第1章土方工程

建筑施工主讲：夏瀛Tel：[phone]Email：[e-mail]土木工程学院施工教研室绪论“建筑施工”是土木工程专业建筑工程方向学生的一门主要的专业课。建筑施工是将设计者的思想、意图及构思转化为现实的过程。“建筑施工”是研究建筑工程施工技术、工艺原理和施工组织管理的一般规律的学科。建筑施工分为施工技术和施工组织两大部分。课程的研究对象和任务主要任务：研究建筑工程施工技术和施工组织的一般规律。研究对象：建筑工程施工中，各主要工种工程的施工工艺及工艺原理；施工项目科学的组织原理以及建筑工程施工中的新技术、新材料、新工艺的发展和应用。课程的教学目的通过学习使学生掌握建筑工程施工的基本知识、基本理论和决策方法，使学生具有解决建筑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。课程的特点1.涉及面广，具有综合性；2.实践性、工艺性强；3.发展迅速课程的学习方法1.注意理论和实践相结合，以及知识的综合运用；2.记好笔记，积极参与课堂讨论；3.认真思考，提出问题，解决问题；培养分析问题的能力；4.对一些操作性较强的内容，要通过施工业务实习、现场教学、参观等教学环节进行学习。参考书目《建筑施工手册》本书编写组中国建筑工业出版社2003.9《土木工程施工》宁仁岐中国建筑工业出版社2006.11《土木工程施工》（上、下）应惠清高等教育出版社2005.9《土木工程施工技术》刘嚥中国建筑工业出版社2007.3《建筑施工组织与管理》李忠富机械工业出版社2004.1第1章土方工程1.1概述1.2场地平整1.3基坑工程1.4土方的填筑与压实第1章土方工程图1-1土方工程施工1.1概述土方工程是建筑工程施工的主要工种工程之一，最常见的土方工程有：场地平整、基坑（槽）开挖、地坪填土、路基填筑及基坑回填土等。土方工程施工具有工程量大、劳动繁重和施工条件复杂等特点，同时又受气候、水文、地质、地下障碍等因素的影响较大，不确定因素较多，有时施工条件极为复杂。因此，在组织土方工程施工前，应制订出技术可行、经济合理的施工设计方案。1.1.1土的工程分类土石的种类繁多，其分类方法很多。从建筑施工的角度，按土的开挖难易程度不同，可将土石分为八类：第一类（松软土）第五类（软石）第二类（普通土）第六类（次坚石）第三类（坚土）第七类（坚石）第四类（砂砾坚土）第八类（特坚石）1.1.2土的工程性质1.土的可松性土具有可松性。即自然状态下的土，经过开挖后，其体积因松散而增大，以后虽经回填压实，仍不能恢复。土的可松性程度用可松性系数表示，即：12VVKs13VVKs1.1.2土的工程性质2．原状土经机械压实后的沉降量原状土经机械往返压实或其他压实措施后，会产生一定的沉陷，根据不同的土质，其沉陷量在3～30cm之间。可按下述经验公式计算：CPS式中：P——机械压实的有效作用力（MPa）C——原状土的抗陷系数（MPa）1.1.2土的工程性质3．土的渗透性土的渗透性即指土体被水所透过的性质。达西定律：地下水在土体内渗流的速度与水位差成正比，与地下水渗流路径的长度成反比，其表达式为：LhkkivΔLΔh当水力坡度i=1时，地下水在土中渗流的速度，称渗透系数K。图1-2达西定律1.2场地平整大型工程项目通常都要确定场地设计平面，进行场地平整。场地平整就是将自然地面平整为施工所要求的平面。场地平整前，要确定场地设计标高；计算挖方和填方的土方量；确定挖方和填方的平衡调配方案；并根据工程规模、工期要求、现有的机械设备条件，选择土方机械，拟订施工方案。1.2场地平整1.2.1场地设计标高的确定确定场地设计标高一般有两种方法：1.挖填土方量平衡法对于小型场地平整，原地形比较平缓，对场地设计标高无特殊要求，可按“挖填土方量平衡法”确定场地设计标高。