大工11秋《建筑施工》辅导资料一.docx
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大工11秋《建筑施工》辅导资料一
建筑施工辅导资料一
主题：
第一章第一节与第二节概述及土方计算与调配
学习时间：
2011年9月30日－10月9日
内容：
这周我们将学习第一章土方工程中的第一节概述及第二节土方计算与调配，本周的内容比较多，涉及到土方的计算及优化等，是重点内容。
一、学习要求
第一节
本节的学习需要掌握的重点内容如下：
1、了解土方工程施工的特点、组织土方工程施工的要求、土的天然密度和干密度；
2、掌握土的含水量、土的可松性系数、土方边坡坡度。
基本概念：
土的天然密度、土的干密度、土的含水量、土的可松性系数、土方边坡坡度。
知识要点：
本节共9个知识点，包括土方工程施工的特点、组织土方工程施工的要求、土的天然密度和干密度、土的含水量、土的可松性系数、土方边坡坡度、土的工程分类、土的渗透性、土方施工的准备工作。
第二节
本节的学习需要掌握的重点内容如下：
1、掌握基坑、基槽和路堤的土方量计算、确定场地设计标高的方法；
2、掌握场地土方量计算、土方调配与优化。
基本概念：
零线。
知识要点：
基坑、基槽和路堤的土方量计算、选择设计标高时应遵循的原则、初步设计标高计算、场地土方量计算、土方调配与优化。
二、主要内容
第一节概述
土方工程是土木工程施工中首先进行的一项重要内容，它主要包括场地平整、基坑及沟槽开挖、路基填筑及基坑回填等主要工程，同时往往还需要进行排水、降水、土壁支撑等辅助性工程加以配合。
Ⅰ、土方工程的特点与施工要求
1、土方工程施工的特点
（1）面广量大、劳动繁重。
（2）施工条件复杂。
2、组织土方工程施工的要求（重点掌握）
（1）在条件允许的情况下应尽可能采用机械化施工；
（2）要合理安排施工计划，尽量避开冬、雨期施工；
（3）为了降低土石方工程施工费用，减少运输量和占用农田，要对土方进行合理调配、统筹安排。
（4）在施工前要做好调查研究，拟定合理的施工方案和技术措施，以保证工程质量和安全，加快施工进度。
Ⅱ、土的工程分类及性质
（一）土的工程分类
土的分类方法较多，在施工中按开挖的难易程度将土分为八类。
（二）土的工程性质
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，用ρ表示；它影响土的承载力、土压力及边坡的稳定性。
土的干密度，是指单位体积土中固体颗粒的质量，用ρd表示；它是检验填土压实质量的控制指标。
2、土的含水量
土的含水量
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：
式中G湿——含水状态时土的质量；
G干——烘干后土的质量。
土的含水量影响土方的施工方法选择、边坡的稳定和回填土的质量，如土的含水量25%-30%时，机械化施工就难以进行；含水量超过20%时，一般运土汽车就容易打滑、陷车。
而在填土中则需保持“最佳含水量（课件中为需佳含水量）”，方能在夯压时获得最大干密度。
如砂土的最佳含水量为8%~12%，而粘土则为19%-23%。
3、土的渗透性
土的渗透性是指水在土体中渗流的性能，一般以渗透系数K表示。
达西地下水流动速度公式v=KI，从此公式中我们可以看出渗透系数的物理意义，即：
当水力坡度I（水头差与渗流距离之比）为1时，水在土中的渗透速度。
不同土质，其渗透系数由较大差异，如粘土的渗透系数小于0.1m/天，细砂为5-10m/天，而砾石则为100-200m/天。
4、土的可松性（重点掌握）
土具有可松性，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。
土的可松性程度用可松性系数表示：
最初可松性系数
=土经开挖后的松散体积
