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第一章 土方工程1
2012-03-17 | 阅:  转:  |  分享 
  
土木工程学院曾令宏15367818330、13755182689mikema21@126.com第一章土方工程本章概要1.
土的工程性质及其工程意义;2.场地平整的基本方式、土方量计算的方法和精度;3.土方调配原理及表上作业法;4.深基坑的非
重力式及重力式支护方式;5.井点降水的类型、轻型井点管的设计计算及施工;6.土方机械的类型、施工方式,土方机械的现代化。
1.1概述一、土方工程的特点与施工要求1.土方工程施工的特点土方工程一般是指:①场地平整;②基坑(槽)及管沟开挖;
③地下工程大型土方开挖;④土方填筑与压实。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。(3)施
工时间长。2.组织土方工程施工的要求(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。二、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.土的可松性土具有可松性,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。可松性系数的工程意义:在土方平整中设计标高的调整、土方设备的选择、回填土方量的计算中需要
用到土的可松性系数。3.土的含水量土的含水量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:
土的含水量表示土的干湿程度,土的含水量在5%以内,称为干土;土的含水量在5%-30%,称为潮湿土;土的含水量大于30%,称为湿土
。含水量的工程意义:在坡度系数的选择、回填土的压实、人工降水设备的选择以及土方施工设备的选择中要用到土的含水量。4.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。土的渗透性系数实验室测定方法:法国学者达西根据实验发现水
在土中渗流速度。与水力坡度成正比,即如图1.1所示砂土的渗透实验,经过长为L的渗流路程,A、B两点的水位差为h,它与渗流路程之
比,称为水力坡度,即则单位时间内流过砂土的水量渗透性系数的工程意义:在涌水量的计算中,降、排水设备的选择中要用到
土的渗透性系数。1.2土方开挖土方边坡坡度土方边坡坡度(m为坡度系数)一、土方边坡(一)边坡稳定条件及其影响因
素土方边坡的稳定,主要是由于土体内土颗粒间存在摩阻力和粘结力,从而使土体具有一定的抗剪强度,当下滑力超过土体的抗剪强度时,就
会产生滑坡。如图1.2所示。(二)边坡坡度的确定土方边坡大小应根据土质、开挖深度、开挖方法、施工工期、地下水位、坡顶荷载及气
候条件等因素确定。边坡可做成直线、折线或阶梯形(见表1.4)。临时性挖方边坡值见表1.5。土方施工的准备工作:(1)制定
施工方案(2)场地清理(3)排除地面水(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。二、场地平整土方量计算根据建筑设计要求,将拟建的建筑物场地范围内,高低
不平的地形整为平地,即为场地平整。1.场地平整的基本原则场地内总土方量在场地平整前后保持不变,即场地内挖填平衡
,场地内总挖方工程量等于总填方工程量:总挖方=总填方2.计算方法及步骤(
1)计算方格网各角点施工高度①挖填平衡原理A.初步确定场地设计标高利用场地内
平整前总土方量(V前)=平整后总土方量(V后)的原则,初步计算场地设计标高。如令H1——1个方格仅有的角点标高;H
2——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B.场地设计标高的调整A.土的可松性影响由于土具有可松性,按理论计算的Ho施工,填土会有剩余,为
此要适当提高设计标高。如图1.4所示,设△h为土的可松性引起的设计标高增加值,则设计标高调整后的总挖方体积应为b
.借土或弃土的影响在场地内修筑路堤等需要土方,此时,若按Ho施工,则会出现用土不足,需降低设计标高;或者在场地内
若有大型基坑开挖,则有多余土方,为了防止余土外运,需提高设计标高,该降低值或提高值为Q为不足土方量或多余土方量。考虑借土或弃土
的影响后,场地设计标高应调整为Q为按场地初步设计标高(Ho)平整后不足或多余的土方量。借土取“-”,弃土取“+”C.考虑泄
水坡度对设计标高的影响按上述调整后的设计标高进行场地平整,整个场地表面将处于同一个水平面,但实际上由于排水要求,
场地表面均有一定的泄水坡度,因此还要根据场地泄水坡度要求,计算出场地内实际施工的设计标高。平整场地坡度,一般标明
在图纸上,如设计无要求,一般取不小于0.2%的坡度,根据设计图纸或现场情况,泄水坡度分单向泄水和双向泄水。(2)计算零点标出零线
①已知各方格角点的施工高度施工高度,就是每一个方格角点的挖填高度hn。②计算零点位置并标出零线
当同一方格的四个角点的施工高度全为“+”或全为“-”时,说明该方格内的土方则全部为填方或全部为挖方;如果一个方格中一部分角点的
施工高度为“+”,而另一部分为“-”时,说明此方格中的土方一部分为填方,而另一部分为挖方,这时必定存在不挖不填的点,这样的点叫零点
,把一个方格中的所有零点都连接起来,形成零线,即挖方与填方的分界线。计算零点的位置,是根据方格角点的施工高度用几何法求出,如图
1.6所示,D点为挖方,C点为填方,则(3)土方量计算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,以绝对值代入(m)。2)部分挖部分填格②三角棱柱体法
