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第1章 土方工程
第一节 土方工程概述
一、土方工程内容及特点
主要施工过程：场地平整、基坑（槽）的开挖、岩土爆破及运输、土方回填与夯实等。
简称为：“平、挖、填、运”
准备与辅助工作：基坑（槽）降水、排水和边坡处理等。为主要施工过程创造条件。
土方工程施工质量直接影响基础工程、主体结构工程土方工程等施工的正常进行。
1.土方工程施工内容
（1）确定场地平整标高，计算土方量；合理进行土方量调配，使土方总施工量最小。
（2）合理选择施工机械，保证施工效率。
（3）安排好运输道路、弃土场、取土区，做好降水、土壁支护等辅助工作。
（4）土方的回填与压实，包括回填土选择、压实方法。
（5）基坑开挖，并做好监测、支护等工作，防止事故发生。
2.土方工程施工特点
工程量大。施工工期长。劳动强度大且多为露天作业。施工条件复杂。
因此，在土方工程施工前必须做好搜集资料的工作，详细分析研究各项技术资料，进行现场勘察，在此基础上根据有关要求，拟定出经济可行的施工方案，做好施工组织设计，选择好施工方法和机械设备，尽力使机械发挥出最大效益，确保施工安全和工程质量。
（1）场地平整：
任务：将天然地面改造成所要求的设计平面。
特点：影响因素多。
要求：拟定合理的施工方案，尽可能采用机械化施工。
（2）基坑（槽）及管沟开挖 （深度较浅）
要求：断面、标高、位置准确。
特点：制定合理的开挖方案，以加快施工进度，保证施工质量。
3. 土方工程种类 【选择内容 start】
（3）地下大型土方开挖 （深度较深）
特点：涉及降低地下水位，边坡稳定及支护，邻近建筑物的安全防护等问题，总体难度较大。
（4）土方填筑
要求：严格选择土料、分层填筑、分层压实。其中压实是填筑的关键工序。
（5）土方运输
要求：运距短、单方运价低，降低成本。
【选择内容 end】
二、土的工程分类与现场鉴别
在施工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、次软石、坚石、特坚石等八类，前四类为土，后四类为石（表1-1）。类别越大，施工难度越大，费用越高。
正确区分和鉴别土可判定边坡稳定；土方施工方法、机械选择；劳动量配置；涉及准确地套用定额，计算土方工程费用。
土的分类方法有：堆积年代；地质成因；有机物含量；分布区域或特殊性质；颗粒级配和塑性指数；工程分类等。
三、土的基本（工程）性质
1.土的含水量
土的含水量：土中所含水与土固体颗粒间的质量比。
土的含水量对边坡稳定性和填土压实质量均有影响。
2.土的质量密度
土的自然（天然）密度：在天然状态下，单位体积的质量，它影响土的承载力、土压力及边坡稳定性。
土的干密度：单位体积土中固体颗粒的质量，是检验土的压实质量的控制指标。
3.土的可松性
自然状态下的土（原土）经开挖后，其体积因松散而增加，以后虽经回填夯实，仍不能恢复到原状土的体积，这种性质称为土的可松性。土的可松性程度用可松性系数表示。
最初可松性系数用于土方的调配、计算土方的运输量、填方量及运输工具数量等。
最终可松性系数用于土方回填的工程量计算。
KS ：确定土的运输、挖土机械的数量及留设堆土场地的大小；
K’S ：回填土、弃（借）土及场地平整的确定。
4.土的渗透性
土的渗透性（透水性）是指土体被水透过的性质。土的渗透性用渗透系数K表示。
法国学者达西根据砂土渗透实验发现水在土中的渗流速度ν 与A，B 两点水位差成正比，与渗流路程长度 L 成反比。
ν＝
i ＝
K主要用于降水
的选择和涌水量计算，
以及边坡支护方案的确定。
第二节 场地平整及土方调配量计算
一、场地平整
目的：削凸填凹、以挖作填。
改造成设计平面。
工作内容：确定场地设计标高、土方量计算、土方调配、确定施工机械，确定施工方案。
1.场地设计标高确定的方法和步骤
（1）初步确定场地设计标高
场地设计标高是进行场地平整和土方量计算的依据，也是总施工图规划和土方竖向设计的依据。
要求：满足生产工艺和运输的要求；尽量利用地形，使场内挖填平衡，以减少土方运输费用；满足排水要求；考虑最高洪水位的影响。
