土方工程课件

第一章土方工程

第一節土的分類及性質一、土的分類1、按地基土分類：

——根據土的顆粒級配或塑性指數分六類岩石、碎石土、砂土、粉土、粘性土、人工填土2、土的工程分類：

——按施工的難易程度分八類鬆軟土、普通土、堅土、砂礫堅土、軟石、次堅石堅石、特堅石二、土的性質

1、可松性（1）定義

自然狀態下的土，經過開挖後，其體積因鬆散而增加，以後雖經回填壓實，仍不能恢復到原來的體積，這種性質稱為土的可松性

V2—

開挖後土的鬆散體積

V1—

土的自然體積

（2）可松性的表示—可松性係數

1）最初可松性係數Ks

2）土的最終可松性係數K/sV3——土壓實後的體積

V1——土的自然體積

（3）工程中對土的可松性的考慮1）借土、棄土時應考慮土的可松性

Vw

Vt2）確定運土工具時，應考慮土的可松性

式中Q—借土或棄土的量，正表示棄土，負表示借土；

Vt；Vw—填或挖方的體積；

Ks；Ks’—土的可松性係數

Q=（1000-1500/1.03）×1.08=－492.8m3

結果為負，故該場地應借土

運土的車次為

n=492.8/5=48（車次）例題：某場地的挖方體積為1000m3，填方體積為1500m3，ks=1.08，ks’=1.03，問該場地是借土還是棄土？若用運土量為5m3/車汽車運土，問應運多少車次？解：根據公式2、土的含水量

（1）定義：土中水的重量與土的固體顆粒重量之比稱為土的含水量。

（2）運算式ω=Ww

/W×100%式中：

ω——土的含水量；

Ww

——土中水的重量；

W——土中固體顆粒的重量；

（3）應用

1）填土時應考慮土的最佳含水量；

2）含水量的高低對土的承載力和邊坡的穩定性有影響。3、土的滲透性（1）定義：土體孔隙中的自由水在重力的作用下會透過土體而運動，土體這種被水透過的性質稱為土的滲透性。（2）表示：滲透係數Ｋ由達西定律Ｖ＝ＫＩ，即k＝V/I知，滲透係數的物理意義是：當水力梯度等於１時水的滲流速度。（３）應用１）地下降水、計算湧水量應考慮滲透係數的大小。２）流砂的防治應考慮。三、土方邊坡1、土方邊坡（1）邊坡的含義土方施工中為了保持土壁穩定防止塌方，將挖方和填方的邊緣作成一定的坡度，這個傾斜的坡度即為邊坡。（2）邊坡的表示

土方邊坡坡度或邊坡係數

m，m=b/h邊坡坡度＝hbm2、土方挖方邊坡要求

挖方邊坡應根據使用時間（臨時或永久性）、土的種類、物理力學性質（內摩擦角、粘聚力、密度、濕度、水文情況）等確定。（1）不放坡直槽高度當地下水位低於基底，在濕度正常的土層中開挖基坑或管溝，且敞露時間不長，可做成直壁不加支撐，但挖方深度不宜超過下列規定：①密實、中密的砂土和碎石土≤1m；②硬塑、可塑的輕亞粘土及亞粘土≤1.25m；③硬塑、可塑的粘土和碎石土≤1.5m；④堅硬的粘土≤2m。第二節土方量的計算一、基坑、基槽的土方量的計算１、基坑對於基坑土方量可按立體幾何中的擬柱體（由兩個平行平面作為上、下底的一種多面體）體積計算，先計算上、下兩個面的面積F1、F2，再計算其體積。如圖示，計算公式為ｈ——開挖深度；Ｆ１、Ｆ２——上下兩個面的面積；

a、b——底面的長度和寬；

m——放坡係數。

b或a＋mha2、基槽溝槽土方量可沿其長度方向分段（截面相同的不分段）計算，先計算截面面積，再求長度，累計各段計算土方量，如圖示，可按下式計算Vi——

第i段的體積（m3）；F1、F2——

第i段的兩端面積（m2）；

Li——第i段的長度；

F0——第i段的中截面積；

例某建築外牆採用毛石基礎，基礎底寬1.07m，開挖深度1.8m，地基為硬塑粘土，已知土的可松性係數ks＝1.3，k‘s＝1.05。試計算每100m長基槽的挖方量；若留土後填，餘土全部運走，計算預留土量及棄土量。解：查硬塑粘土放坡起始深度為1.5m，放坡坡度為1∶0.33，考慮工作面300mm基礎底寬為：（1070＋2×300＋1800×0.33）＝2860mm解：基礎開挖截面積按梯形計算每100m長基槽的挖方量

