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第1章
土方工程
目 录
1.1 概述
1.2 场地平整
1.3 土方开挖
1.4 土方的填筑与压实
1.1 概述
1. 施工内容：土方工程是建筑施工的先行工作，内容包括场地平整、土方开挖、土方填筑等主要施工过程及施工排水、降水和土壁支撑等辅助施工过程。
按其作业方法分为人工土方和机械土方。土方开挖分为场地平整、管道沟槽、基槽开挖、基坑开挖以及大开挖等。土方填筑分为场地平整回填、沟槽回填、基坑(槽)回填、室内土方回填等。
2. 施工特点
（1）量大面广、劳动繁重、作业环境差，工期长。
（2）施工条件复杂（受地区、气候、水文、地质周围环境条件等影响）
1.1.1 土方工程的内容及特点
1.1 概述
第1章 土方工程
1.1.2 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
1.1 概述
第1章 土方工程
1.1.3 土的工程性质
1. 土的可松性
自然状态下的土经开挖以后，其体积因松散而增大，以后虽经回填压实，仍不能恢复到原来的体积，这种现象称为土的可松性。
最初可松性系数 KS =V2 /V1 1.08～1.5
最后可松性系数 KS′=V3 /V1 1.01～1.3
V1 —土在自然状态下的体积。
V2 —土经开挖后的松散体积。
V3 —土经回填压实后的体积。
用途：土方调配、基坑（槽）开挖留弃土量、计算土方机械生产率及运土机具数量等。
1.1 概述
第1章 土方工程
2. 土的密度
天然密度 ：土在天然状态下单位体积的重量。
干密度 d：单位体积中固体颗粒的质量，填土压实质量的控制指标。
3. 土的含水量
土中所含的水与土的固体颗粒间的质量比，以百分数表示。
天然含水量
G1—含水状态时土的重量；
G2—烘干后土的重量。
最佳含水量—可使填土获得最大密实度的含水量。
3、
1.1 概述
第1章 土方工程
1
1.2 场地平整
1.场地设计标高的确定
小型场地――挖填平衡法
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）
1.2.1 场地平整土方量的计算
1.2 场地平整
第1章 土方工程
（1）按挖填平衡原则确定设计标高
步骤：①划分场地方格网；②计算或实测各角点的原地形标高；③计算场地设计标高；④泄水坡度调整。
首先将场地划分成边长为a（10～40m）的若干方格，并将方格网角点的原地形标高标在图上。原地形标高可利用等高线用插入法求得或在实地测量。
则场地初步设计标高：
Z0—所计算场地的设计标高，m；
N—方格数；
Zi1、Zi2、Zi3、Zi4—第i个方格四个角点的原地形标高，m。
Zn—分别为n =1、2、3、4个方格所共有的角点标高。
a
a
a
a
a
a
H11
H12
H21
H22
1.2 场地平整
第1章 土方工程
根据泄水要求（单向泄水或双向泄水）计算出实际施工时所采用的设计标高。
Ly
Lx
ix
iy
Z0
2)双向排水时，各方格角点设计标高为：
Lx、Ly—该点沿x-x、y-y向距场地中心线的距离；
ix、iy—该点沿x-x、y-y方向的泄水坡度。
L
Z11
Z0
Z0
i
Z12
Z21
Z'i = Z0 Li
Z'i = Z0 Lx ix L yi y
1)单向排水时，场地内任意点的设计标高为:
Z′i—场地内任意角点的设计标高；
L—该点至场地中心线Z0的距离；
i —场地泄水坡度。
Zn
1.2 场地平整
第1章 土方工程
求得Z′i后，即可按下式计算各角点的施工高度Hi
Hi = Z′i - Zi
式中：Zi—i角点的原地形标高。
若Hi为正值，则该点为填方，Hi为负值则为挖方。
（2）用最小二乘法原理求最佳设计平面
用最小二乘法原理求最佳设计平面，要求满足土方挖填平衡且土方量最少即是要同时满足施工高度之和为0和施工高度平方和最小两个条件。
（3）设计标高的调整
实际工程中，对计算所得的设计标高，还应考虑下述因素进行调整。
1)土的可松性影响
2)借土或弃土的影响
1.2 场地平整
第1章 土方工程
2. 场地平整土方量计算
（1）确定“零线”的位置
零线即挖方区与填方区的交线，在该线上，施工高度为0。它有助于了解整个场地的挖、填区域分布状态。零线的确定方法是：在相邻角点施工高度为一挖一填的方格边线上，用插入法求出零点的位置，如图所示，将各相邻的零点连接起来即为零线。
B
A
C
O
D
x
a
h1
h2
1.2 场地平整
第1章 土方工程
　
（2）计算各方格中的土方量
　　　
　　　
　　　
　　　
全挖全填方格　　　　　　半挖半填方格　　　　　　三挖一填（三填一挖）方格
　　
　　1) 全挖全填方格：
a
a
a
a
a
h3
h3
h4
h4
h1
h2
h4
h3
h1
h1
h2
h2
1.2 场地平整
第1章 土方工程
2）半挖半填方格：
3）三挖一填(三填一挖)方格：
4）一挖一填，另两个为零点（上式的特殊情况）：
1.2 场地平整
第1章 土方工程
