绪论及土方工程上.ppt

1,土木工程施工,周 晓 敏 土木与环境工程学院 2010年4月,2,绪 论,课程知识:在施工条件和产品预期状态为已知的前提下，根据施工过程与施工效果的关系，合理确定施工过程方面的知识。 讲授对象土木工程的施工过程 讲授内容施工过程和施工效果的关系 讲授目的确定合理的施工过程 施工过程的描述：把施工过程作为一个系统，由工序构成，分为施工技术和组织管理两个层次描述。 施工技术：是从具体对象出发，采用的施工设备、工艺过程、工艺标准、技术措施； 施工组织：是以对象总体出发，以施工技术为基础，将整个施工任务进行分解、分工、在空间和时间上进行关系协调和按计划完成。,3,土木工程课程的课程体系,4,课程特点：专业知识的运用与拓展,内容多、课时少； 论述多、推导少； 图表数据多、计算少； 各章间既独立、又关联； 讲授施工经验多、生产体验少； 在校学的内容多、深度浅； 出去用的专、内容精；,教与学： 1、多媒体-照片、录象; 2、知识-外延、贯通、启发、互动式; 3、知识的贯通；过程的建立； 专业信念之建立；安全意识的增强；,信息参考,网页： 筑龙网；土木在线；隧道网；学校网页（同济、重大等） 期刊：建筑施工；施工技术，隧道工程，公路建设 参考书籍： 毛鹤琴 主编：土木工程施工； 穆静波 主编：土木工程施工习题集,5,信息参考,规范：国标，行标（建设部、冶金部 等） GB5007-2002: 建筑地基基础设计规范 GB50086-2001:锚杆喷射混凝土支护规范 GB50202-2002:建筑地基基础工程施工质量验收规范 JGJ 120-99 建筑基坑支护技术规程（建设部） JGJ 94-94 建筑桩基技术规范 YB 9258-97 建筑基坑工程技术规范（冶金部） CECS96:97 基坑土钉支护技术规程（工程建设标准化协会）,6,考查和考试,考试（百分制） 60% 平时成绩（百分制度）：40%； 出勤率：32%（8周，16节课） 准时率：8%（0.5分）5分钟 作业:60%（优、良、一般、差） 课堂表现：加分（5）,7,8,本章提要：土方问题；4学时 关联学科；土力学、线性规划；工程机械 1-1: 土方工程概述（1.1，1.2） 一、土方工程内容和施工特点 二、土的分类 三、土的工程性质 1、土的含水量；2、土的可松性；3、土的渗透性 4、土的休止角 1-2: 土方计算与调配（1.3场地开挖） 一、基坑（槽）、管沟土方量计算 二、场地平整土方量计算 三、土方调配 四、表上作业 1-3:土方施工 一、施工准备 二、土壁稳定,第一章 土方工程,9,本章提要：土方问题；4学时 关联学科；土力学、线性规划； 三、基坑开挖与支护 四、施工降排水 五、土方压实 1-4:土方机械化施工 一、土方机械的主要性能 二、土方机械的选择 1-5：爆破工程 一、爆破的基本知识； 二、药包量计算 三、爆破方法 四、爆破安全措施,第一章 土方工程,10,1-1 土方工程概述,一、土方工程内容和特点 常见类型： 场地平整：设计标高、挖方量确定、土方调配、 土方开挖：基坑（槽）及管沟开挖、地坪填土、路基填筑、隧道 土方填筑：基坑回填、路基填筑等等。 施工过程： 包括土或石的挖掘、填筑和运输等以及排水、降水和土壁支撑等准备和辅助过程。 施工的特点： 工程量大、劳动强度高； 施工条件复杂；易受地区气候条件影响； 场地受限。 施工总的要求：根据工程自身条件，制定合理施工方案，尽可能采用新技术和机械化施工,11,二、土的工程分类与鉴别 在土方工程施工和工程预算定额中，根据土的开挖难易程度，将土分为松软土、普通土、坚土、砂砾坚土、软石、次坚石、坚石、特坚石等八类。前四类为一般土，后四类为岩石。,1-1 土方工程概述,表1.1 土的工程分类与现场鉴别方法,12,表1.1 土的工程分类与现场鉴别方法,13,表1.1 土的工程分类与现场鉴别方法,14,GB5007-2002建筑地基基础设计规范：6类（1岩石（坚硬、较坚硬、较软岩、软岩），2碎石类土、3砂土类、4粉土、5粘性土、6人工填土) 塑性和成因 其他特殊类土：冻土、湿陷性黄土、淤泥、膨胀土 土的分类标准GBJ145-90（有机含量、塑性指标）,15,三、土的工程性质 1、土的含水量（w）天然含水量 土中水的质量与固体颗粒质量之比，以百分率表示：,式中， m1含水状态时土的质量（kg）； m2烘干后土的质量（kg）； mw土中水的质量（kg）； ms固体颗粒的质量（kg）。,1-1 土方工程概述,注：土的含水量随天气和地下水流动有关，影响到土方边坡稳定、填方密实度、施工方法等,16,1-1 土方工程概述,2、土的可松性： 自然状态下的土经开挖后，内部组织破坏，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，土的这种性质称为土的可松性。