V挖=AL=4.08×100=408(m2)基礎所占的體積V基＝(0.44×1.07十0.5×0.67十0.9×0.37)×100＝109.6(m3)預留填方量(按原土計算)：棄土量（按鬆散體積計算）V棄＝（V挖－V填）KS＝（408－284.19）×1.3＝160.95（m3）二、場地平整土方量計算1、設計標高的確定

場地整平常要求場地內的土方在平整前和平整後相等，達到挖填土方量平衡。即“挖填平衡”的原則確定設計標高H0。如圖示。

1）在圖上劃分方格，邊長a=10~40m，常用a=20m2）根據等高線按比例求解各頂點的地面高程Hij3）求解H0Vw

Vt

圖場地平整標高計算

1—等高線2—自然地坪3—設計標高平面

4—自然地面與設計標高平面的交線（零線）化簡得改寫成H0—達到挖填平衡的場地標高（m）；a—方格網邊長（m）；N—方格數（個）；H11…H22—各方格四個角點的標高（m）;H1—1個方格共有的角點標高（m）；H2—2個方格共有的角點標高（m）；H3—3個方格共有的角點標高（m）；H4—4個方格共有的角點標高（m）。2、H0的調整1）考慮土的可松性影響

由於土有可松性，為了達到挖填平衡，則應把H0提高△h，如圖示

VTVW△hAWAT圖標高調整簡圖增加高度計算：由得式中：

VT、VW—

設計標高調整前的填挖方體積

AT、AW—

設計標高調整前的填挖方面積；

Ks’—

土的最終可松性係數；

△h—

設計標高的增加值。VTVW△hAWAT2）考慮排水坡度後的標高

H0為理論數值，可作施工粗略確定場地整平標高用，實際場地均有排水坡度，如場地面積較大，一般有2‰以上的排水坡度，應考慮坡度對設計標高的影響，如果以場地中心為基點，雙向排水41H1235678910111213141516ixiy

式中：Hn—場地內任意一點的設計標高

H0—座標原點的設計標高ixiy—x方向y方向的排水坡度（不小於2‰）lx

ly—x，y方向至場地中心的距離±—由場地中心點沿x，y方向指向計算點，若其方向與ixiy反向則取“+”號，反之取“－”號cabxzy則場地內任一點實際施工時所採用的設計標高Hn，可由下式求得3、求各頂點的施工高度式中：

hn—各頂點的施工高度，

“+”為填方，“－”為挖方

Hn—各角點的設計標高

Hn’—各角點的自然標高41H1’h1H1235678910111213141516ixiy

4、確定零線，即挖填的分界線當一個方格內同時有填方與挖方時，要確定挖填的分界線即“零線”。先確定零點，再把零點連起來得零線（如圖）。41235678910111213141516ixiy零線填方區挖方區內插法確定零點：

零點確定公式h1h1o1x2x1h2h2h3h4o2零線o1圖零點及零線的確定式中hi取絕對值5、土方量的計算(四方棱柱體法)如圖示按零線通過的位置不同，方格可分為三種類型，即：全填或全挖、兩挖兩填、三挖一填或三填一挖41H1’h1H1235678910111213141516ixiy方格網示意圖零線填方區挖方區1）全填或全挖h1h2h3h4a全填全挖41H1’h1H1235678910111213141516ixiy填方區挖方區2）兩挖兩填h1h2cah3h4b兩填兩挖零線填方區挖方區零線41H1’h1H1235678910111213141516ixiy3）三挖一填或三填一挖h1h4h2h3b

ca三填一挖或

三挖一填41H1’h1H1235678910111213141516ixiy填方區挖方區零線6、求總挖填方量將所有的挖方填方累加起來即得總的挖填方量7、邊坡土方量的計算

