模块一土方工程

土方工程工程概述土方工程是建筑工程施工中主要的分部工程之一，它包括开挖、运输、填筑、平整与压实等主要施工过程，以及场地清理、测量放线、施工排水、降水和土壁支护等准备工作与辅助工作。常见的土方工程有场地平整，基坑(槽)与管沟的开挖，人防工程及地下建筑物的土方开挖，路基填土及碾压等。土方工程的工程量大，施工工期长，劳动强度大，施工条件复杂，又多为露天作业，施工受地区的气候条件、工程地质及水文地质条件的影响较大。因而，在施工前应根据本地区的工程地质、水文地质条件及施工期间的气候特点，制订合理的施工方案，实行科学管理，以保证工程质量，缩短工期，降低工程成本。知识目标♪掌握土的工程性质，掌握土方的种类和鉴别方法；♪熟悉土方工程量的计算；♪熟悉土方开挖前施工准备工作内容，掌握土壁支撑方法，能正确选择施工机械；♪了解土料填筑的要求，熟悉压实功、含水量和铺土厚度对填土压实的影响，掌握填土压实方法的技术要求；♪熟悉集水井降水法的施工工艺；♪熟悉土方工程施工的质量标准，掌握安全事故的预防措施。技能目标能够在施工现场熟练确定填土的最优含水量、确定土方工程的预留量与弃土量以及挖土运输车次，能够进行一般的地基处理，能够进行挖土施工机械的选择。工程导入本模块以哈尔滨某学院新图书馆土方工程为例，主要介绍土方工程的施工过程，并在之后介绍土方工程的质量标准与安全技术等内容。土方工程是建筑工程施工中的主要工种之一。土方工程施工包括土（石）的挖掘、运输、填筑、平整和压实等主要施工过程，以及排水、降水和土壁支撑等准备工作与辅助工作。土方工程量大，施工条件复杂，施工中受气候条件、工程地质条件和水文地质条件影响很大。哈尔滨某学院新图书馆为四层框架结构，建筑面积21000m2。本教材在模块一中对土方工程的具体施工过程以及施工要求进行介绍。1.1土的分类及工程性质•1.1.1土的工程分类•土的种类繁多，分类方法也很多，如根据土的颗粒级配（Particlesizedistribution）或塑性指数（Plasticityindex）分类；根据土的沉积年代分类；根据土的工程特点分类等。在土方工程施工中，根据土的坚硬程度（hardnessdegree）和开挖（excavation）方法将土分为松软土（softsoil）、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚石等八类。前四类属一般土，后四类属岩石（rock）,见表1-1。•1.1.2土的工程性质•1．土的组成•土一般由土颗粒(固相)、水(液相)和空气(气相)三部分组成，这三部分之间的比例关系随着周围条件的变化而变化，三者相互间比例不同，反映出土的物理状态不同，如干燥、稍湿或很湿，密实、稍密或松散。这些指标是最基本的物理性质指标，对评价土的工程性质，进行土的工程分类具有重要意义。•土的三相（tri-phasesoil）物质是混合分布的，为阐述方便，一般用三相图表示，见图1-1。在三相图（threephasediagram）中，把土的固体颗粒、水、空气各自划分开来。土的分类土的级别土的名称开挖方法及工具一类土(松软土)Ⅰ砂土；粉土；冲积砂土层；疏松的种植土；泥炭(淤泥)用锹、锄头挖掘，少许用脚蹬二类土(普通土)Ⅱ粉质黏土；潮湿的黄土；夹有碎石、卵石的砂；粉土混卵(碎)石；种植土及填土用锹、条锄挖掘，少许用镐翻松三类土(坚土)Ⅲ软及中等密实黏土；重粉质黏土；砾石土；干黄土及含碎石、卵石的黄土、粉质黏土；压实的填土主要用镐，少许用锹、条锄挖掘，部分用撬棍四类土(砂砾坚土)Ⅳ坚硬密实的黏性土或黄土；含碎石，卵石的中等密实的黏性土或黄土；粗卵石；天然级配砂石；软泥灰岩整个先用镐、撬棍，后用锹挖掘，部分用楔子及大锤五类土(软石)Ⅴ～Ⅵ硬质黏土；中等密实的页岩、泥灰岩、白垩土；胶结不紧的砾岩；软石灰及贝壳石灰石用镐或撬棍、大锤挖掘，部分用爆破方法六类土(次坚石)Ⅶ～Ⅸ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