/土在天然状态下的体积
最后可松性系数
=土经回填压实后的体积
/土在天然状态下的体积
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、确定预留回填用土的体积和堆场面积等均有很大的影响。
Ⅲ、土方边坡坡度
土方开挖或填筑的边缘都要保留一定的斜面，称土方边坡。
m称坡度系数，1/m称土方边坡坡度。
边坡形式如下图所示：
Ⅳ、土方施工的准备工作（七点）
①制定施工方案。
②场地清理。
③扫除地面水。
④修筑好临时道路及供水、供电等临时设施。
⑤做好材料、机具、物资及人员的准备工作。
⑥设置测量控制网，打设方格网控制桩，进行建筑物、构筑物的定位放线等。
⑦根据土方施工设计做好边坡稳定、基坑（槽）支护、降低地下水等土方工程的辅助工作。
第二节土方计算与调配
Ⅰ、基坑、基槽和路堤的土方量计算
当基坑上口与下底两个面平行时，基坑土方量可按拟柱体的体积公式计算，如下：
式中H——基坑深度（m）；
F1，F2——基坑上下两底面积（㎡）；
F0——F1与F2之间的中截面面积（㎡）。
当基槽和路堤沿长度方向断面呈连续性变化时其土方量可以用同样方法分段计算。
式中V1——第一段的土方量（m3）；
L1——第一段的长度（m）；
将各段土方量相加即得总土方量，即：
V=V1+V2+…+Vn
式中V1，V2…Vn——为各分段土的土方量（m³）。
基槽土方量计算
基坑土方量计算
Ⅱ、场地平整标高与土方量
场地平整前，要确定场地的设计标高，计算挖方和填方的工程量，然后确定挖方和填方的平衡调配方案，再根据工程规模、施工期限、现有机械设备条件，选择土方机械，拟定施工方案。
对较大面积的场地平整，正确地选择设计标高是十分重要的。
选择设计标高时应遵循以下原则：
要满足生产工艺和运输的要求；尽量利用地形，以减少挖填方数量；争取场地内挖填方平衡，使土方运输费用最少；要有一定泄水坡度，满足排水要求。
场地设计标高一般应在设计文件上规定，若设计文件对场地设计标高没有规定时，对中小型场地可采用“挖填土方量平衡法”确定；对大型场地宜作竖向规划设计，采用“最佳设计平苗法”确定。
下面主要介绍“挖填量平衡法”的原理和步骤。
（一）确定场地设计标高（掌握计算过程）
1、初步设计标高
初步确定场地设计标高的原则是场地内挖填方平衡，即场地内挖方总量等于填方总量。
计算场地设计标高时，首先将场地划分成有若干个方格的方格网，每格的大小根据要求的计算精度及场地平坦程度确定，一般边长为10m~40m。
然后找出各方格角点的地面标高。
当地形平坦时，可根据地形图上相邻两等高线的标高，用插入法求得。
当地形起伏或无地形图时，可在地面用木桩打好方格网，然后用仪器直接测出。
按照场地内土方的平整前后相等，即挖掘填方平衡的原则，场地设计标高为各个设计概算平均标高的平均值。
场地设计标高即为各个方格平均标高的平均值。
可按下式计算：
式中：
H0——所计算的场地设计标高（m）；
a——方格边长（m）；
N——方格数；
H11，…，H22——任一方格的四个角点的标高（m）。
如令H1——1个方格仅有的角点标高；
H2——2个方格共有的角点标高；
H3——3个方格共有的角点标高；
H4——4个方格共有的角点标高。
则场地设计标高H0可改写成下列形式：
场地设计标高H0计算示意图
2、场地设计标高的调整
按上述公式计算的场地设计标高为一理论值，尚需考虑以下因素进行调整：
（1）土的可松性影响
由于土具有可松性，一般填土会有剩余，需相应地提高设计标高。
由下图可以看出，考略土的可松性引起的设计标高的增加值
得：
调整后的设计标高值为：
H’0＝H0+Δh
式中：
Vw——按理论标高计算出的总挖方体积；
FW、Ft——按理论设计标高计算出的挖方区、填方区总面积；
Ks’——土的最后可松性系数。
（2）场内挖方和填土的影响
