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项目1 土 方 工 程
1.1 土的工程分类及其工程性质
1.2 土方工程量计算
1.3 基坑施工
1.4 土方机械化施工
1.5 土方填筑与压实
1.6 土方工程模拟实训
　　【教学目标】 了解土方工程施工特点；掌握土方量的计算、场地平整施工的竖向规划设计；掌握基坑开挖施工中降低地下水位的方法和基坑边坡稳定及支护结构设计方法的基本原理；熟悉常用土方机械的性能和使用范围；掌握填土压实的要求和方法。
　　土方工程是建筑工程施工的主要工程之一，在大型建筑工程中，土方工程的工程量和工期往往对整个工程有较大的影响。土方工程主要包括土方的开挖、运输、填筑和压实等过程以及排水、降水和土壁支撑等准备和辅助过程。在建筑工程中，最常见的土方工程施工有场地平整、地下室和基坑(槽)及管沟开挖与回填、地坪填土与碾压、路基填筑等。
　　
1.1.1 土方工程施工特点
　　土方工程施工往往具有施工面广、工程量大、劳动繁重、施工条件复杂等特点。土方工程施工工期长，又多是露天作业，在施工中直接受到地区交通、气候、水文、地质和邻近建(构)筑物等条件的影响，且土、石又是一种天然物质，成分较为复杂，难以确定的因素很多，有时施工条件较为复杂。
1.1 土的工程分类及其工程性质
1.1.2 土的工程分类
　　土的种类繁多，其分类方法也很多。在建筑施工中，按照开挖的难易程度，土可分为八类，其中一至四类为土，五至八类为岩石，见表1-1。
　　表1-1 土的工程分类
续表
　　不同的土，其物理、力学性质也不同，只有充分掌握各类土的特性及其对施工的影响，才能选择正确的施工方法。
1.1.3 土的工程性质
　　土有各种工程性质，其中影响土方工程施工的有：土的密度、可松性、含水量和渗透性。
　　1．土的密度
　　土的密度分天然密度和干密度。
　　土的天然密度指土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。土的天然密度按下式计算：
　　
　　
式中： ——土的天然密度；
　　m——土的总质量；
　　V——土的体积。
　　土的干密度是指单位体积土中固体颗粒的含量，它是检验填土压实质量的控制指标。土的干密度按下式计算：
　　
　　式中： d ——土的干密度；
　　ms ——土中固体颗粒的质量；
　　V ——土的体积。
　　2．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，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如下：
　　
　　式中：Ks ——最初可松性系数；
　　 ——最终可松性系数；
　　V1 ——自然状态下土的体积；
　　V2 ——土经开挖后的松散体积；
　　V3 ——土经回填压实后的体积。
　　可松性系数对土方的调配，计算土方运输量、填方量及运输工具都有影响，尤其是大型挖方工程，必须考虑土的可松性系数。
　　3．土的含水量
　　土的含水量是指土中所含的水与土的固体颗粒之间的质量比，以百分数表示。它反映了土的干湿程度。土的含水量按下式计算：
　　
　　式中：m1——含水状态时土的质量；
　　m2 ——烘干后土的质量；
　　mw ——土中水的质量；
　　ms ——固体颗粒的质量。
　　土的含水量对土方边坡的稳定性和填土压实质量均有影响。土方回填时则需要达到最优含水量方能夯压密实，获得最大干密度。
　　4．土的渗透性
　　土的渗透性是指水在土体中渗流的性能，一般以渗透系数K表示。地下水在土中的渗流速度可按达西定律计算：
　　 V = K·i
　　式中：V ——水在土中的渗流速度(m/d)；
　　i ——水力坡度；
　　K ——土的渗透系数(m/d)。
　　渗透系数K反映了土的透水性强弱，它直接影响降水方案的选择和涌水量计算的准确性，一般可通过室内渗透试验或现场抽水试验确定渗透系数。
　　
1.2.1 基坑、基槽土方量计算
　　基坑土方量的计算可近似按拟柱体(由两个平行的平面做上下底的多面体)体积公式来计算(见图1-1)，即
1.2 土方工程量计算
图1-1 基坑土方量计算
　　式中：H ——基坑深度(m)；
　　F1 ——基坑上底面积(m2)；
　　F2 ——基坑下底面积(m2)；
　　F0 ——基坑中截面面积(m2)。
　　基槽和路堤土方量可沿其长度方向分段后用同样的方法计算，然后将各段的土方量相加，即得总土方量(见图1-2)，即
　　式中：V1 ——第一段的土方量(m3)；
　　L1 ——第一段的长度(m)；
　　Vn ——各段的土方量(m3)。
图1-2 基槽土方量计算
