第一章土方工程施工1

前言

土木工程施工是土木专业（房建方向）的一门实践性强、综合性大、涉及知识面广的骨干专业课程，它的任务是研究土木工程施工的局部规律和全局性规律。是同学们步入工作岗位后要学以致用、安身立命的主要课程之一。无论同学们毕业后在土木建筑领域从事何种职业和岗位，学好本课程的专业知识都将使你受用终生。本课程的诸多专业术语、概念和知识点常常是求职面试时主考官信手拈来的试题，本课程是你求职的敲门砖！本课程的施工程序、工艺流程、操作要点、质量要求等内容直接与规范的强制性条文接轨，这些知识将使你在职场受用一生！第1章土方工程第1讲土方规划第2讲土方工程施工要点第3讲机械化施工及填土压实

第1章土方工程

【教学要求】了解土方工程特点；掌握场地设计标高的确定、调整与土方调配；掌握边坡稳定及土壁支护的基本原理及主要方法；了解施工排、降水方法及流砂防治措施；熟悉常用土方机械的性能和使用范围；掌握土方的填筑与压实的要求和方法。

【教学重点】土方调配；边坡稳定及土壁支护的方法；轻型井点降水；土方的填筑与压实。

【教学难点】表上作业法进行土方调配；轻型井点降水；边坡稳定及土壁支护；影响填土压实的因素。

【时间安排】本章共3讲、6学时。第1讲土方规划1概述

2土方边坡3土方量计算的方法

4场地平整土方量计算5土方调配第1章土方工程1.2

土方工程的施工要求●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；1概述共46页第2页●要求标高、断面控制准确；●应尽可能采用先进的施工工艺、施工组织和机械化施工。●土体有足够的强度和稳定性；基坑土方开挖1

概述包括一切土的挖掘、填筑、运输等过程以及排水降水、土壁支撑等准备工作和辅助工程。常见的土方工程施工内容有：1.1

土方工程的内容

⑴场地平整：包括障碍物拆除、场地清理、确定场地设计标高、计算挖填土方量、合理进行土方平衡调配等。

⑵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。

⑶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。第1讲土方规划共46页第1页土的分类土的名称密度（kg/m3）开挖方法一类土（松软土）砂土；粉土；冲积砂土层；疏松的种植土；淤泥600～1500用锹、锄头挖掘二类土（普通土）粉质粘土；潮湿的黄土；夹有碎石、卵石的砂；粉土混卵(碎)石；种植土；填土1100～1600用锹、锄头挖掘，少许用镐翻松三类土（坚土）软及中等密实粘土；重粉质粘土；砾石土；干黄土；含碎(卵)石的黄土；粉质粘土；压实的填土1750～1900主要用镐，少许用锹、锄头，部分用撬棍四类土（砂砾坚土）坚实密实的粘性土或黄土；中等密实的含碎(卵)石粘性土或黄土；粗卵石；天然级配砂石；软泥灰岩1900用镐或撬棍，部分用锲子及大锤五类土（软石）硬质粘土；中密的页岩、泥灰岩、白垩土；胶结不紧的砾岩；软石灰岩及贝壳石岩1100～2700用镐或撬棍、大锤，部分用爆破六类土（次坚石）泥岩；砂岩；砾岩；坚实的页岩、泥灰岩；密实的石灰岩；风化花岗岩、片麻岩2200～2900用爆破方法，部分用风镐七类土（坚石）大理岩；辉绿岩；粉岩；粗、中粒花岗岩；坚实的白云岩、砂岩、砾岩、片麻岩、石灰岩2500～3100用爆破方法八类土（特坚石）安山岩；玄武岩；花岗片麻岩；坚实的细粒花岗岩、闪长岩、石英岩、辉长岩、辉绿岩2700～3300用爆破方法1.3土的工程分类1概述共46页第3页1.4

土的工程性质

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。

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。⑴土的质量密度取土环刀标准击实仪不同类的土，其最大干密度是不同的；同类的土在不同的状态下(含水量、压实程度)其密实度也是不同的1概述共46页第4页⑵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，见下式：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，获得最大干密度快速含水量测定仪1概述共46页第5页⑶土的渗透性

是指水流通过土中孔隙的难易程度。地下水在土中的渗流速度

V

与土的渗透系数

K

和水头梯度

I有关，地下水在土中的渗流速度可按达西公式计算：

V（m/d）=K·I

土壤渗透试验仪渗透系数K值将直接影响降水方案的选择和涌水量计算的准确性1概述共46页第6页⑷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KS表示。