（1）挖方區、填方區土方邊坡在整平場地、修築路基的邊坡時，常需計算邊坡挖填土方量挖方填方挖方區邊坡填方區邊坡設計平面剖面圖自然地面（2）邊坡幾何形狀

1）三角棱錐體2）三角棱柱體邊坡可劃分為兩種近似的幾何形體，一種為三角棱錐體（如體積①~③、⑤~11）；另一種為三角棱柱體（如體積④），然後應用幾何公式分別進行土方計算，最後將各塊匯總，即得場地邊坡總挖、填土方量）（3）邊坡體積

1）三角棱錐體體積

三角棱錐體體積V可按下式計算（如圖中的①）

式中：V1—邊坡①三角棱錐體體積（m3）；

l1—邊坡①的邊長（m）；

m—邊坡的坡度係數；

2）三角棱柱體體積

a）邊坡三角棱柱體積V，可按下式計算（如圖中的④

）b）當兩端橫截面面積相差很大時

式中：V4—邊坡④三角棱柱體積（m3）l4—邊坡④的長度（m）F1、F2、F0—邊坡④兩端及中部的橫截面面積

（以5角點為中心），不考慮土的可松性影響，試按挖填平整的原則計算該場地平整的土方量。

8土方計算實例

某場地平整利用方格網法計算其土方量a=20m，各角點編號及自然標高如圖示，場地考慮雙向排水，ix=0.2%，iy=0.3%ix＝0.2％iy＝0.3％xy解：（1）確定設計標高H0

ix＝0.2％iy＝0.3％xy2、考慮排水坡度影響，計算每個角點的計算標高（以5角點為中心）同理其餘各角點的設標高可計算出並標在圖上H4=9.5;H5=9.56;H6=9.62;H7=9.68;H8=9.54;H9=9.6;H10=9.66;H11=9.72cabxzyyxix＝0.2％iy＝0.3％3.計算各角點的施工高度

同理計算其他各角點的施工高度結果標在圖上。ix＝0.2％iy＝0.3％4.計算零點，找零線利用公式求零點距角點的距離。1—2線4—5線

零線填方區

挖方區ix＝0.2％iy＝0.3％5—9線6—10線10—11線把零點連成零線零線填方區

挖方區ix＝0.2％iy＝0.3％5.計算土方量

方格1245零線填方區

挖方區ix＝0.2％iy＝0.3％兩挖兩填V+=20（0.83+17.65）（0.01+0.3）/8=14.32m3V－=20（19.17+2.35）（0.23+0.04）/8=14.53m3方格4589

零線填方區

挖方區ix＝0.2％iy＝0.3％

一挖三填V+=（20²－2.35×2.35/2）·（0.3+0.74+0.3）/5=106.46m3V－=1/2×2.35×2.35×0.04/3=0.04m3方格2356V－=20²（0.23+0.42+0.04+0.08）/4=77m3

全挖方格4589V+=（20²-2.35×2.35/2）·（0.3+0.74+0.3）/5=106.46m3V－=1/2×2.35×2.35×0.04/3=0.04m3

方格2356V－=20²（0.23+0.42+0.04+0.08）/4=77m3

方格56910V+=1/2（17.65+13.32）×20×（0.3+0.16）/4=35.63m3V－=20/8×（2.35+6.67）×（0.04+0.08）=2.71m3

方格671011V+=1/6×（13/33×9.41）×0.16=3.35m3V－=（202-13.33×9.41）×（0.08+0.42+0.18）/5=37.34m3

總土方量

V+=14.32+106.46+35.63+3.35=159.76m3V－=14.53+77+0.04+2.71+37.34=131.62m3三、土方調配1、調配原則1）填方、挖方基本平衡，減少運土2）填、挖方量與運距的乘積之和盡可能小，使總的運費最低3）好土應用於回填品質要求高的區域4）土方調配應與地下構築物的施工相配合，地下設施的挖土，應留土後填5）選擇恰當的調配方向及線路、避免對流與亂流現象，同時便利調配、機械化施工2、調配步驟1）劃分調配區在平面圖上劃出挖、填區的分界線，並在挖方區和填方區劃出若干調配區，確定調配區的大小和位置W3300W4350T1500T2600T3450W1500W2400調配區劃分（各調配區土方量如圖，單位：m3）2）計算各調配區的土方量，並標於圖上3）計算每對調配區的平均運距（或運輸單價），即挖方區土方重心至填方區重心的距離Lij（或單價cij），標於表中LmnLinL2nL1nLmjLijL2jL1jLm2Li2L22L12Lm1Li1L21L11Wm……