2.最佳设计平面法这种方法计算较繁杂，实际工程中应用不多，只有对大型场地或地形比较复杂时，才用“最佳设计平面法”进行竖向规划设计。1.2.1场地设计标高的确定图1-3场地设计标高计算示意图1—等高线1.挖填土方量平衡法将场地划分成边长为a的若干方格，并将方格网点的原地形标高标在图上（图1-3）。原地形高可利用等高线用插入法求得或在实地测量得到。1.2.1场地设计标高的确定z11z12z21z222aaaab)aa3z0)432(4143210zZzznz图1-4场地设计标高计算示意图2—自然地面；3—设计平面（1）计算原则：按照挖填土方量相等的原则（图1-4），场地设计标高可按下式计算：1.2.1场地设计标高的确定（2）计算步骤：1）将场地划分成方格网，；2）用插入法或实测确定各方格角点的地面标高；3）按前述计算公式计算场地设计标高；4）设计标高调整；5）最终确定场地的设计标高mma40~101.2.1场地设计标高的确定（3）场地设计标高调整：实际工程中，对计算所得的设计标高z0，还应考虑以下因素进行调整：1）考虑土的可松性影响图1-5土的可松性对设计标高的影响1.2.1场地设计标高的确定（3）场地设计标高调整：设计标高增加值为：调整后的设计标高为：swTswKFFKVh)1(hzz01.2.1场地设计标高的确定（3）场地设计标高调整2）考虑工程余土和工程用土，相应提高或降低设计标高。3）根据经济比较结果，如采用场外就近取土或场外就近弃土的施工方案，引起挖、填土方量的变化，需将设计标高进行调整。1.2.1场地设计标高的确定（4）最终确定场地设计标高：按上述计算和调整后的设计标高得到的设计平面为一水平面，实际场地均应有一定的泻水坡度。1）当设计对泄水坡度有规定时，按设计要求确定；2）当设计无要求时，取泄水坡度i≥2‰；3）排水方向取顺自然地面方向。1.2.1场地设计标高的确定（4）最终确定场地设计标高：单向泻水时，场地各方格角点的设计标高为：ilzzi0图1-6（a）场地泄水坡度1.2.1场地设计标高的确定（4）最终确定场地设计标高：双向泻水时，场地各方格角点的设计标高为：yyxxililizz0图1-6（b）场地泄水坡度1.2.1场地设计标高的确定2.最佳设计平面法“最佳设计平面法”就是应用最小二乘法的原理，将场地划分成方格网，使场地内方格网各角点施工高度的平方和为最小，由此计算出的设计平面，既可满足挖方量与填方量平衡，又能保证总的土方量最小，因此称为“最佳设计平面”。但这种方法计算较繁杂，实际工程中应用不多，只有对大型场地或地形比较复杂时，才用此法进行竖向规划设计。1.2.2场地平整土方量的计算1.计算各角点施工高度Hi式中——i角点的设计标高，m；——i角点的自然地面标高，m。(“＋”为填方高度，“－”为挖方高度)iiizzHiziz场地平整土方量的计算，通常采用“方格网法”，其计算步骤如下：1.2.2场地平整土方量的计算2.确定零线零线即挖方区与填方区的交线，在零线上，施工高度为0。要确定零线，应先确定零点，当方格的两个角点一挖一填时，两角点连线上的挖填分界点即为零点，其位置可按下式计算：零点也可用图解法求得。将方格网各相邻边线上的零点连接起来，即为零线。211HHaHx1.2.2场地平整土方量的计算3.计算各方格挖、填土方量)(443212HHHHaVaaH1H2H3H4a)一般采用“四棱柱体法”计算。（1）全挖、全填方格图1-7a）全挖、全填方格1.2.2场地平整土方量的计算aaH2H1H4H3b)c)aaH1H4H3H2HHaV22)(4挖挖HHaV22(4）填填（2）部分挖方、部分填方方格图1-7b）两挖、两填方格c)三挖、一填方格1.2.2场地平整土方量的计算4.计算场地边坡土方量为了保持土体的稳定和施工安全，挖方和填方的边沿均应做成一定坡度的边坡。