土的最初可松性系数

KS=V2/V1；

土的最后可松性系数

K，S=V3/V1

。

式中：V1

——土在天然状态下的体积；

V2

——土经开挖后的松散体积；

V3

——土经回填压实后的体积。土的最初可松性系数KS是计算挖掘机械生产率、运土车辆数量及弃土坑容积的重要参数，最后可松性系数K，S是计算场地平整标高及填方所需的挖方体积等的重要参数。不同分类的土的可松性系数可参考下表：1概述共46页第7页土的可松性参考值土的类别体积增加百分数可松性系数最初最后最初Ks最后K，s一类土（种植土除外）8～171～2.51.08～1.171.01～1.03二类土（植物土、泥炭）20～303～41.20～1.301.03～1.04二类土14～282.5～51.14～1.281.02～1.05三类土24～304～71.24～1.301.04～1.07四类土（除外）26～326～91.26～1.321.06～1.09四类土（泥灰岩、蛋白）33～3711～151.33～1.371.11～1.15五～七类土30～4510～201.30～1.451.10～1.20八类土45～5020～301.45～1.501.20～1.301概述共46页第8页2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。边坡的表示方法为1:m，即：第1讲土方规划

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。共46页第9页临时性挖方的边坡值土的类别边坡值（高：宽）砂土（不包括细砂、粉砂）1:1.25～1:1.5一般粘性土硬1:0.75～1:1硬、塑1:1～1:1.25软1:1.5或更缓碎石类土充填坚硬、硬塑粘性土1:0.5～1:1充填砂土1:1～1:1.5边坡坡度应根据不同的挖填高度、土的工程性质及工程特点而定，既要保证土体稳定和施工安全，又要节省土方。临时性挖方边坡可按下表确定：2土方边坡共46页第10页深度在5m内的基坑(槽)、管沟边坡

的最陡坡度（不加支撑）土的种类边坡坡度（高：宽）坡顶无荷载坡顶有静载坡顶有动载中密的砂土1:1.001:1.251:1.50中密的碎石类土(充填物为砂土)1:0.751:1.001:1.25硬塑的粉土1:0.671:0.751:1.00中密的碎石类土(充填物为粘性土)1:0.501:0.671:0.75硬塑的粉质粘土、粘土1:0.331:0.501:0.67老黄土1:0.101:0.251:0.33软土(经井点降水后)1:1.00当地质条件良好,土质均匀且地下水位低于基坑(槽)底面标高时,挖方深度在5m以内,不加支撑的边坡可按下表确定：2土方边坡共46页第11页3土方量计算的基本方法土方量计算的基本方法有平均高度法和平均断面法两种。3.1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a2乘四个角点高度的平均值，即：第1讲土方规划共46页第12页方格网土方量计算则可采取平均高度法（四方棱柱体法和三角棱柱体法）3土方量计算的基本方法共46页第13页

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。3.2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：3土方量计算的基本方法共46页第14页场地平整土方计算对于在地形起伏的山区、丘陵地带修建较大厂房、体育场、车站等占地广阔工程的平整场地,主要是削凸填凹,移挖方作填方，将自然地面改造平整为场地设计要求的平面。确定场地设计标高计算挖填土方工程量确定土方调配方案选择土方施工机械拟定施工方案

4.1.1

H0的重要性

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意义。4.1

场地设计标高H0的确定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。第1讲土方规划共46页第15页4.1.2

H0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。4场地平整土方量计算共46页第16页4.1.3

H0的确定步骤如场地设计标高无特殊要求时，可根据挖填土方量平衡的原则确定H0,其步骤如下：

⑴划分方格网

方格网边长a可取10～50m，常用20m、40m；挖填平衡原则即场地内土方的绝对体积在平整前、后相等4场地平整土方量计算共46页第17页⑵确定各方格网角点高程●水准仪实测；●利用地形图上相邻两等高线的高程，用插入法求得。4场地平整土方量计算共46页第18页水准仪进行高程测量按每一个方格的角点的计算次数（权数），即方格的角点为几个方格共有的情况，确定设计标高H0的实用公式为：⑶按挖填平衡确定设计标高式中：

n——方格网数；

H1——一个方格仅有的角点坐标；

H2——两个方格共有的角点坐标；

H3——三个方格共有的角点坐标；

H4——四个方格共有的角点坐标。4场地平整土方量计算共46页第19页70.094.2

场地设计标高H0的调整

按以上步骤求得的H0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；

●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；

●场地泄水坡度的影响——单坡？双坡？4场地平整土方量计算共46页第20页由于土具有可松性，一般填土需相应提高设计标高，故考虑土的可松性后，场地设计标高调整为：VWVTH0V,WV,TH,0Δh理论设计标高调整设计标高4.2.1