（3）计算场地边坡土方量
边坡土方量可划分为两种近似的几何形体即三角棱锥体和三角棱柱体分别计算，然后将各分段计算的结果相加，求出边坡土方的挖方或填方量。
（4）计算土方总量
将挖方区（或填方区）所有方格的土方量和边坡土方量汇总，即可得到场地平整挖（填）方的工程量。
1.2 场地平整
第1章 土方工程
【例】某建筑场地地形如图所示，方格网a=20m，土质为亚粘土，设计排水坡度ix=2‰、iy=3‰，试按挖填平衡的原则确定场地各方格的角点设计标高，并计算场地平整土方量。（不考虑土的可松性影响和四周放坡）
1.2 场地平整
第1章 土方工程
1
【解】
1.计算各方格角点的地面标高
根据地形图等高线，假设两等高线之间的地面坡度按直线变化，用插入法求出各方格角点的地面标高。结果如右图所示。
2. 计算场地设计标高H0
H0=（ H1+2 H2+3 H3+4 H4）/4N
=[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）
1.2 场地平整
第1章 土方工程
70.09
3.根据排水坡度计算角点设计标高
Hn = H0 Lx ix L yi y ；
H1 =70.29-30×2‰+30×3‰=70.32(m)
70.32
70.36
70.40
70.44
70.26
70.30
70.34
70.38
70.20
70.24
70.28
70.32
70.14
70.18
70.22
70.26
H0＝70.29
H2 =70.29－10×2‰+30×3‰=70.36(m)
H3=70.29+10×2‰+30×3‰=70.40(m)
其它见图
1.2 场地平整
第1章 土方工程
70.32
70.36
70.40
70.44
70.26
70.30
70.34
70.38
70.20
70.24
70.28
70.32
70.14
70.18
70.22
70.26
70.09
4.计算各角点的施工高度
各方格角点的施工高度=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
1.2 场地平整
第1章 土方工程
70.32
70.36
70.40
70.44
70.26
70.30
70.34
70.38
70.20
70.24
70.28
70.32
70.14
70.18
70.22
70.26
70.32
70.36
70.40
70.44
70.38
70.26
70.30
70.34
70.20
70.24
70.28
70.14
70.18
70.32
70.36
70.40
+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
70.09
5.确定零点画零线（挖填分界线）
插入法、比例法找零点
零点连线
0
0
1.2 场地平整
第1章 土方工程
1
6.计算土方量
按公式分别计算各方格挖填土方量。
将计算出的土方量汇总如下：
总挖方量：
∑V挖=0.09+83.09+274+28.3+193+1.05+112.67=692.2（m3）
总填方量：
∑V填=82.09+1.76+194+38.3+286+91.72+0.01=693.88（m3）
1.2 场地平整
第1章 土方工程
1.2.2 土方调配
土方调配即对挖土的利用、堆弃和填土三者之间的关系进行综合协调处理，是大型土方施工设计的一个重要内容。土方调配应力求做到挖填平衡，运距最短或费用最低；考虑土方的利用，减少土方的重复挖、填和运输；便于机具调配和机械施工；分区调配与全场调配相协调。具体步骤如下：
1. 划分调配区
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。
2. 求出平均运距及土方施工单价
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。
1.2 场地平整
第1章 土方工程
挖 填
T1
T2
T3
挖方量
W1
50
70
100
500
W2
70
40
90
500
W3
60
110
70
500
W4
80
100
40
400
填方量
800
600
500
1900
3. 确定最优调配方案
以线性规划为理论基础，用表上作业法来求解。以案例说明：
调配区挖方量及平均运距
1.2 场地平整
第1章 土方工程
（1）初始调配方案编制
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。
填方量
填
挖
T1
T2
T3
挖方量
W1
50
70
100
500
W2
70
40
90
500
W3
60
110
70
500
W4
80
100
40
400
800
600
500
1900
400
500
500
300
100
100
结果：土方总运输量97000m3·m
1.2 场地平整
第1章 土方工程
（2）最优方案的判别
判别方法有“闭回路法”和“位势法”，都是用检验数λij来判别，只要所有检验数λij≥0时，方案为最优解。
