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1、. . 第一章 土方工程【容提要】 本章重点讨论场地设计标高的确定及优化、土方工程量计算及调配、土壁支撑及施工降水、土方机械选择、土方填筑压实施工等。本章是课程的教学重点。【学习方法指示】 本章容涉及到土力学及线性规划等方面的知识，学习难度较大。 熟悉“土的可松性”概念；掌握场地设计标高的确定、调整及列表计算最佳设计平面；掌握土方工程量计算、调配，运用表上作业法求最优调配方案。掌握影响土方边坡稳定的因素；熟悉土壁支护的形式及适用围；了解施工降水的基本方法及适用围，熟悉轻型井点设计与施工；熟悉流砂现象的原因与防治方法。自学支护结构的设计和轻型井点设计。掌握土方机械选择和挖土机与汽车配合施工问题；
2、熟悉土方填筑与压实的基本要求及对工程质量的影响。【时间安排】共1.5周、3次课、6课时。1 概 述1.1 土方工程的容及施工要求常见的土方工程施工容有：场地平整 包括障碍物拆除、场地清理、确定场地设计标高、计算挖填土量、合理进行土方平衡调配等。开挖沟槽、基坑、竖井、隧道、修筑路基、堤坝 包括测量放线、施工排水降水、土方边坡和支护结构等。土方回填与压实 包括土料选择、运输、填土压实的方法及密实度检验等。土方工程的施工要求： 要求标高、断面控制准确； 土体有足够的强度和稳定性； 土方量少、工期短、费用省； 因地制宜编制合理的施工方案，预防流砂、管涌、塌方等事故发生，确保安全； 应尽可能采用先进的施
3、工工艺、施工组织和机械化施工。1.2 土的工程分类分类：在土方工程施工中，按开挖的难易程度分为八类，见教材表1-1注：在省（99）单位估价表中，一二类土统一划为普通土，三四类土统一划为坚土。不同类土的开挖费用和工效是不一样的，如基坑挖土石方的基价和台班产量：一二类三四类五类六类七类八类单价（元/m3）7.6215.5519.9625.553.49109.97台班产量（m3/工日）2.581.270.980.770.370.181.3土的工程性质：土有各种工程性质（物理指标），其中影响土方施工的有土的质量密度、含水量、渗透性和可松性等。土的质量密度分天然密度和干密度。土的天然密度是指土在天然状态
4、下单位体积的质量，它影响土的承载力、土压力及边坡的稳定性。土的干密度是指单位体积中固体颗粒的质量，它是用以检验土压实质量的控制指标。土的含水量W是土中所含的水与土的固体颗粒间的质量比，以百分数表示： （1.1） G1含水状态时土的质量；G2土烘干后的质量。土的含水量影响土方施工方法的选择、边坡的稳定和回填土的质量；土的含水量超过2530%，则机械化施工就困难，容易打滑、陷车；回填土则需有最佳含水量方能夯压密实，获得最大干密度。见教材表1.2土的渗透性是指水在土中渗流的性能，一般以渗透系数K表示。渗透系数K值将直接影响降水方案的选择和涌水量计算的准确性。一般土的渗透系数参考值见教材表1.3土的可
5、松性即自然状态下的土，经过开挖后，其体积因松散而增加，以后虽经回填压实，仍不能恢复其原来的体积。土的可松性用可松性系数KS表示。土的可松性对土方量的平衡调配，确定运土机具的数量及弃土坑的容积，以及计算填方所需的挖方体积等均有很大的影响。不同分类的土的可松性系数可参考教材表1.42 场地设计标高Z0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，也是总图规划和竖向设计的依据。合理地确定场地的设计标高，对减少土方工程量、加速工程进度、降低工程造价有着重要的经济意义。确定场地设计标高应结合各类影响因素反复进行技术经济比较，选择一个最佳方案。2.1 Z0的确定原则：满足生产工艺和运输的要求；充分利
6、用地形，分区或分台阶布置，分别确定不同的设计标高；考虑挖填平衡，弃土运输或取土回填的土方量最少；要有合理的泄水坡度（2），满足排水要求；考虑最高洪水位的影响。2.2 Z0的确定步骤及方法：2.2.1 无特殊要求时，可按以下步骤：按确定场地设计标高的一般方法，先计算出Z0；用最小二乘法求最佳设计平面；场地设计标高的调整（考虑土的可松性、工程余土或用土、场地泄水坡度的影响），计算出Zn；求各方格角点的施工高度hn；绘出零线；计算场地挖、填土方量。2.2.2 方法：方格网的划分一般1050m，常用20m、40m；方格网角点高程可采用水准仪实地测量或利用地形图的等高线用插入法求得；按挖填平衡确定设计标
7、高Z0的实用公式为： （1-4）以P52页习题1-1为例讲解2.3 用最小二乘法求最佳设计平面用前述方法求得的设计平面能使土方工程挖填平衡，但不能保证总的土方量最小。当地形比较复杂或需设计成多平面场地时，可用最小二乘法求最佳设计平面。用最小二乘法求最佳设计平面一般采用列表计算法。讲解表1-3y、x、z各角点的X、Y轴坐标及原始地形标高；P各角点的权数；Px、Py、Pz、Pxx、Pyy、Pxy、Pxz、PyzP与x、y、z的乘积；H各角点的施工高度 (1-6)式中：c为场地设计标高，如场地为水平面，则ix=iy=0最后一列PH的和等于0，则计算结果无误。2.4 场地设计标高H0的调整：按以上步骤