土的可松性影响4场地平整土方量计算共46页第21页

场地设计标高H0是按挖填土方量平衡的原则确定的，但从经济观点出发，常会将部分挖方就近弃于场外，或就近于场外取土用于部分填方，均会引起挖填土方量的变化，亦需调整场地设计标高。4.2.2

场内挖方和填方的影响式中：

Q——场地根据H0平整后多余或不足的土方量。其设计标高调整值按下式计算：

4场地平整土方量计算共46页第22页

调整后的设计标高是一个水平面的标高，而实际施工中要根据泄水坡度的要求(单坡泄水或双坡泄水)计算出场地内各方格网角点实际设计标高。4.2.3场地泄水坡度的影响

⑴场地为单坡泄水时，场地内任意点的设计标高则为：式中：l——该点至设计标高H，0的距离；

i——场地泄水坡度（不小于2‰）。4场地平整土方量计算共46页第23页场地单向泄水坡度示意图

⑵场地为双坡泄水时，场地内任意点的设计标高则为：式中：lx、ly——该点沿X-X、Y-Y方向距场地中心线的距离；

ix、iy——场地沿X-X、Y-Y方向的泄水坡度。公式中正负号的取值：计算角点在H，0之上取“＋”，反之取“－”4场地平整土方量计算共46页第24页场地双向泄水坡度示意图【例】某建筑场地方格网、地面标高如图,格边长a=20m。泄水坡度ix=2‰，iy=3‰，不考虑土的可松性的影响，确定方格各角点的设计标高。70.09解：（1）初步设计标高（场地平均标高）H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4M=[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）（2）按泄水坡度调整设计标高：

Hn

=H0

Lx

ix

L

yiy

；

H1=70.29－30×2‰+30×3‰=70.32 H2=70.29－10×2‰+30×3‰=70.36 H3=70.29+10×2‰+30×3‰=70.40

其它见图70.0970.3270.3670.4070.4470.2670.3070.3470.3870.2070.2470.2870.3270.1470.1870.2270.26

H0＝70.294.3场地土方量的计算

4.3.1

求各方格角点的施工高度hn

hn=场地设计标高Hn－自然地面标高H

角点编号施工高度hn

1

-0.7243.2442.52自然地面标高H

设计标高Hn若hn为正值则该点为填方，

hn为负值则为挖方。场地土方量计算步骤如下：4场地平整土方量计算土方方格网图例共46页第25页

零线位置的确定：先求出方格网中边线两端施工高度有“+”、“－”中的零点，将相邻两零点连接起来即为零线。4.3.2绘出零线

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).零点的位置按下式计算：4场地平整土方量计算共46页第26页零点位置计算示意

为省略计算，亦可用图解法直接求出零点位置。即用尺在各角点标出相应比例，用尺相接，与方格相交点即为零点位置。见下图：

h1+0.30h2-0.20±0551010h7h8+0.7-0.10用尺量出h1＋0.3的刻度用尺量出h2－0.2的刻度两点连线与方格的交点为零点用尺量出h8－0.1的刻度用尺量出h7＋0.7的刻度两点连线与方格的交点为零点两零点连线即为零线4场地平整土方量计算共46页第27页4.3.3

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。4场地平整土方量计算共46页第28页挖方施工及长距离土方调运4.3.4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：

填方区··yH0H0xxOWxOTyOWyOTL0挖方区式中：

xi、yi

——i块方格的重心坐标；

Vi——i块方格的土方量。V1x1、y1V5x5、y5V19x19、y19挖方区重心填方区重心4场地平整土方量计算共46页第29页

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。4场地平整土方量计算共46页第30页5土方调配5.2土方调配的原则土方调配是土方规划中的一个重要内容。其原则是：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。5.1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。第1讲土方规划共46页第31页5.3

