01第一章土方工程

第一章土方工程概述土方量计算与调配土方开挖的辅助工作土方工程机械化施工土方填筑第一节概述一、土方工程的分类、特点1、施工分类主要：场地平整；坑、槽开挖；土方填筑。辅助：施工排、降水；土壁支撑。2、施工特点（1）量大面广；（2）劳动强度大，人力施工效率低、工期长；（3）施工条件复杂，受地质、水文、气侯影响大，不确定因素多。3、施工设计应注意（1）摸清施工条件，选择合理的施工方案与机械；（2）合理调配土方，使总施工量最少；（3）合理组织机械施工，以发挥最高效率；（4）作好道路、排水、降水、土壁支撑等准备及辅助工作；（5）合理安排施工计划，避开冬、雨季施工；（6）制定合理可行的措施，保证工程质量和安全。二、土的工程分类按开挖的难易程度分为八类一类土（松软土）、二类土（普通土)三类土（坚土）、四类土（砂砾坚土）——机械或人工直接开挖五类土（软石）、六类土（次坚石）七类土（坚石）、八类土（特坚石）——爆破开挖三、土的工程性质1、土的可松性：自然状态下的土经开挖后，体积因松散而增加，以后虽经回填压实，仍不能恢复。最初可松性系数KS=V2/V11.08~1.5最后可松性系数KS’=V3/V11.01~1.3V1——土在自然状态下的体积。V2——土经开挖后松散状态下的体积。V3——土经回填压实后的体积。用途：开挖、运输、存放，挖土回填，留回填松土。2、土的渗透性土体被水透过的性质，用渗透系数K表示。K的意义：水力坡度（I=Δh/L）为1时，单位时间内水穿透土体的速度（V=KI）LΔh•K的单位：m/d。•粘土0.1，•粗砂50~75，•卵石100~200•用途：降低水位方法，回填。3、土的质量密度：天然密度：一般=16~20KN/m3干密度d：是检测填土密实程度的指标。（105℃，烘干3~4h）4、土的含水量：天然含水量W=（G湿-G干）/G干——开挖、行车（25~30%陷车）、边坡稳定最佳含水量——可使填土获得最大密实度的含水量（击实试验、手握经验确定）。第二节土方量计算与调配一、基坑、基槽、路堤土方量计算1、基坑土方量：按拟柱体法——V=(F下+4F中+F上)H/6F下HHI－IFi2、基槽（路堤）土方量：沿长度方向分段计算Vi，再V=Vi断面尺寸不变的槽段：Vi=Fi×Li断面尺寸变化的槽段：Vi=(Fi1+4Fi0+Fi2)Li/6槽段长Li：外墙——槽底中～中，内墙——槽底净长IIL2L1L5二、场地平整土方量方格网法、累高法＋平均断面法（一）确定场地设计标高考虑的因素：(1)满足生产工艺和运输的要求；(2)尽量利用地形，减少挖填方数量；(3)争取在场区内挖填平衡，降低运输费;(4)有一定泄水坡度，满足排水要求。场地设计标高一般在设计文件上规定，如无规定：(1)小型场地――挖填平衡法(2)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）1、初步标高（按挖填平衡）方法：将场地划分为每格边长10～40m的方格网，找出每个方格各个角点的地面标高（实测法、等高线插入法）。aaaaaaH11H12H21H22则场地初步标高：H0=（H11+H12+H21+H22）/4M•H11、H12、H21、H22——一个方格各角点的自然地面标高；•M——方格个数。•或：H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4M•H1－－一个方格所仅有角点的标高；•H2、H3、H4－－分别为两个、三个、四个方格共用角点的标高。2、场地设计标高的调整按泄水坡度、土的可松性、就近借弃土等调整。按泄水坡度调整各角点设计标高：LyLxixiyH0•(2)双向排水时，各方格角点设计标高为：LH11H0H0iH12H21Hn=H0L•iHn=H0LxixLyiy•(1)单向排水时，各方格角点设计标高为:Hn【例】某建筑场地方格网、地面标高如图,格边长a=20m。泄水坡度ix=2‰，iy=3‰，不考虑土的可松性的影响，确定方格各角点的设计标高。解：（1）初步设计标高（场地平均标高）H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4M=[70.09+71.43+69.10+70.70+2×（70.40+70.95+69.71+…）+4×（70.17+70.70+69.81+70.38）]/（4×9）=70.29（m）70.0970.09（2）按泄水坡度调整设计标高：Hn=H0LxixLyiy；H1=70.29－30×2‰+30×3‰=70.3270.3270.3670.4070.4470.2670.3070.3470.3870.2070.2470.2870.3270.1470.1870.2270.26H0＝70.29•H2=70.29－10×2‰+30×3‰=70.36•H3=70.29+10×2‰+30×3‰=70.40•其它见图70.3270.3670.4070.4470.2670.3070.3470.3870.2070.2470.2870.3270.1470.1870.2270.2670.09（二）场地土方量计算1、计算各方格角点的施工高度hn：hn=Hn－Hn’即：hn=该角点的设计标高—自然地面标高（m）h1=70.32－70.09=＋0.23（m）；正值为填方高度。+0.23-0.04-0.55-0.99+0.55+0.13-0.36-0.84+0.83+0.43-0.10-0.63+1.04+0.56+0.02-0.44•h2=70.36－70.40=－0.04（m）；•负值为挖方高度70.3270.3670.4070.4470.2670.3070.3470.3870.2070.2470.2870.3270.1470.1870.2270.26+0.23-0.04-0.55-0.99+0.55+0.13-0.36-0.84+0.83+0.43-0.10-0.63+1.04+0.56+0.02-0.4470.092、确定零线（挖填分界线）插入法、比例法找零点零点连线h1003、场地土方量的计算：分别按方格求出挖、填方量，再求整个场地总挖方量、总填方量（1）四角棱柱体法1）全挖、全填格：V挖（填）=a2(h1+h2+h3+h4)/4h1~h4—方格角点施工高度绝对值V挖（填）—挖方或填方的体积。