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所要求的设计平面。在目前总承包施工中，“三通一平”的工作往往由施工单位实施，因此场地平整也成为开工前的一项工作内容。
　　场地平整前，要进行场区竖向规划设计，确定场地设计标高，计算挖方和填方的工程量，然后根据工程规模、施工期限和现有的条件选择土方机械，拟定施工方案。
　　1．场地设计标高的确定
　　场地设计标高是进行场地平整和土方量计算的依据，也是总体规划和竖向设计的依据。合理确定场地的设计标高，对减少土方量、节约土方运输费用、加快施工进度等都有重要的经济意义。选择设计标高时应考虑以下因素：
　　(1) 满足生产工艺和运输的要求。
　　(2) 尽量利用地形，使场内挖填平衡，以减少土方运输费用。
　　(3) 有一定泄水坡度(≥2‰)，满足排水要求。
　　(4) 考虑最高洪水位的影响。
　　1) 初步确定场地设计标高
　　首先，将场地的地形图根据要求的精度划分成边长为10～40 m的方格网，在各方格左上角逐一标出其角点的编号，如图1-3所示。然后求出各方格角点的地面标高，标于各方格的左下角。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求得；地形起伏较大或无地形图时，可在地面用木桩打好方格网，然后用仪器直接测出。
　　
图1-3 场地设计标高计算示意图
　　按照场地内土方在平整前及平整后相等的原则，场地设计标高可按下式计算：
　　 (1-1)
　　式中：H0 ——场地初始设计标高；
　　H1 ——一个方格仅有的角点标高；
　　H2 ——两个方格共有的角点标高；
　　H3 ——三个方格共有的角点标高；
　　H4 ——四个方格共有的角点标高；
　　n ——方格数。
　　2) 场地设计标高的调整
　　按公式(1-1)所计算的初始设计标高H0是一个理论值，实际上还需要考虑以下因素进行调整。
　　(1) 土的可松性影响。考虑土的可松性后，场地设计标高应调整为
　　
　　式中，Δh为土的可松性引起设计标高的增加值。
　　(2) 借土或弃土的影响。设计标高以上的各种填方工程的用土量和设计标高以下的各种挖方工程的挖土量，以及经过经济比较而将部分挖方就近弃土于场外，或部分填方就近从场外取土，都会导致设计标高的降低或提高，因此必要时也需重新调整设计标高。
　　场地内若有大型基坑开挖，则有多余土方，为了防止余土外运，需提高设计标高。在场地内修筑路堤等需要土方，此时若按H0施工，则会出现用土不足，为了保证有足够的土，需降低设计标高。
　　(3) 泄水坡度的影响。当按设计标高调整后的同一设计标高进行平整时，整个场地表面均处于同一水平面，实际上由于排水的需要，场地表面需要有一定的泄水坡度，因此，必须根据场地泄水坡度的要求，计算出场地内各方格角点实际施工所用的设计标高。
图1-4 单向泄水
　　平整场地的坡度一般需标明在图纸上，如设计无要求，一般取不小于2‰的坡度。根据设计图纸或现场情况，泄水坡度可分为单向泄水和双向泄水。
　　场地向一个方向排水称为单向泄水，如图1-4所示。单向泄水时场地设计标高计算是将已调整的设计标高 作为场地中心线的标高参考，场地内任一点设计标高为
　　
　　式中：Hij ——场地内任一点的设计标高；
　　L ——该点至场地中心线的距离；
　　i ——场地泄水坡度。
　　场地向两个方向排水叫双向泄水，如图1-5所示。双向泄水时设计标高计算是将已调整的设计标高 作为场地纵横方向的中心点，场地内任一点的设计标高为
　　
　　式中：Lx ——该点距x轴的距离(m)；
　　Ly ——该点距y轴的距离(m)；
　　ix、iy ——场地在两个方向的泄水坡度。
图1-5 双向泄水
　　2．场地平整土方量计算
　　场地平整土方量的计算方法通常有方格网法和断面法两种。当场地地形较为平坦时宜采用方格网法；当场地地形起伏较大、断面不规则时，宜采用断面法。
　　大面积场地平整的土方量通常采用方格网法计算，即根据每个方格角点的自然地面标高和设计标高，计算出相应的角点挖填高度，然后计算出每一个方格的土方量，并计算出场地边坡的土方量，这样即可求得整个场地的填、挖土方量。
　　方格边长一般取10 m、20 m、30 m、40 m等。
　　计算场地平整土方量的具体步骤如下：
　　1) 计算场地各方格角点的施工高度
　　各方格角点的施工高度(挖或填的高度)可按下式计算：
　　 hn = Hn - H
　　式中：hn ——角点的施工高度，即填、挖高度，以“+”表示填，“-”表示挖；
　　Hn ——角点的设计标高；
　　H ——角点的自然地面标高。
　　2) 确定“零点”和“零线”