最优调配方案的确定

最优调配方案的确定，是以线性规划为理论基础，常用“表上作业法”求解。调配的步骤如下：用“最小元素法”编制初始调配方案最优方案判别绘制土方调配图最优方案判别方案的调整是否5土方调配共46页第32页5.3.1

初始调配方案

下图为一矩形广场，图中小方格内的数字为各调配区的土方量，箭杆上的数字则为各调配区之间的平均运距。试求土方调配最优方案。500500800600500500400W1T1W36050701108070401009040100W4T3W2T270挖方区编号填方区编号挖方区需调出土方填方区需调进土方调配区间的平均运距5土方调配共46页第33页各调配区土方量及平均运距

填方区挖方区T1T2T3挖方量m3W1x1150x1270x13100500C,11C,12C,13W2x2170x2240x2390500C,21C,22C,23W3x3260x32110x3370500C,31C,32C,33W4x4180x42100x4340400C,41C,42C,43填方量m380060050019005土方调配共46页第34页

填方区挖方区T1T2T3挖方量m3,11C,12C,13W2×7050040×90500C,21C,22C,23W36011070500C31C32C33W4×80×10040040400C,41C,42C,43填方量m38006005001900

步骤1：选取平均运距最小(C22=C43=40)的方格，确定它所对应的调配土方数，并使其尽可能大。本例选取C43=40，X43=400(W4的全部挖方调往T3)，X41、X42=0(W4的挖方不调往T1、T2)，在X41、X42的方格内画上“×”5土方调配共46页第35页

填方区挖方区T1T2T3挖方量m3W170100500C,11C,12C,13W27090500C,21C,22C,23W3500C,31C,32C,33W4×80×10040040400C,41C,42C,43填方量m38006005001900

步骤2：重复步骤1，按平均运距由小到大依次计算X22、X11、X31（C22→C11→C31）

，我们就得到了土方调配的初始方案。1.5土方调配5005001003001004050××××6070110共46页第36页5.3.2最优方案判别初始调配方案是按“就近调配”求得的，它保证了挖填平衡、总运输量是较小的，但不一定是最小的，因此还需进行判别。在“表上作业法”中判别最优方案的方法有很多，这里我们介绍引入“假想价格系数”求检验数λij来判别。首先求出表中各方格的假想价格系数，有调配土方的假想价格系数C，ij=Cij

，无调配土方的假想价格系数按下式计算：5土方调配共46页第37页利用已知的假想价格系数，我们可以逐个求解未知的C，ij。

步骤1：在有调配土方的方格内，C，ij=Cij

，将数据填入表中；

该公式的意义即：构成任一矩形的四个方格内对角线上的假想价格系数之和相等。

5土方调配共46页第38页

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，逐个求解未知的C，ij；如：填方区挖方区T1T2T3挖方量m3W150050×70×1005005010060W2×7050040×90500－10400W330060100110100705006011070W4×80×10040040400308040填方量m380060050019005土方调配共46页第39页填方区挖方区T1T2T3挖方量m3W150－70+1005005010060W2+7040+90500-10400W360110705006011070W4+80+10040400308040填方量m38006005001900

步骤3：引入检验数λ，按下式求出表中无调配土方方格的检验数（即方格右边两小格数字上下相减，将正负号填入表中）：

λ12出现负数说明方案不是最佳方案，需要进行调整。5土方调配共46页第40页

步骤2：找出x12的闭回路。其作法是，从x12方格出发，沿水平或竖直方向前进，遇到有数字的方格作900转弯(也可不转弯)，如果路线恰当，有限步后便能回到出发点。形成一条以有数字的方格为转角点、用水平或竖直线联起来的闭回路。见下表：

T1T2T3W1500X12W2500W3300100100W4400①②③④⑤5.3.3

方案的调整

步骤1：在所有负检验数中挑选一个(一般选最小的)，本例即λ12，将它对应的变量

x12作为调整对象。5土方调配共46页第41页

填方区挖方区T1T2T3挖方量m3W150070+1005005010060W2+7050040+90500-10400W330060110100705006011070W4+80+10040040400308040填方量m38006005001900

步骤3：从空格

X12出发，沿闭回路（方向任意）行进，在各奇数转角点的数字中挑出一个最小的（本例即X32=100）将它由X32调到X12方格中。5001005土方调配共46页第42页

填方区挖方区T1T2T3挖方量m3W15070+1005005010060W2+7050040+90500-10400W36011010070