、片麻岩及丘长岩用爆破方法开挖，部分用风镐七类土(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；微风化的安山岩、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、角闪岩用爆破方法开挖表l-1土的工程分类图中符号：——土的总质量（kg）；——土中固体颗粒的质量（kg）；——土中水的质量（kg）；——土的总体积（m3）；——土中空气体积（m3）；——土中固体颗粒体积（m3）；——土中水所占的体积（m3）；——土中孔隙体积（m3）。2．土的工程性质（1）土的可松性（butlooseness）自然状态下的土经开挖后，其体积因松散而增加，以后虽经振动夯实，仍不能恢复原来的体积，这种性质称为土的可松性。土的可松性程度一般用可松性系数表示。最初可松性系数：12VVKp（式1-1）最终可松性系数：13'VVKp（式1-2）式中：KP——土的最初可松性系数；KP’——土的最终可松性系数；V1——土在自然状态下的体积(m3)；V2——土经开挖后松散状态下的体积(m3)；V3——土经压（夯）实后的体积(m3)。土的可松性系数对土方的平衡调配，留弃土量、土方运输量及运3输工具数量的计算都有直接影响。各类土的可松性系数见表1-2。土的类别体积增加百分比(％)可松性系数最初最终一类土(种植土除外)一类土(植物性土、泥炭)二类土三类土四类土(泥灰岩、蛋白石除外)四类土(泥灰岩、蛋白石)五～七类土八类土8～l720～3014～2824～3026～3233～3730～4545～501～2.53～41.5～54～76～911—l510～2020～301.08～1.171.20～1.301.14～1.281.24～1.301.26～1.321.33～1.371.30～1.451.45～1.501.Ol～1.O31.O3～1.041.02～1.051.04～1.071.O6～1.O91.11～1.151.10～1.201.20～1.30pK'pK表1-2土的可松性系数（2）土的含水量（watercontent）土的含水量是土中水的质量与固体颗粒质量之比，以百分数表示，即：wsmm×100%（式1-3）式中：——土的含水量；——土中水的质量（kg）——土中固体颗粒的质量（kg）wmsm一般土的干湿程度，用含水量表示。含水量在5％以下称为干土；在5％～30％以内称为潮湿土；大于30％称为湿土。含水量对土方边坡的稳定性、回填土的夯实等均有影响。在一定含水量的条件下，用同样的夯实机具，可使回填土达到最大的密实度，此含水量称为土的最佳含水量（optimumwatercontent）。各类土的最佳含水量如下：砂土为8％～12％；粉土为9％～l5％；粉质黏土为12％～l5％；黏土为19％～23％。（3）土的渗透性（permeability）土的渗透性是指水流通过土中孔隙的难易程度。土的渗透性用渗透系数（coefficientofpermeability）K表示。地下水的流动以及在土中的渗透速度都与土的渗透性有关。地下水在土中渗流速度一般可按达西定律（Darcy’slaw）计算确定(图1-2)，其公式如下：vKI(1-4)(式1-4)图1-2砂土渗透实验一般土的渗透系数见表1-3（4）土的天然密度（density）和干密度（drydensity）土在天然状态下单位体积的质量，叫土的天然密度(简称密度)。一般黏土的密度约为1800～2000kg／m3，砂土约为1600～2000kg／m3。土的密度按下式计算：mV(式1-5)干密度是土的固体颗粒质量与总体积的比值，用下式表示：sdmV(式1-6)5.土的孔隙比（voidratio）和孔隙率（porosity）孔隙比和孔隙率反映了土的密实程度（compactness）。孔隙比和孔隙率越小土越密实。