一般有规划专业在设计文件上规定，若没有规定时，须自行确定。
A.确定方格角点的编号、自然地面标高和施工高度
首先将场地地形图根据要求的精度划分成边长为10～40m的方格网。越密，精度越高，但工作量越大
等高线
平均标高或初步设计标高
当地形平坦时，可根据地形图上相邻两等高线的标高，用插入法或图解法求得。 （见下图）
当地形起伏较大或无地形图时，可在地面用木桩打好方格网，用仪器直接测出。
插入法计算标高 图解法计算标高
单块方格网计算图示
自然标高
最终调整后的标高
初步确定的标高H0
B.计算场地平整设计标高
计算（或平整）原则：平整前后土方量平衡（相等），即“挖填平衡”。
A.平整前的土方体积为V ：
H1 — 一个方格独有的角点标高；角点。
H2 — 两个方格共有的角点标高；边线点。
H3 — 三个方格共有的角点标高；凹点。
H4 — 四个方格共有的角点标高；中间点。
B.计算场地平整设计标高
B.平整后土体体积为： V’＝ H0 N a2
C.根据土方平衡时，平整前后这块土体的体积是相等的，即：V = V’
（2）场地设计标高的调整
A.土的可松性影响
由于土具有可松性，按理论计算出的H0 进行施工，填土会有剩余，需相应地提高设计标高Δh。
B.借土或弃土的影响
需考虑场外来土和基坑来土，以及计算基坑后，又外运的因素。
C.泄水坡度的影响
实际上场地表面需要有一定的泄水坡度，其大小应符合设计规定。主要有单向泄水和双向泄水。
Hn =H’0±lxix±lyiy
注意：场地中心线标高不变为原则，两侧调整标高；否则会出现“挖填不平衡”。
2.场地平整土方工程量的计算
当场地地形较为平坦时，采用方格网法；
当场地地形起伏较大、断面不规则时，宜采用断面法。
A.方格网法
计算步骤：设置方格网→确定自然地面标高和设计标高 → 计算角点施工高度 → 确定零线 → 逐块方格网土方计算→ 按“挖、填”分类汇总。
（1）计算各角点施工高度
各方格角点的施工高度（挖或填的高度。角点的施工高度（以“+”为填，“-”为挖）。
（2）标注零点、确定零线位置
挖、填方的分界线，称为零线。
零线上的点不填不挖，称之为不开挖点或零点。确定零线时，要先确定方格边线上的零点。
将方格网中各相邻的零点连接起来，即为不开挖的零线。零线将场地划分为挖方范围和填方范围两部分。
零线位置示意图
（3）计算各方格挖填土方量
有以下四种情况，分别有各自的公式计算：
（4）计算土方总量
将平整场地中所有方格的土方总量和边坡土方量汇总，即得场地平整挖（填）方的工程量。
一般平土高度大于1m以上时才考虑计算边坡土方量。
常用方格网土方计算公式
B.断面法 （选择内容）
沿场地的的纵向或相应方向取若干个相互平行的断面（断面间距越小、精确度越高）→ 将所取的每个断面（包括边坡）划分成若干个三角形和梯形进行总断面面积计算 → 平整后的断面为矩形（或梯形）应与未平整前的面积相等
【例题】某建筑场地地形图和方格网如下图所示，方格边长20m×20m，x-x，y-y方向上泄水坡度为0.3﹪和0.2﹪ ，土建设计、生产工艺设计和最高洪水位等方面均无特殊要求，试根据挖填平衡原则﹙不考虑可松性﹚确定场地中心的设计标高，并用方格网法计算挖、填土方量﹙不考虑边坡土方量﹚ （选择内容）
方格网法计算土方量
解：1．场地中心设计标高及方格角点各参数的确定：
1）计算方格角点的地面标高
各方格角点的地面标高，可根据地形图上所示标高，用插入法求得，计算方法见图
本例各方格角点地面标高各值标高如图所示。
2）计算场地设计标高H0
∑h1j = 43.24 + 44.80 + 44.17 + 42.58 = 174.79m
2∑h2j = 2×(43.67 + 43.94 + 44.34 + 44.67 + 43.67 +43.23 +
42.90 + 42.94) = 698.72 m
3∑h3j = 0
4∑h4j = 4×(43.35 + 43.76 + 44.17) = 5 25.12m
由式：
得：
=43.71 m
3）计算方格角点的设计标高
以场地中心角点8点为H0 ,考虑已知泄水坡度ix、iy ，各方格角点设计标高按式1-13计算：