8、求得的Z0仅为一理论值，还应考虑以下因素进行调整,求出Z0,：土的可松性影响填方因土的可松性引起的填方体积增加；考虑工程余土或工程用土，相应提高或降低设计标高；场挖方和填方的影响从经济观点出发，安排的挖方就近弃土和填方就近场外取土，引起的挖填土方量的变化；泄水坡度的调整：任意点的设计标高Z，i为： （1-5）各角点的施工高度Hi为： （1-6）3 土方工程量的计算与调配3.1 土方工程量的基本方法：有平均高度法和平均断面法3.1.1 平均高度法 四方棱柱体法：将施工区域划分为若干个边长等于a的方格网，每个方格网的土方体积V等于底面积a2乘四个角点高度的平均值，即： （1-14） 三角棱柱体法：
9、将每一个方格顺地形的等高线沿对角线划分为两个三角形，然后分别计算每一个三角棱柱体的土方量。略3.1.2 平均断面法基坑、基槽、管沟、路堤的土方量计算可采用平均断面法。即： （1-13） 角点编号 施工高度H n1 -0.7243.24 42.52自然地面标高Zi 设计标高Z，i3.2 场地平整土方量的计算 求各方格角点的施工高度Hn若Hi为正值则该点为填方， Hi为负值则为挖方。 绘出“零线”“零线”位置的确定：在方格网中找出边线两端施工高度有“+”“”的“零点”，将两“零点”连接起来即为“零线”。零点的位置按下式计算：式中 、角点至零点的距离（）；、相邻两角点的施工高度（），均用绝对值； a
10、方格网的边长（）； 计算场地挖、填土方量“零线”求出，也就划出了场地的挖方区和填方区，便可按平均高度法计算各方格的挖、填土方量了。计算各挖、填方调配区之间的平均运距先按下式求出各挖方或填方区土方重心坐标X0、Y0：式中 xi、yii块方格的重心坐标； Vii块方格的土方量。则填、挖方区之间的平均运距L0为：式中 x0T、y0T填方区的重心坐标； x0W、y0W挖方区的重心坐标。在实际工作中，亦可用作图法近似地求出调配区的形心位置O代替重心坐标，用比例尺量出每对调配区的平均运距。3.3 土方调配3.3.1土方调配区的划分原则：力求挖填平衡、运距最短、费用最省，考虑土方的利用，以减少土方的重复挖填
11、和运输。3.3.2土方调配的步骤：划分调配区（绘出零线）计算调配区之间的平均运距（即挖方区至填方区土方重心的距离）确定初始调配方案优化方案判别绘制土方调配图表。3.3.3土方调配的方法：下面以教材P14页的例子采用“表上作业法”进行土方调配：用“最小元素法”编制初始调配方案步骤1：将土方数及平均运距填入表中； 步骤2：选定一个最小运距C43开始确定其土方调配数，并使调配数x43尽可能大；无土方调入的区打；步骤3：按运距由小至大依次按步骤2的方法进行，就得到表1-7的初始方案计算结果。最优方案的判别步骤1：引入假想价格系数C，ij，有调配土方的C，ij=Cij，将数据填入表格1-8中；步骤2：按
12、任一矩形的四个方格对角线上的C，ij之和相等（公式1-23）计算无调配土方的C，ij，也将数据填入表格1-8中；步骤3：引入检验数 即将无土方调配的方格右边两小格上下数字相减，出现负数就说明初始方案不是最优方案，需要进一步调整。 方案的调整步骤1：选定一个负检验数（12）对应的变量（x12）作为调整对象；步骤2：找出x12的闭回路； 步骤3：在奇数次转角点的数字中找出一个最小的（x32的100）将其调入x12中；步骤4：将闭回路上其它的奇数次转角点的数字都减去100，偶数次转角点的数字都加上100，使得填挖方区的土方量仍保持平衡。见表1-11。4 土方工程的准备与辅助工作土方工程施工的要点,主
13、要解决土壁稳定、施工排水、流砂防治和填土压实等四个问题。4.1 准备工作见教材P20页4.2 土方边坡及稳定合理地选择基坑、沟槽、路基、堤坝的断面和留设边坡，是减少土方量的有效措施。 （1-25）式中m = b / h ，称为坡度系数。其意义为：当边坡高度已知为h时，其边坡宽度则等于mh。4.2.1影响边坡坡度的因素有： 挖填高度高度大则坡度系数大，高度小则坡度系数小，甚至不放坡； 土的工程性质土的类别、含水量，有无地下水等。土的类别低（密度小）、含水量大，则坡度系数大；土的类别高（密度大）、含水量小，则坡度系数小； 施工的特点坡顶是否有荷载？施工期长短？施工季节？人工作业还是机械作业？应对坡
14、顶有荷载（尤其是有动荷载）、使用时间长、且跨越冬雨季施工的边坡留有充足的安全系数。 4.2.2边坡的确定既要保证土体稳定和施工安全，又要节省土方场地边坡：临时性挖方边坡应按使用时间（临时或永久性）、土的种类、土的工程性质、水文情况确定，表1.5和1.6仅供参考，工作实践中应查阅专业的施工手册；挖方中有不同土层，且深度较大时（8m以上），其边坡可做成折线形或台阶形，以减少土方；永久性挖方或填方边坡则应按设计要求施工。4.2.3边坡的稳定土壁的稳定主要是由土体磨擦阻力和粘结力来保持平衡的.一量土体失去平衡,土体就会塌方,这不仅会造成人身安全事故、影响工期，有时还会危及附近的建构筑物。造成土壁塌方的原因：边坡过陡