由于场内大型基坑挖出的土方、修筑路基填高的土方、场地周围挖填放坡的土方，以及经过经济比较，而将部分挖方就近弃于场外或将部分填方就近从场外取土，均会引起场地挖方或填方量的变化。
必要时也需调整设计标高。
（3）场地泄水坡度的影响
1）单向泄水时各方格角点的设计标高
Hn＝H0±li
场地泄水坡度示意图
2）双向泄水时各方格角点的设计标高
Hn＝H0±lxix±lyiy
（二）场地土方量计算
场地平整土方量的计算方法通常有方格网法和断面法两种。
方格网法适用于地形较为平坦、面积较大的场地，断面法多用于地形起伏变化较大的地区。
用方格网法计算时，先根据每个方格角点的自然地面标高和实际采用的设计标高，算出相应的角点填挖高度，然后计算每一个方格的土方量，并算出场地边坡的土方量，这样即可得到整个场地的挖方量、填方量。
其具体步骤如下：
1、计算场地各方格角点的施工高度
各方格角点的施工高度（即挖、填方高度）hn
式中hn——该角点的挖、填高度，以“＋”为填方高度，以“－”为挖方高度（m）；
Hn——该角点的设计标高（m）；
Hn’——该角点的自然地面标高（m）。
2、绘出“零线”
零线是场地平整时，施工高度为“0”的线，是挖、填的分界线。
确定零线时，要先托到方格线上的零点。
零点是在相邻两角点施工高度分别为“+”、“－”的格线上，是两角点之间挖填方的分界点。
零点可按下式计算：
式中：
h1，h2——相邻两角点挖、填方施工高度（以绝对值代入）；
a——方格边长；
x——零点距角点A的距离。
3、场地土方量计算（理解计算过程）
（1）四方棱柱体法
1）全挖全填格
式中：
V——挖方或填方的土方量（m）；
h1,h2,h3,h4——方格四个角点的挖填高度，以绝对值代人（m）。
2）部分挖部分填格
（2）三角棱柱体法
该法式将每一个方格顺地形等高线方向，沿对角线划分成两个三角形（如下图），然后分别计算每一个三角棱柱体、锥体或楔形体的土方量。
1）全挖全填
当三角形三个角点全部为挖或全部为填时，挖或填的土方量为：
式中：
a——方格边长（m）；
h1，h2，h3——三角形各角点的施工高度（m），用绝对值代入。
2）有挖有填
当三角形三个角点有挖有填时，零线将三角形分成两部分，一个是地面为三角形的锥体，一个是底面为四边形的楔体。
如下图所示：
其中锥体部分的体积为：
楔体部分体积为：
式中，h1，h2，h3分别为三角形各角点的施工高度（m），取绝对值，其中h3指的是锥体顶点的施工高度。
Ⅲ、土方调配与优化（理解例题的运算过程）
土方调配是大型土方工程施工设计的一个重要内容。
其目的是在使土方总运输量最小或土方运输成本（元）最低的条件下，确定填挖方区土方的调配方向和数量，从而达到缩短工期和降低成本的目的。
具体步骤如下：
（一）划分土方调配区，计算平均运距或土方施工单价
1、调配区的划分
进行土方调配时，首先要划分调配区。
划分调配区应注意下列几点：
（1）调配区德划分应该与工程建筑物的平面位置相协调，并考虑它们的开工顺序、分期施工的要求，使近期施工与后期利用相协调；
（2）调配区的大小应该满足土方施工主导机械的技术要求；
（3）调配区德范围应该和方格网协调，通常可以由若干个方格组成一个调配区；
（4）当土方运距较大或场地范围内土方不平衡时，可根据附近地形考虑就近取土或就近弃土，这时每个取土区或弃土区都应作为一个独立的调配区；
（5）调配区划分还应尽量与大型地下建筑物相结合，避免土方重复开挖。
例：
土方调配时，划分调配区应注意哪些问题？
2、平均运距的确定
平均运距一般是指挖方区土方重心至填方区土方重心的距离。
3、土方施工单价的确定
如果采用汽车或其他专用运土工具运土时，调配区之间的运土单价，可根据预算定额确定。
当采用多种机械施工时，确定土方的施工单价比较复杂，因为不仅是单机核算问题，还要考虑运、填配套机械的施工单价，确定一个综合单价。
（二）最优调配方案的确定
