边长(m)；

hl，h2，h3——三角形各角点的施工高度(m)，用绝对值代入。

按地形将方格划分成三角形三角棱柱体法第33页/共62页第三十三页，共63页。341-2土方量计算(2)有挖有填其中:锥体部分的体积为:楔体部分的体积为:第34页/共62页第三十四页，共63页。35

断面法。

（1）沿场地取若干平行断面，将每个断面分解成若干三角形和梯形（2）段面积求出后，各个段面之间的间距为l：即可取出土方体积；第35页/共62页第三十五页，共63页。361）

三角棱锥体边坡体积2）

三角棱柱边坡体积第36页/共62页第三十六页，共63页。37W1W2W3T1T2？？？？？？问题的实质：已知各挖土区和填土区的位置和土方量及各挖土区和填土区之间的运距，求各挖土区向各填土区调配的土方量是多少时，总的运输费用最低。四、土方调配第37页/共62页第三十七页，共63页。38土方调配的原则：应力求达到挖填平衡和运距最短的原则；考虑近期施工与后期利用相结合的原则；应采取分区与全场相结合来考虑的原则；应考虑与大型地下建筑施工相结合的原则；选择恰当的调配方向、运输路线，使土方机械和运输车辆的功效能得到充分发挥。第38页/共62页第三十八页，共63页。39求解方法：线性规划法中的“表上作业法”求解步骤（一）准备工作1、划分调配区2、计算调配区之间的平均运距（二）建立土方调配的数学模型1、土方平衡与运距表2、数学模型3、求解分析第39页/共62页第三十九页，共63页。40求解方法：线性规划法中的“表上作业法”（三）用“表上作业法”进行土方调配1、初始方案的确定----最小元素法2、方案是否最优的判别3、方案的调整（四）土方调配图的绘制第40页/共62页第四十页，共63页。41各调配区土方量和平均运距图2、平均运距的确定第41页/共62页第四十一页，共63页。423、土方施工单价的确定见图第42页/共62页第四十二页，共63页。43数学模型求一组xij的值，使目标函数为最小值，并满足下列约束条件

i=1,2,…,m

j=1,2,…,n

xij≥0

康-希问题：上世纪30年代康脱洛维奇提出，1941年希奇柯克又提出：第43页/共62页第四十三页，共63页。44（1）根据约束条件知道，未知量有m*n个，而方程数为m＋n个。由于填挖平衡，因此独立方程的数量实际上只有m+n-l个。见图（2）由于独立方程只有m+n-1个，而未知量有m*n个，无法计算。在求解线性规划问题时，可以先命m*n-（m+n-1）个未知量为零（可以任意假定。但为了减少运算次数，可以按照就近分配的原则，把运距较远或运费较大的那些未知量假定为零见图），这样就能够解出第一组m+n-1个未知量的值。这个解是不是最优解，还需要用检验数进行检验。如果在解中换一个未知量，能使求得的一组新解的目标函数下降，那么新解就比前一个解合理。这样一次次调整，直到使目标函数值为最小，此时的一组解就是最优解。求解分析第44页/共62页第四十四页，共63页。45（1）找出判据，确定是否最优？（2）如何优化？即如何调配？如何找到最优解？即，如何优化？S—为常数第45页/共62页第四十五页，共63页。461、计算检验数

λij=cij–ui-vj

（ui，vj----位势数；cij----单价）（有运方的方格检验数λij=0）2、最优方案的判别（1）求位势数列出初始方案中有调配数的方格的单价cij,，见图第一个位势数是任意给定的，但之后就是唯一解有运方的方格的检验数=0：由cij=ui+vj公式(λij=0)求位势数并列入表中见图；（2）只要出现负的检验数，就说明方案不是最优，需要进一步调整第46页/共62页第四十六页，共63页。47初始方案的确定——就近分配法（经验最低成本法）目标函数：Z=400×50+400×40+400×60+100×60+200×110+100×70+500×50=120000（m3·m）Cij第47页/共62页第四十七页，共63页。48求位势数由cij=ui+vj

求位势数ui

、vjv1=50u1=50-50=0u3=60-50=10v2=110-10=100v3=70-10=60u2=40-100=-60u4=40-60=-20Cij

λij=cij–ui–vj=0

λij=cij–ui–vj第48页/共62页第四十八页，共63页。49

第一步：在所有负检验数中选一个（一般可选最小的一个），本例中是λ12，把它所对应的变量x12作为调整对象。见图

第二步：找出x12的闭回路。其做法是：从x12格出发，沿水平与竖直方向前进，遇到适当的有挖填方量数字的方格作90º转弯，见图，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、用水平和竖直线联起来的闭合回路，见图。

第三步:从空格x12出发，沿着闭合回路（方向任意）一直前进，在各奇数次转角点的数字中，挑出最小运方量（最大运距对应的xij（本例中c32=110最大，它对应的x32=200）），将它由x32调到x12方格中，见图。

第49页/共62页第四十九页，共63页。50第四步：将“200”填入x12方格中，被调出的x32为0（该格变为空格）；同时将闭合回路上其它的奇数次转角上的数字都减去“200”，偶数次转角上数字都增加“200”，使得填挖方区的土方量仍然保持平衡。这样调整后，便可得到表中的新调配方案。第五步：对新调配方案，仍用“位势法”进行检验，看其是否是最优方案。如果检验数中仍有负数出现，那就仍按上述步骤继续调整，直到找出最优方案为止。

第50页/共62页第五十页，共63页。51第51页/共62页第五十一页，共63页。52表中所有检验数均为正号，故该方案为最优方案。Z=200×50+200×70+400×40+300×60+100×70+500×40=85000（m3·m）

最优土方调配方案的土方总运输量为：第52页/共62页第五十二页，共63页。53调配方案的注意事项：1、合理的调整方案不是唯一的。2、初始方案提出后，或者在调整方案中，有时也会出现无法继续判断和调整的情况。关键要确保：有运量的方格数=m+n-1,

不足补上（在无法填位势数的行和列上选择最小运距的方格中添上运距，该格的运量用0添入）多了消掉(闭回路法，消掉成本高的)第53页/共62页第五十三页，共63页。54二、运土——土方调配土方调配图第54页/共62页第五十四页，共63页。551-3土方工程施工准备与放线准备工作场地清理（拆迁、工农关系、）；地面（进、排）水排除；临时供电、供水、供气、燃料临时工棚临时道路设备试运转，调试施