Wi……W2W1挖方量（m3）

TnXmn……Xin……X2nX1n

Bn….….….….….………

TjXmj……Xij…..X2jX1j

B3….….…..….……………T2Xm2……Xi2……X22X12B2T1Xm1……Xi1……X21X11B1填方量（m3）Am……Ai……A2A1挖方填方表1土方平衡與運距表4）確定最優調配方案先用“最小元素法”確定初始方案，再用“位勢法”進行檢查方案總的運輸量：若5）繪製土方調配圖，根據以上結果，標出調配方向、土方數量及運距為最小值，方案最優；否則用“閉回路法”進行調整，直到求得最優方案Lij——從挖區i調配到j的平均運距（m）或運輸單價cij（元/m3）；Xij——從挖區i調配到j區的土方量（m3）。3例題矩形廣場各調配區的土方量如圖所示，相互之間的平均運距見表2，試求最優土方調配方案。

W3300W4350T1500T2600T3450W1500W2400各調配區的土方量解：（1）先將圖中的數值標注在填、挖方平衡及運距表2中表2挖填方平衡及運距表80110409050130901501308014010015501550350300400500挖方量（m3）450

T3600T2500T1填方量（m3）W4W3W2W1挖方填方（2）採用“最小元素法”編初始調配方案，即根據對應於最小的Lij（cij）取最大的xij值的原則調配。初始方案見表

表3

土方初始調配方案總運輸工程量S1=100×200+250×150+50×90+400×40+300×80+350×50=119500m3•m400503502503002001）計算位勢數ui、vj對有調配數方格令u1＝0依次計算各ui、vjV1=100V2=150V3=90U1=0U3=-20U4=-100U12=-50（3）方案最優性檢驗cij

=ui＋vj2）計算檢驗數λij。V1=100V2=150V3=90U1=0U3=-20U4=-100U12=-50++++－10+表5檢驗數的計算檢驗結果見表，從中可以知道λ22=－10<0，故初始方案不是最優無調配數方格的檢驗數λij

=cij

–（ui＋vj）若所有λij≥0則方案最優，結束若有λij<0則方案不是最優，繼續調整、檢驗，直到達到最優（4）用“閉回路法”進行調整1）找出X22的閉回路：從X22空格出發，沿水準或豎直方向前進，遇到有適當數字的空格作900的轉彎，然後依次繼續前進，再回到出發點形成一條閉回路，如表6中形成的閉回路;80110409050130901501308014010015501550350300400500挖方量（m3）45040050

T3600350250T2500300200T1填方量（m3）W4W3W2W1挖方填方X22表6閉合回路80110409050130901501308014010015501550350300400500挖方量（m3）45040050

T3600350250T2500300200T1填方量（m3）W4W3W2W1挖方填方2）從X22出發沿閉回路前進，在各奇數次轉角點的數字中挑出一個最小的（例題中在400，250中取250）將其調到X22空格中；其他奇數次轉角上減去250，偶數次轉角上數字加250，形成新的方案如表7;X22挖方填方T1T2

T3挖方量（m3）W120010015030090500W21402509015040400W330080130110300W41303505080350填方量（m3）50060045015501550表7調整後的新方案80110409050130901501308014010015501550350300400500挖方量（m3）450150300

T3600350250T2500300200T1填方量（m3）W4W3W2W1挖方填方U2=－50U3=－20U4=－90V1=100V2=140V3=90U1=05）再用位勢法檢驗

①重新計算位勢，見表8表8新位勢數計算②再用位勢法檢驗

250V1=100V2=140V3=90U1=0U3=-20U4=-90U12=-50++++300150表9新檢驗數的計算++從表9可知，所有的λij≥0，故新方案為最優