边坡的土方量可分为两种近似几何形体，即三角棱锥体和三角棱柱体。三角棱锥体体积为：三角棱柱体体积为：lFV31lFFV)(21211.2.2场地平整土方量的计算5.计算总土方量V挖=∑Vi挖V填=∑Vi填【例1-1】一建筑场地方格网及各方格角点标高如图1-8所示，方格网边长为20m，双向泻水坡度ix=0.3%，iy=0.2%,试按挖填平衡的原则确定场地设计标高（不考虑可松性的影响），并计算场地平整的土方量（不考虑边坡土方量）。1.2.2场地平整土方量的计算图1-8场地方格网及自然地面标高1.2.3土方调配土方调配的目的：是在土方总运输量最小(m3·m)或土方运输成本最低（元）的条件下，确定填挖方区土方的调配方向和数量.图1-9土方调配图箭线上方为土方量（m3），箭线下方为运距（m）1.2.3土方调配土方调配的步骤：编制土方调配图及土方平衡表划分土方调配区计算场地平整的土方量计算平均运距，确定施工单价用“线性规划”方法确定土方调配方案1.2.3土方调配1.土方调配区的划分，平均运距和土方施工单价的确定（1）调配区的划分原则（2）平均运距的确定（3）土方施工单价的确定1.2.3土方调配2.确定最优土方调配方案土方的最优调配方案，可根据线性规划中的“‘表上作业法”，直接在土方平衡表上进行，这种方法既简便又科学。【例1-2】教材图1-10为一矩形广场，图中小方格的数字为各调配区的土方量，箭杆上的数字为各调配区之间的平均运距，试求土方调配最优方案。1.2.3土方调配图1-10某矩形广场各调配区的土方量和平均运距1.2.3土方调配用“表上作业法”进行土方调配，步骤如下：（1）根据图1-10编制土方调配表（2）“表上作业法”的基本思路（3）编制初始调配方案（4）调配方案的最优化检验（5）调配方案的调整（6）绘出土方调配图（图1-9）1.3基坑工程一个建筑物或构筑物的施工，一般都须首先进行基坑开挖。在基坑开挖时，需解决以下三方面的问题：一是如何保持基坑（槽）土壁稳定的问题；二是施工降排水问题；三是确定开挖方案及开挖方法。1.3.1土方边坡及其稳定1.土方边坡边坡形式：直线形、折线形、踏步形图1-11土方边坡a)直线形；b)折线形；c)踏步形1.3.1土方边坡及其稳定土方边坡坡度：以其高度H与其底宽度B之比表示土方边坡坡度。mHBBH1/1土方边坡坡度式中m=B/H，称为坡度系数。土方边坡坡度的确定：应考虑土质条件、开挖深度、施工工期、地下水水位、坡顶荷载及气候条件因素。1.3.1土方边坡及其稳定2.土方边坡的稳定土方边坡一定范围内的土体由于重力作用具有沿某一滑动面向下和向外移动的趋势，即沿着某一滑动面存在着促使土体下滑的剪应力。土方边坡的稳定，主要是由于土体内土颗粒间存在摩阻力和内聚力，使土体具有抗剪强度，抗剪强度的大小与土质有关。当土体中的剪应力大于其抗剪强度时，边坡就将因失稳而塌方。1.3.1土方边坡及其稳定影响土方边坡稳定的因素：造成土体内下滑力增加和抗剪强度降低的因素，均为影响边坡稳定性的因素。引起下滑力增加的因素的主要有：坡顶上堆物、行车等荷载；雨水或地面水渗入土中，使土的含水量提高而使土的自重增加；地下水渗流产生一定的动水压力；土体竖向裂缝中的积水产生侧向静水压力等。引起土体抗剪强度降低的因素主要有：气候的影响使土质松软；土体内含水量增加而产生润滑作用；饱和的细砂、粉砂受振动而液化等。1.3.2土壁支护开挖基坑（槽）时，如地质条件及周围环境许可，采用放坡开挖是较经济的。但在建筑稠密地区施工，或有地下水渗入基坑（槽）时往往不可能按要求的坡度放坡开挖，这时就需要进行基坑（槽）支护，以保证施工的顺利和安全，并减少对相邻建筑、管线等的不利影响。基坑（槽）支护结构的主要作用是支撑土壁，有些支护结构还兼有不同程度的隔水作用。1.3.2土壁支护