2）部分挖、部分填格：V挖（填）=a2[h挖（填）]2/4hh挖（填）—方格角点挖或填施工高度绝对值之和；h—方格四个角点施工高度绝对值总和。（2）四方棱柱体平均高度法（略）（3）三角棱柱体法（略）三、土方的调配：在施工区域内，挖方、填方或借、弃土的综合协调。1、要求：总运输量最小；土方施工成本最低。2、步骤：（1）找出零线，画出挖方区、填方区；（2）划分调配区注意：1）位置与建、构筑物协调，且考虑开、施工顺序；2）大小满足主导施工机械的技术要求；3）与方格网协调，便于确定土方量；4）借、弃土区作为独立调配区。B1A1A2A3A4B2B30000（3）找各挖、填方区间的平均运距（即土方重心间的距离）可近似以几何形心代替土方体积重心挖填B1B2B3挖方量A15070100500A2704090500A36011070500A48010040400填方量8006005001900划分调配区示例：•（4）列挖、填方平衡及运距表（5）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。n列填方量填挖B1B2B3挖方量A15070100500A2704090500A36011070500A480100404008006005001900m行400500500300100100•结果：所得运输量较小，但不一定是最优方案。•（总运输量97000m3-m)•（6）画出调配图（略）3、调配方案的优化（线性规划中—表上作业法）（1）确定初步调配方案（如上）要求：有几个独立方程土方量要填几个格，即应填m+n-1个格，不足时补“0”。如例中：m+n－1=3+4－1=6，已填6个格，满足。（2）判别是否最优方案用位势法求检验数ij，若所有ij0，则方案为最优解。1）求位势Ui和Vj：位势和就是在运距表的行或列中用运距（或单价）同时减去的数，目的是使有调配数字的格检验数为零，而对调配方案的选取没有影响。计算方法：平均运距（或单方费用）Cij=Ui+Vj设U1=0，挖填位势数B1B2B3位势数UiVjA15005070100A2705004090A33006010011010070A48010040040U1=0V1=50U3=10V2=100U2=－60V3=60U4=－20•U3=C31－V1=60－50=10；则V1=C11－U1=50－0=50；•V2=110－10=100；……2）求空格的检验数ijij=Cij–Ui–Vj;11=50－0－50＝0（有土）;结论：表中12为负值，不是最优方案。应对初始方案进行调整。-30+40+80+90+50+20•13=100－0－60＝40;挖填B1B2B3UiVjV1=50V2=100V3=60A1U1=0070100A2U2=-6070090A3U3=10000A4U4=-20801000位势数位势数5060110404070•求检验数表21=70－(－60)－50＝80;……12=70－0－100＝－304、方案调整调整方法：闭回路法。调整顺序：从负值最大的格开始。1)找闭回路沿水平或垂直方向前进，遇适当的有数字的格转弯，直至回到出发点。2）调整调配值从空格出发，在奇数次转角点的数字中，挑最小的土方数调到空格中。且将其它奇数次转角的土方数都减、偶数次转角的土方数都加这个土方量，以保持挖填平衡。填方量填挖B1B2B3挖方量A1500A2500A3500A44008006005001900400500500300100100X12(100)(0)(400)(400)3）再求位势及空格的检验数若检验数仍有负值，则重复以上步骤，直到全部ij≥0而得到最优解。+40+50+60+50+50U1=0V1=50V2=70U2=－30U3=10V3=60U4=－20位势数位势数挖填B1B2B3UiVjA1A2A3A4506011040407080100707010090+30000000由于所有的检验数ij≥0，故该方案已为最优方案。（5）求出最优方案的总运输量：400×50＋100×70＋500×40＋400×60＋100×70＋400×40＝94000m3·m。•（4）绘出调配图：（包括调运的流向、数量、运距）。A1A2A3A4B1B2B3m3m有借、弃土时的土方调配图第三节土方开挖的辅助工作一、降低地下水位（一）降水目的1、防止涌水、冒砂，保证在较干燥的状态下施工；2、防止滑坡、塌方、坑底隆起；3、减少坑壁支护结构的水平荷载。地下含水构造的种类滞水层不透水层潜水层不透水层承压水层不透水层（二）流砂现象1．动水压力――地下水在渗流过程中受到土颗粒的阻力，使水流对土颗粒产生的一种压力。动水压力的大小与水力坡度成正比，方向同渗流方向。GD＝Iγw=(Δh/L)γwQFGD流砂原因当动水压力大于或等于土的浸水重度（GD≥γ’）时，土粒被水流带到基坑内。主要发生在细砂、粉砂、轻亚粘土、淤泥中。3．流砂的防治减小动水压力（板桩等增加L）；平衡动水压力（抛石块、水下开挖、泥浆护壁）；改变动水压力的方向（井点降水）。2～5％排水沟集水井水泵（三）降排水方法1．集水井法（明排水法）――用于土质较好、水量不大、基坑可扩大者挖至地下水位时，挖排水沟→设集水井→抽水→再挖土、沟、井要求：（1）排水沟：沿基坑底四周设置，底宽≮300mm，沟底低于坑底500mm，坡度1％。（2）集水井：沿基坑底边角设置，间距20～40m，直径0.6~