A3

300

A4

350

B1

500

B2

600

B3

450

A1

500

A2400300250150350200300土方調配見圖第三節土方施工要點一、土壁穩定

土壁的穩定主要由土體內的摩阻力和粘結力來保持平衡的，一旦土體失去平衡，就會造成塌方，不僅會造成人身安全事故，而且會影響工期，甚至會危及附近的建築物，因而土方施工中應保持土壁穩定防止塌方。

1、土壁塌方的原因（1）內因

主要是由於在外界因素的影響下，使土體內的抗剪強度降低，使土體中的剪應力超過其抗剪強度所造成。引起土壤抗剪強度降低的因素主要有：1）氣候的影響使土質鬆軟；2）土體內含水量增加而產生潤滑作用；3）飽和的細砂、粉砂受振動而液化等。（2）外因引起下滑力增加的因素主要有：

1）坡頂上堆物、行車等荷載；

2）雨水或地面水滲入土中使土的含水量提高而使土的自重增加；

3）地下水的滲流產生一定的動水壓力；

4）土體豎向裂縫中的積水產生側向靜水壓力等。2、防止塌方的措施（1）放足邊坡等放足邊坡，不同土質可採用不同坡度禁止坡角挖土禁止坡頂大量堆載填壓坡腳（2）設支護

1）適用當施工現場條件的限制不能放坡可設支護。

2）支護形式板樁支護板樁支護板樁支護

灌注樁支護灌注樁支護

地下連續牆上海勝康廖式大廈基坑地下連續牆圍護結構加鋼管內支撐支護結構體系。基坑長88.31m，寬42.55m，深11.0m深層攪拌水泥土樁支護土層錨杆支護二、施工排（降）水1、排水的重要性

流入基坑中的地下水和地面水不及時排走，不僅會使施工條件惡化，造成土壁塌方，而且會影響地基的承載力。2、降水的方式及措施1）集水坑降水法（明排水）當土的滲透性強時，採用集水坑降水法容易產生流砂現象。2）井點降水（1）含義：在基坑開挖前，預先在基坑周圍或基坑內設置一定數量的濾水管（井），利用抽水設備從中抽水，使地下水位降至基坑底以下後才開挖。

原地下水平面A-A降水佈置剖面降水曲線井點管基坑降水佈置平面圖基坑

井點管AA（2）井點種類（3）輕型井點佈置與設計1）佈置單排井點：寬度小於6m，降水深度不超過5m採用雙排井點：寬度大於6m，土質不良採用環行井點：基坑面積較大呈方形採用A平面佈置B高程佈置若H＜6m，用單級若H＞6m，用多級LI=0.1HH1h

抽水設備基坑中心線降水線A水井種類:無壓完整井無壓非完整井承壓完整井承壓非完整井2）湧水量的計算B湧水量的計算無壓完整井的湧水量承壓完整井的湧水量式中M為含水層厚度，其他符合意義同無壓完整井的湧水量計算公式

C確定井管數量及間距單根井管出水量D一般取0.8m;1.2m;1.6mD抽水設備的選擇一般選用真空泵，總管長度不大於100m～120m，井點管數為80個～100個左右。E井點管的埋設與使用埋設順序：先排放總管，再埋設井點管，然後用彎聯管把井點管與總管連接，最後安裝抽水設備。使用中的正常出水規律是“先大後小，先渾後清”。3流砂1）定義粒徑很小、無塑性的土壤，在動水壓力推動下，極易失去穩定而隨地下水一起湧入坑內，形成流砂現象。2）原因：內因取決於土壤的性質，當土的孔隙度大、含水量大、粘粒含量少、粉粒多等均容易產生流砂現象。因此，流砂現象經常發發生在細砂粉和亞砂土中。外因：會不會發生流砂現象，還應具備一定的外因條件，即地下水及其產生動水壓力的大小。

γw

h1A

γwh2ATLA（阻力）l

土體脫離體

土體受力分析h1

地下水位線h2設想不透水層

動水壓力對土的影響如圖示，由於高水位的左端（水頭高為h1）與低水位的右端（水頭高為h2）之間存在壓力差，水經過長度為L，斷面為的土體右左向右滲流。作用於土體的力有：γwh1A——土體左斷的總水壓力，其方向與水流一致γwh2A—