《土木工程施工》第一章土方工程共16页

《土木工程施工》

第一章土方工程

【学习要求】熟悉“土的可松性”概念，掌握场地设计标高的确定，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；了解影响土方边坡稳定的因素，熟悉土壁支护的形式及适用范围，了解施工降水的基本方法及适用范围，熟悉轻型井点设计与施工；了解常用土方机械的性能及适用范围，能正确合理地选用；了解土方填筑与压实的基本要求及对工程质量的影响。

【重点难点】教学重点：场地设计标高的确定与调整、土方调配和施工、施工排水与降水。教学难点：表上作业法进行土方调配、轻型井点降水的计算。

【时间分配】3次课、6课时。

1 土方规划

1.1 内容及施工要求

1.1.1 常见的土方工程施工内容有：

①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。

②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。

③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。

1.1.2 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：在湖南省（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：

1.3 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。

①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。

②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：

22

1 G G

G W -

=（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25～30%，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

③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

④土的可松性——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K S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1.4

1.4 场地设计标高H0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。

1.4.1 H 0的确定原则：

● 满足生产工艺和运输的要求；

● 充分利用地形，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。

1.4.2 H 0的确定步骤

⑴ 按填挖平衡原则确定场地设计标高，先计算出H 0；

⑵ 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H n ；

⑶ 求各方格角点的施工高度h n ；

⑷ 绘出零线；

⑸ 计场算地挖、填土方量。

1.4.3 H 0的确定方法

方格网的划分一般10～50m ，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高H 0的实用公式为：

∑∑∑∑+++=)432(4143210H H H H n

H （1-13） 以P9页图1.14为例讲解

1.4.4 场地设计标高H 0的调整：

按以上步骤求得的H 0仅为一理论值，还应考虑以下因素进行调整,求出H 0,： ● 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；

● 场内挖方和填方的影响——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；

1.4.4.1 土的可松性影响

1.4.4.2 场内挖方和填方的影响

1.4.4.3 场内泄水坡度的影响

任意点的设计标高H ，i 为：

y y x x i i l i l H H ±±=0, （1-21）

各角点的施工高度h i 为：

i i i H H h -=,

（1-22）

1.5 土方工程量的计算与调配

1.5.1 土方工程量的基本方法：有平均高度法和平均断面法

1.5.1.1 平均高度法

⑴ 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a 2乘四个角点高度的平均值，即：

)(443212

h h h h a V +++= （1-14） ⑵ 三角棱柱体法：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……

1.5.1.2 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：

)4(6

201F F F L V ++= （1-13） 1.5.2 场地平整土方量的计算 ⑴ 求各方格角点的施工高度h n 若h i 为正值则该点为填方，

h i 为负值则为挖方。

⑵ 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 ｘ１、ｘ２——角点至零点的距离（ｍ）；

ｈ１、ｈ２——相邻两角点的施工高度（ｍ），均用绝对值；

a ——方格网的边长（ｍ）；

⑶ 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。

⑷ 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X 0、Y 0：

∑∑=i

i

i V V x X )(0 ； ∑∑=i i i V V x Y )(0 （1.27） 式中 x i 、y i ——i 块方格的重心坐标；

V i ——i 块方格的土方量。

则填、挖方区之间的平均运距L 0为：

2002000)()(W T W T y y x x L -+-= （1.28）

式中 x 0T 、y 0T ——填方区的重心坐标；

x 0W 、y 0W ——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。

1.6 土方调配

1.6.1 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和运输。

1.6.2 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。

1.6.3 土方调配的方法：

下面以教材P11页的例子采用“表上作业法”进行土方调配：

⑴ 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C 43开始确定其土方调配数，并使调配数x 43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1.8的初始方案计算结果。

⑵ 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 =C ij ，将数据填入表格

1.8中；

步骤2：按任一矩形的四个方格内对角线上的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,ij ij ij c c -=λ

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。

⑶ 方案的调整

步骤1：选定一个负检验数（λ

12）对应的变量（x 12）作为调整对象；

步骤2：找出x 12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（x 32的100）将其调入x 12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1.12。 2 土方工程施工要点