H1 = H8 － 40×3‰ + 20×2‰ = 43.7 1－0.12 + 0.04 =43.63 m
H2 = H1 + 20×3‰ = 43.63 + 0.06 = 43.69 m
H6 = H8 － 40×3‰ = 43.71 － 0.12 = 43.59 m
4）计算角点的施工高度
用式1-5计算各角点的施工高度为：
h1 = 46.63 － 43.24 = +0.39m
h2 = 43.69 － 43.67 = +0.02m
其余各角点施工高度详见图中施工高度值。
2．土方量计算：
1）计算零点位置
其余各角点设计标高算法同上，其值见图中设计标高值。
在一个方格网内同时有填方或挖方时，要先算出方格网边的零点位置即不挖不填点，并标注于方格网上。零点的位置按相似三角形原理（如图）所示得：
X32=a =20× =18.10 x23=20－18.10=1.90(m)
X78=a =20× =17.14 x87=20－17.14=2.86(m)
X138=a =20× =17.96 x813=20－17.96=2.04 (m)
X914=a =20× =17.39 x149=20－17.39=2.61 (m)
X1514=a =20× =17.27 x1415=20－17.27=2.73(m)
2）画出零线（图纸中一般用粗点划线画出）
由于地形是连续的，连接零点得到的零线即成为填方区与挖方区的分界线(如图所示)
3．计算各方格挖、填方量
查表1-5，按方格的类型逐一计算土方体积。
方格Ⅰ: V－＝0
　　　 　V+＝ (0.39 + 0.02 + 0.65 + 0.30）＝136 m3；
方格Ⅱ: V－＝ ×a × = ×20×
＝12.58 m3；
V+＝ ×a × = ×20×
＝15.23 m3；
方格Ⅲ：V－＝ （0.19 ＋ 0.53 ＋ 0.05 ＋ 0.40）＝ 117m3；
V+＝0
方格Ⅳ: V－＝ （0.53 ＋ 0.93 ＋ 0.84 ＋ 0.40）＝ 270m3
V+＝0
方格Ⅴ: V+＝ （0.65 ＋ 0.3 ＋ 0.97 ＋ 0.71）＝ 263m3
V－＝0
方格Ⅵ: V－＝ × = × ＝0.05m3；
V+＝ ×
＝ × ＝115.15 m3；
方格Ⅶ: V－＝ ×a× =×20×
＝21.86 m3 ；
　　　　　
V+＝ ×a× = ×20×
＝25.71 m3 ；
方格Ⅷ: V+＝ × = × ＝0.07m3；
V-＝ × = ×
＝128.44 m3 ；
4．方格土方量汇总
方格网总填方量：∑h+ = 136 + 263 + 15.23 + 115.15 + 25.71 + 0.07
=555.16m3
方格网总挖方量：∑h- = 117 + 270 + 12.58 + 0.05 + 21.86 + 128.44
=549.93m3
二、基坑（槽）土方工程量计算
1.边坡坡度与边坡系数
边坡系数m 用坡底宽b与坡高h（即基础开挖深度）之比表示，即：m ＝ b/h　
2.计算基坑（槽）土方量
都是近似公式
三、土方调配
1.土方调配原则
1）力求达到挖、填平衡和运输量最小的原则。
2）应考虑近期施工与后期利用相结合的原则。
3）尽可能与大型地下建筑物的施工相结合。
4）调配区大小的划分应满足主要土方施工机械工作面大小（如铲运机铲土长度）的要求，使机械效率能得到充分发挥。
5）减少占用耕地。
6）尽可能与大型地下工程相结合。
2.土方调配区的划分
（1）划分调配区
1）与平面位置相协调，顺序和施工阶段。
2）满足土方机械的要求。
3）由若干个方格组成一个调配区。
4）土方不平衡时，独立设置借土区或弃土区。
5）各调配区土方量标注在图上。
（2）求出每对调配区之间的平均运距【选择内容】
平均运距即挖方区土方重心至填方区土方重心的距离。
（3）计算并优化调配方案 【选择内容】
利用最小二乘法计算，因为调配方案最终的目的是费用最少。
费用 = 土方量×运距×单价（单价是一定的）
此计算方法可参见有关书籍，但场地较大时宜用计算机计算。

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