　　当同一方格的四个角点的施工高度全为“+”或全为“-”时，说明该方格内的土方全部为填方或全部为挖方；当同一个方格中一部分角点的施工高度为“+”而另一部分为“-”时，说明此方格中的土方一部分为填方，而另一部分为挖方，这时必定存在不挖不填的点，这样的点叫“零点”。
　　把一个方格中的所有“零点”都连接起来形成的直线或曲线叫“零线”，即挖方与填方的分界线。
　　
图1-6 计算零点的位置示意图
　　计算“零点”的位置，根据方格角点的施工高度用几何法求出，如图1-6所示。
　
　
　　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)(m)；
　　a ——方格网的边长(m)。
　　3) 计算场地方格挖、填土方量
　　场地各方格土方量的计算一般有下述四种类型，可采用四角棱柱体的体积计算方法。
　　(1) 方格四个角点全部为填方(或挖方)时，如图1-7所示，其土方量为
　　
　　(2) 方格的相邻两角点为挖方，另两角点为填方时，如图1-8所示，其挖方部分的土方量为
　　
　　填方部分的土方量为
　　(3) 方格的三个角点为挖方，另一个角点为填方，或者相反时，如图1-9所示。其填方部分的土方量为
　　
　　
　　挖方部分的土方量为
　　(4) 方格的一个角点为挖方，相对的角点为填方，另两个角点为零点时，如图1-10所示，其挖(填)方土方量为
　　
　　以上的计算公式是根据平均中断面的近似公式推导得到的，方格中地形不平时误差较大，但计算简单，目前人工计算土方量时多用此法。
　　为提高计算精度，也可将方格网按等高线走向划成三角棱柱体进行计算，此法计算工作量太大，一般适宜用电子计算机计算土方量。
图1-7 全挖(全填)方格
图1-8 两挖两填方格
图1-9 三挖一填(或三填一挖)方格
图1-10 一挖一填方格
　　4) 计算场地边坡土方量
　　在场地平整施工中，沿着场地四周都需要做成边坡以保持土体稳定，同时保证施工和使用的安全。
　　在对边坡土方量进行计算时，可先把挖方区和填方区的边坡画出来，如图1-11所示，然后将边坡划分为两种近似的几何形体，如三角棱柱体或三角棱锥体，分别计算其体积，求出边坡土方的挖、填土方量。
　　
图1-11 场地边坡土方量计算
　　(1) 棱锥体边坡体积。
　　例如，图1-11中的，其体积为
　　
　　式中：l1 ——边坡的长度；
　　F1 ——边坡的端面积。
　　(2) 三角棱柱体边坡体积。
　　例如，图1-11中的，其体积为
　　
　　在两端横断面面积相差很大的情况下，则
1.2.3 土方平衡与调配
　　土方工程量计算完成以后就可进行土方调配。土方调配就是对挖方土需运至何处，填方所需的土应取自何方进行综合协调处理。其目的是在土方运输量最小或土方运输费用最小的条件下，确定挖填方区土方的调配方向、数量及平均运距，从而缩短工期，降低成本。
　　土方调配工作的内容主要包括：划分调配区、计算土方调配区之间的平均运距、选择最优的调配方案及绘制土方调配图表。
　　1．调配原则
　　土方的调配原则包括：力求挖填平衡，运距最短，费用最省；便于改土造田；考虑土方的利用，减少土方的重复挖、填和运输。
　　2．步骤与方法
　　1) 划分调配区
　　进行土方调配时，首先要划分调配区。划分调配区应注意下列几点：
　　(1) 调配区的范围应该与工程建(构)筑物的平面位置相协调，并考虑它们的开工顺序、工程的分期施工顺序。
　　(2) 调配区的大小应该满足土方施工主导机械(铲运机、挖土机等)的技术要求。
　　(3) 调配区的范围应该和土方工程量计算用的方格网相协调，通常可由若干个方格组成一个调配区。
　　(4) 当土方运距较大或场地范围内土方不平衡时，可根据附近的地形考虑就近取土或就近弃土，这时一个取土区或弃土区可作为一个独立的调配区。
　　2) 求出各挖、填方区间的平均运距
　　挖、填方区间的平均运距即每对调配区土方重心间的距离，可近似以几何形心代替土方体积重心，先在图上将重心连起来，再用比例尺量出来。
　　3) 画出土方调配图
　　画出土方调配图(如图1-12所示)，在图上标出各调配区的调配方向、数量及平均运距。
　　
图1-12 土方调配图
　　4) 确定土方调配的初始方案
　　用最小元素法求初始调配方案。
　　最小元素法即对运距(或单价)最小的一对挖填分区，优先且最大限度地供应土方量，满足该分区后，以此类推，直至所有的挖方分区土方量全部分完为止。
　　5) 确定土方调配的最优方案
　　利用“最小元素法”确定的初始方案有限，考虑就近调配时求得的总运输量是较小的，但这并不能保证其总运输量是最小的，因此，还需要确定最优调配方案。一般采用的是“闭回路法”或“位势法”。

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