2.1 土方边坡

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。

m

H B B H 1/1===土方边坡坡度 （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 。

既要保证土体稳定和施工安全，又要节省土方

⑴ 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；

⑵ 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；

⑶永久性挖方或填方边坡则应按设计要求施工。

2.2 土壁稳定

2.2.1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。

土壁的稳定主要是由土体内磨擦阻力和粘结力来保持平衡的.一但土体失去平衡,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。

2.2.2 造成土壁塌方的原因：

①边坡过陡；

②雨水、地下水渗入基坑；

③基坑上口边缘堆载过大；

④土方开挖顺序、方法未遵守“从上至下、分层开挖；开槽支撑、先撑后挖”的原则。

2.2.3 防治塌方的措施：

①放足边坡；

②设置支撑；见教材P14-17页表1.13；

③做好施工排水，防止产生流砂现象；

④对可能产生滑坡的地段，不宜在雨期挖方，并应遵循先整治后开挖和由上至下的开挖顺序，严禁先切除坡脚或在滑坡体上弃土；

⑤基坑边坡有危岩、孤石、崩塌体等不稳定的迹象时要先做妥善处理。

⑥边坡稳定：开挖后对软土土坡和极易风化的软质岩石边坡，应对坡脚、坡面采取喷浆、抹面、嵌补、砌石等保护措施，并作好坡顶、坡脚排水；

⑦挖方上边缘至土堆坡脚的距离：应根据挖方深度、边坡高度和土的类别确定，当土质干燥密实时不小于3米，当土质松软地不小于5米。应在土堆坡脚设置排水沟，防止雨水流入挖方场地。

2.2.4 边坡开挖

场地边坡开挖应采取沿等高线自上而下、分层、分段依次进行。在边坡上采取多台阶同时进行开挖时，上台阶应比下台阶开挖进深不少于30米，以防塌方；

边坡台阶开挖，应作成一定坡势以利泄水。边坡下部设有护脚及排水沟时，在边坡修完后，应立即进行护脚矮墙和排水沟的砌筑和疏通，以保证坡面不被冲刷和坡脚范围内不积水。

2.2.5 基坑槽和管沟开挖

①基坑开挖,上部应有排水措施,防止地表水流入坑内冲刷边坡,造成塌方和破坏基土；

②基坑开挖，应进行测量定位、抄平放线，定出开挖宽度，根据土质和水文情况确定在四侧或两侧、直立或放坡开挖，坑底宽度应注意预留施工操作面；

③应根据开挖深度、土体类别及工程性质等综合因素确定保持土壁稳定的方法和措施；

④基坑开挖的一般程序：测量放线→切线分层开挖→排降水→修坡→整平→留足预留土层等。相邻基坑开挖时应遵循先深后浅或同时进行的施工程序，挖土应自上而下水平分段分层进行，每层30cm左右，边挖边检查坑底宽度及坡度，每3m左右修一次坡，至设计标高再统一进行一次修坡清底；

⑤基坑开挖应防止对基础持力层土壤的扰动，基坑挖好后不能立即进入下道工序，应预留15（人工）～30cm（机械）一层土不挖，待下道工序开始后再挖至设计标高，以防止基底持力层土壤被阳光曝晒或雨水浸泡；

⑥在地下水位以下挖土，应在基坑四侧或两侧设置排水沟或集水井，或考虑施工降水措施，降水工作应持续到基础施工完成；

⑦雨季施工时基坑槽应分段开挖，挖好一段浇筑一段垫层；

⑧弃土应及时运出，在基坑槽边缘上侧临时堆土、材料或移动施工机械时，应与基坑上边缘保持1m以上的距离，以保证坑壁或边坡的稳定；

⑨基坑挖完后，应组织有业主、设计、勘察、监理四方参与的基坑验槽，并报质监站验证。符合要求方可进入下一道工序。

2.2.6 土壁支护

主要是撑、挡、拉、锚、固等手段

支挡结构设计除进行强度计算外，一般还要进行整体稳定、抗倾覆、抗滑移和位移验算。