挖 填
位势数
T1
T2
T3
位势数
Ui Vj
W1
500 50
70
100
W2
70
500 40
90
W3
300 60
100 110
100 70
W4
80
100
400 40
计算方法：平均运距Cij = Ui+Vj
设 U1=0，则V1= C11－U1=50－0=50；U3= C31－V1=60－50=10；V2=110－10=100； ……
U1= 0
V1=50
U3=10
V2=100
U2=－60
V3= 60
U4=－20
1.2 场地平整
第1章 土方工程
挖 填

T1
T2
T3

Ui Vj
V1=50
V2=100
V3=60
W1
U1=0
0
70
100
W2
U2=-60
70
0
90
W3
U3=10
0
0
0
W4
U4=-20
80
100
0
位势数
位势数
50
60
110
40
40
70
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;
21=70－(－60)－50＝80; ……
12=70－0－100＝－30
1.2 场地平整
第1章 土方工程
（3）方案调整
调整方法：闭回路法。
调整顺序：
①从负值最大的格开始。
②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。
③调整调配值。在奇数次转角点的数字中，挑最小的土方数调到初始方格中。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。
1.2 场地平整
第1章 土方工程
填方量
填
挖
T1
T2
T3
挖方量
W1
500
500
W2
500
500
W3
300
100
100
500
W4
400
400
800
600
500
1900
X12
(100)
(0)
(400)
(400)
方案调整表
1.2 场地平整
第1章 土方工程
再次用位势法进行检验
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。
挖 填

T1
T2
T3
Ui Vj
W1
W2
W3
W4
50
60
110
40
40
70
80
100
70
70
100
90
位势数
位势数
+40
+50
+60
+50
U1= 0
+50
V1=50
V2=70
U2=－30
U3=10
V3=60
U4=－20
+30
0
0
0
0
0
0
由于所有的检验数 ij ≥0，故该方案已为最优方案。
1.2 场地平整
第1章 土方工程
最优方案的总运输量:400×50＋100×70＋500×40＋400×60＋100×70＋400×40＝94000m3.m .
绘出调配图如下 （包括调运的流向、数量、运距）。
W1
W2
W3
W4
T1
T2
T3
m3
m
1.2 场地平整
第1章 土方工程
1.2.3 场地平整施工
1. 推土机施工
用途：多用于平整场地，移挖、回填土方，推筑堤坝以及配合挖土机集中土方、修路开道等。
工作特点：操纵灵活，运转方便，所需工作面较小、行驶速度快、易于转移，能爬30°左右的缓坡，应用范围较广。
适用于：推土机经济运距在100m以内，效率最高的运距为40～60m。
提高效率的作业方法：槽形推土，并列推土，下坡推士，分批集中、一次推送。
1.2 场地平整
第1章 土方工程
液压履带式推土机
1.2 场地平整
第1章 土方工程
铲刀可回转的液压履带式推土机
1.2 场地平整
第1章 土方工程
1.并列推土法
提高作业效率的方法：
1.2 场地平整
第1章 土方工程
下坡推土法
1.2 场地平整
第1章 土方工程
槽形推土法
1.2 场地平整
第1章 土方工程
集中推送法
1.2 场地平整
第1章 土方工程
2. 铲运机施工
用途：铲运机适于开挖一～三类土，常用于坡度20°以内的大面积土方填、平整土方，大型基坑开挖和堤坝填筑等。
类型：自行式铲运机、拖式铲运机
工作特点：操纵简单，不受地形限制，能独立工作，行驶速度快，生产效率高。
适用于：适用运距为60～1500m，当运距为200～350m时效率最高。
运行路线：环形、8字形等
作业方法：下坡铲土、跨铲法、推土机助铲法等
1.2 场地平整
第1章 土方工程
自行式铲运机
1.2 场地平整
第1章 土方工程
自行式铲运机
1.2 场地平整
第1章 土方工程
拖式铲运机
1.2 场地平整
第1章 土方工程
环形路线
“8”字形路线
锯齿形
铲运机运行路线
1－路堤； 2－取土槽
1.2 场地平整
第1章 土方工程
1. 铲运机下坡铲土法
铲运机作业方法
1.2 场地平整
第1章 土方工程
沟槽
土埂
A－铲刀宽；B－不大于拖拉机履带净宽
2. 跨铲法作业法
1.2 场地平整
第1章 土方工程
铲运机铲土
推土机助铲
3. 助铲法
4. 双铲联运法
1.2 场地平整
第1章 土方工程
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