确定最优调配方案，是以线性规划为理论基础，常用“表上作业法”求解。
结合实例介绍如下：
各调配区土方量和平均运距
1、编制初始调配方案（下图为“运距表”）（用最小元素法进行就近调配）
挖
B1
B2
B3
挖方量
填
A1
50
70
100
500
A2
70
40
90
500
A3
60
110
70
500
A4
80
100
40
400
填方量
800
600
500
1900
土方总运输量为：
Z0＝500×50+500×40+300×60＋100×110+100×70+400×40＝97000（m3·m）。
2、最优方案判别
利用“最小元素法”编制初始调配方案，其总运输量是较小的。
但不一定是总运输量最小，因此还需判别它是否为最优方案。
判别的方法有“闭回路法”和“位势法”，其实质相同，都是用检验数λij来判别。
只要所有的检验数λij≥0，则该方案即为最优方案；否则，不是最优方案，尚需进行调整。
为了使线性方程有解，要求初始方案中调动的土方量要填够m＋n－1个格（m为行数，n为列数），不足时可在“任意”格中补“0”。
注意选择运距较较短的空格，且该方格不要与已填有数据的方格形成矩形。
如：
已填6个格，而m＋n－1＝3＋4－1＝6，满足要求。
下面介绍用“位势法”求检验数：
（1）求位势Ui和Vj
位势和就是在运距表的行或列中用运距（或单价）Cij同时减去的数，目的是使有调配数字的格检验数lij为零，而对调配方案的选取没有影响。
计算方法：
将初始方案中有调配数方格的Cij列出，然后按下式求出两组位势数Ui（i＝1，2，…，m）和Vj（j＝1，2，…，n）。
Cij＝Ui＋Vj
式中Cij——平均运距（或单位土方运价或施工费用）；
Ui，Vj——位势数。
例如，本例两组位势数计算：
设U1＝0，
则V1＝C11－U1＝50－0＝50；
U3＝C31－V1＝60－50＝10；
V2＝110－10＝100；
……，见下表所示。
（2）求检验数ij
ij＝Cij－Ui－Vj
12＝70－0－100＝－30
13＝100－0－60＝40
21＝70－（－60）－50＝80
23＝90－（－60）－60＝90
求检验数表
3、方案的调整
（1）在所有负检验数中选取最小的一个（本例中为C12），把它所对应的变量X12作为调整的对象。
（2）找出X12的闭回路：
从X12出发，沿水平或竖直方向前进，遇到调配土方数字的格可以做90°转弯，然后依次继续前进，直到再回到出发点，形成一条闭回路。
（3）从空格X12出发，沿着闭回路方向，在各奇数次转角点的数字中，挑出一个最小的土方量（本表即为500、100中选100），将它调到空格中（即由X32调到X12中）。
（4）同时将闭回路上其他奇数次转角上的数字都减去该调动值（100m³），偶次转角上数字都增加该调动值，使得填、挖方区的土方量仍然保持平衡，这样调整后，便得到了新的调配方案。
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。
（4）绘出调配图：
（包括调运的流向、数量、运距）。
（5）求出最优方案的总运输量：
400×50＋100×70＋500×40＋400×60＋100×70＋400×40＝94000m3m。
4、绘制土方调配图
土方调配图
箭线上方为土方量（m³），箭线下方为运距（m）。
三、例题
某建筑物外墙为条形毛石基础，基础平均截面面积为2.5㎡。
基槽深1.5m，底宽为2.0m，边坡坡度为1:
0.5。
地基为粉土，Ks=1.25，K‘s=1.05。
计算100m长的基槽挖方量，需留填方用松土量和弃土量。
解：
挖方量
（m³）
填方量
（m³）
填方需留松土体积
（m³）
弃土量（松散）
（m³）
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