孔隙比e是图的孔隙体积与固体体积的比值，用下式表示：vVsVvsVeV(式1-7)vVnV×100%(式1-8)孔隙率是土的孔隙体积与总体积的比值，用百分率表示：1.2土方工程量计算土方工程量（Volumeofearthwork）是土方工程施工组织设计的重要依据，是采用人工挖掘组织劳动力，或采用机械施工计算机械台班和工期的依据。在土方工程施工前，通常要计算土方工程工程量，根据土方工程量的大小，拟定土方工程施工方案，组织土方工程施工。土方工程外形往往很复杂，不规则，要准确计算土方工程量难度很大。一般情况下，将其划分成一定的几何形状，采用具有一定精度又1.2.1基坑与基槽土方量计算1．基坑土方量基坑是指长宽比小于或等于3的矩形土体。基坑土方量可按立体几何中棱柱体（由两个平行的平面作底的一种多面体）体积公式计算，如图1-3所示。即102HVA4AA6（）式中：H——基坑深度，m；A1、A2——基坑上下底的面积，m2；A0——基坑中截面的面积，m2。(式1-9)2．基槽土方量图1-3基坑土方量计算图1-4基槽土方量计算基槽土方量计算可沿长度方向分段后，按照上述同样的方法计算，如图1-4所示。即11102LVA4AA6（）式中：V1——第一段的土方量，m3；L1——第一段的长度，m。将各段土方量相加，即得总土方量为Ｖ＝V1+V2+……+Vn式中：V1，V2，…Vn——各段土方量，m3。(式1-10)1.2.2场地平整土方量计算场地平整就是将天然地面平整成施工要求的设计平面。场地设计标高是进行场地平整和土方量计算的依据，合理选择场地设计标高，对减少土方量，提高施工速度具有重要意义。场地设计标高是全局规划问题，应由设计单位及有关部门协商解决。当场地设计标高无设计文件特定要求时，可按厂区内“挖填土方量平衡法”经计算确定，可达到土方量少、费用低、造价合理的效果。场地平整土方量的计算方法有方格网法和断面法两种。断面法是将计算场地划分成若干横截面后逐段计算，最后将逐段计算结果汇总。断面法计算精度较低，可用于地形起伏变化较大、断面不规则的场地。当场地地形较平坦，一般采用方格网法。（1）绘制方格网图由设计单位根据地形图（一般在1/500的地形图上），将建筑场地划分为若干个方格，方格边长主要取决于地形变化复杂程度，一般取a=10m、20m、30m、40m等，通常采用20m。方格网与测量的纵横坐标网相对应，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），如图1-5所示。图1-5方格网法计算土方工程量图（2）计算场地各方格角点的施工高度各方格角点的施工高度为角点的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：hn=Hn-H(式1-10)式中：hn——角点的施工高度，即填方高度（以“+”为填，“-”为挖），m；Hn——角点的设计标高，m；H——角点的自然地面标高，m；n——方格的角点编号（自然数列1,2,3，…，n）。（3）计算“零点”位置，确定零线当同一方格四个角点的施工高度同号时，该方格内的土方则全部为挖方或填方，如果同一方格中一部分角点的施工高度为“+”，而另一部分为“-”，则此方格中的土方一部分为填方，一部分为挖方，沿其边线必然有一不挖不填的点，即为“零点”，如图1-6所示。零点位置按下式计算：1112ahxhh2212ahxhh(式1-11)式中：x1、x2——角点至零点的距离，m；h1、h2——相邻两角点的施工高度，均用绝对值表示，m；a——方格的边长，m。在实际的工程中，为省略计算，确定零点的方法也可以用图解法，如图1.5所示。方法是用尺在各角点上标出挖填施工高度相应比例，用尺相连，与方格相交点即为零点位置。此法甚为方便，同时可避免计算或查表出错。将相邻的零点连接起来，即为零线。它是确定方格中挖方与填方的分界线。图1-6零点位置计算示意图图1-7零点位置图解法（4）计算方格土方工程量按方格底面积图形和表1-4所列计算公式，计算每个方格内的挖方量或填方量。（5）边坡土方量的计算场