1)全挖全填式中:a——方格边长(m);hl,h2,h3——三角形各角点的施工高度(m),用绝对值代入。
2)有挖有填其中锥体部分的体积为:楔体部分的体积为:四棱柱法与三棱柱法的计算精度比较:四方棱柱体的计算
公式是根据平均中断面的近似公式推导而得的,当方格网中地形不平时,误差较大,但计算简单,宜于手工计算。三角棱柱体的计算公式
是根据立体几何体积计算公式推导出来的,三角棱柱体精确度较四方棱柱体的计算精度高,但计算繁杂。三角形的斜线注意要顺着等高线方向进行划
分,且必须顺等高线方向划分,如果垂直等高线划分,其计算精度比四方棱柱体的计算精度还要低。场地边坡土方量计算
图1.9是场地边坡的平面示意图,从图中可以看出,边坡的土方量可以划分为两种近似的几何形体进行计算:一种为三角棱锥体(如图中的①②③
);另一种为三角棱柱体(如图中的④)。三、土方调配与优化(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2.平均运距的确定(或土方施工单价的确定)调配区之间的运距:推土机、铲运机
:平均运距装载机配自卸汽车:实际运距平均运距即挖方区土方重心至填方区土方重心的距离。因此,求平均运距,需先求
出每个调配区的重心。但在实际计算中,重心非常难求,一般都用作图法近似地求出形心位置以代替重心位置。(二)最优调配方案的确定
土方调配表上作业法如果采用解方程组求目标函数最小的方法,将会出现未知数大于方程数的情况,这样解方程求解麻烦
,填挖方区越多,解方程越麻烦。因此我们采用《运筹学》中的方法进行土方调配,该方法称为“表上作业法”。表上作业法计
算速度快,但精度有限,它所找到的最优方案可能有几个,这些最优方案的目标函数不一定最小,但接近最小值,在保证计算速度的情况下,这已经
足够了,同时多种方案的出现对我们是有利的。第一步:编制初始调配方案土方的总运输量为:Z0=500×50+
500×40+300×60+100×110+100×70+400×40=97000(m3·m)。第二步:最优方案的判别
现就“假想运距或假想价格系数”求检验数予以介绍。首先将初始方案中所有方格的运距(或价格)Cij填
入表1.12中形成Cij表。然后将初始方案中有调配数方格的几列入表1.13中,其他空格的假想运距(或单价)按对角相加相等原则
求出,例如利用已知的110,40,70(已有调配数的运距),求第四个空格的数C’42,计算遵循110+40=70+C‘42
,得到C‘42=80填到该空格里,同理依次求出其他空格的C’ij,最后建立假想运距或假想价格系数C‘ij表。经检验数的计算,
有初始调配数的方格里λij均为0,λ12为负,λij大于0,出现了负值格,则方案非最优。说明往X12里填土方,还可以使目标函数
降低,即土方调配的总价还可以降低,故需调整初始方案。第三步:非最优方案的调整调整方法:闭回路法。在所有负
检验数中选一个(如果有几个负检验数,可选最小的一个,本例只有一个是λ12)。原则:从负值格出发
,可向前、向后、向上或向下前进,遇到适当的有数字的方格作90°转弯(也可不转),然后继续前进,经过4次转弯回到出发格,形成一条以有
土方量的方格为转角点的、用水平和竖直线连起来的闭回路。从奇数次转角的土方量数字中,挑选一个小的土方量Xij,将它填入到该负值格内
。同时将闭回路上另一奇数次转角上的土方量减去Xij,偶数次转角上的土方量增加Xij。使得填挖方区的土方量仍然保持平衡,这样调整
后,便可得到新的调配方案。(400)再回到第二步,对方案进行检验,进行最优方案的判别。经检验所有λij≥0,故该方案最优。计
算调整后方案的目标函数:Z=400×50+100×70+500×40+400×60+100×70+400×40=
94000(m3·m)与Z0=97000(m3·m)比较,可看到调整后方案的目标函数更低。如果
检验数中仍有负值格出现,那就仍按上述步骤继续进行调整,直到最优方案为止。最后将调配方案绘成土方调配图(图1.1
1)。在土方调配图上应注明挖填调配区、调配方向、土方量以及每对挖填调配区之间的平均运距。4.绘制土方调配图④从土方量
的计算可知到,如果要总的施工土方量(包括挖和填)最小,就要令各角点施工高度之和为最小,但如果将各施工高度直接相加,由于各施工高度有
正有负,故各施工高度求和一定近似为零,不符合我们的要求,故将各施工高度平方后再求和,并令其为最小:以函数σ对c、ix
、iy分别求偏导,并分别令它们为零,求得c、ix、iy,这是在保证总的土方量最小和挖填平衡的条件下求出的设计平面,故成为最佳设计
平面,将它们代入(式1.15)求出方格网各角点的理论高度,再将它们代入(式1.16)求得方格网所有角点的施工高度hi=Hi′-H
i。按地形将方格划分成三角形③断面法在地形起伏变化较大的地区,或挖填深度较大,断面又不规则的地区,采用断面法比较方便。方
法:沿场地取若干个相互平行的断面(可利用地形图定出或实地测量定出),将所取的每个断面(包括边坡断面),划分为若干个三角形和梯形,如
图1.8,则面积:挖填T1T2T3挖方量W150
70100500W27040
90500W36011070500W4
8010040400填方量8006005001900填方量
填挖B1B2B3挖方量A1500A2500A3500A44008006005001900400500500300100100(400)(0)(100)X12(400)边坡坡度示意图②最佳设计平面法A.划分方格网,依据等高线图用插入法求得各角点的实际标高。B.假定最佳设计平面由c、ix(泄水坡度)、iy(泄水坡度)决定(图1.5)
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(本文系杨保林首藏)