土的可松性用可松性系数表示：,式中： Ks 土的最初可松性系数； Ks 土的最终可松性系数； V 1 土在自然状态下的体积； V 2 土挖出后的松散状态下的体积； V 3 土经回填压实后的体积。,3、土的休止角：指天然状态下的土体可以稳定的坡度。,17,4、土的渗透性 土体被水透过的性质，常用渗透系数 K 表示。 渗透系数 K：在水力坡度为1的渗流作用下，水从土中渗出的速度，它同土的颗粒级配，密实程度等有关。,1-1 土的分类和工程性质,砂土的渗透实验,18,表1.2 土的渗透系数参考表,19,四、土方坡度,直壁开挖 根据土方工程相关规范的规定：对于土质均匀且地下水位低于基坑（槽）底或管沟底面标高，开挖土层湿度适宜且敞露时间不长时，其挖方边坡可作成直壁，不加支撑，但挖方深度不宜超过下列规定： 密实、中密的砂土和碎石土（充填物为砂土）- 1.00（m） 硬塑、可塑的粉质粘土及粉土 -1.25（m） 硬塑、可塑的粘土和碎石类土（充填物为粘性土） 1.50（m） 坚硬的粘土 - 2.0（m）,式中，m=B/H为边坡系数。 称为坡度系数,20,放坡,按规定坡度开挖：深度超过以上数值的基坑边坡，开挖时可按相应规范选取，对于5m以内基坑可按下表选取，对于山地条件较好深10米以内。超过10米，且土性变化的，其坡度可采取折形布置，见图 通过计算确定坡度：对地下水、开挖深度、荷载、土质复杂等开挖条件超过规范的规定时，可采用土力学原理计算边坡坡度。,深度在5m以内的基坑（槽）、管沟边坡最陡坡度,21,（a）,（b）,（c）,（d）,图140 土方边坡 (a)直线边坡；(b)不同土层折线边坡；(c)不同深度折线边坡；(d)阶梯边坡,一、边坡工程 影响边坡稳定的主要因素: 1)坡度与土性 2)雨水 3)附近地表负荷 4)时间 采取的措施 1)放足坡度;2)加固和支撑 放坡形式,22,1-2 土方量计算与调配,一、基坑（槽）、管沟土方量计算 基坑土方量的计算可近似按立体几何中拟柱体（由两个平行的平面做底的一种多面体）体积公式计算。 基槽和管沟在土方量计算时，可沿长度方向分段计算，将各段土方量相加，即得总土方量。,基坑土方量计算,基槽土方量计算,23,共有三种方案选择 1、先平整整个场地，后开挖基坑 2、先开挖基坑（槽），后平整场地 3、边平整场地，边开挖基坑（槽）,二、场地平整施工方案,三、场地平整土方量计算步骤,1、在具有等高线图上，划分网格10m40m 2、计算各方格角点的自然标高 3、设计场地标高和泄水坡度 4、计算施工高度，各个挖填方角点的施工高度 5、确定零线 6、计算各个方格内土方量、边坡土方量，并汇总；,24,二、 场地平整土方量计算 场地平整土方量的计算思路根据给定的场地设计标高，以此标高为基准分别计算标高以下的填方量和标高以上的挖方量。,l、初步确定场地设计标高H0 （1）在具有等高线的地形图上将施工区域划分为边长a=10m40m的若干方格如图所示； （2）确定各小方格的角点高程。可根据地形图上相邻两等高线的高程，用插值法求得。在无地形图的情况下，也可以在地面用木桩或钢钎打好方格网，然后用仪器直接测出方格同角点标高。,场地设计标高计算,25,（3）按填挖方平衡原则确定设计标高；挖=填,场地设计标高计算,由右图 可看出，H11只属于一个方格的角点标高，H12和H21则属于两个方格公共的角点标高，H22则属于四个方格公共的角点标高，它们分别在上式中要加一次、二次、三次、四次。因此，上式可改写成下列形式：,26,27,(4)按最小二乘法确定场地最佳设计标高 施工高度 计算土方施工高度方差平方和： Pi应用次数(1,2,3,4) 最小二乘法求解：（1，挖=填，2，最小工程量）,28,最小二乘法确定场地最佳设计标高计算表,29,H0H0+h 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场地设计标高的调整 (1)土的可松性影响,30,(2)场内挖方和填土的影响(场区上填筑路堤,H下降；挖河道、水池等H上升); (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 HnH0li,31,1-2 土方量计算,2）双向泄水时各方格角点的设计标高 HnH0lxixlyiy,32,二、场地平整土方量的计算 4. 场地平整土方量的计算一般采用方格网法。,（1）计算场地各方格角点的施工高度,式中，hn为角点施工高度，即挖填高度，以“”为填，“”为挖；Hn为角点的设计标高；Hn为角点的自然地面标高。,（2）确定“零线” 平面网格中，相邻两个零点相连成的一条折线，就是方格网中的挖填分界线零线。 设h1为填方角点的填方高度，h2为挖方角点的挖方高度，O为零点位置。则O点与A点的距离为：,求零点的图解法,33,二、场地平整土方量的计算,（3）计算方格挖填土方量 零线求出后，场地的挖填区即随之标出，可按“四方棱柱体法” 和“三角棱柱法”计算出各方格的挖填土方量。,全挖全填方格,两挖两填方格挖全填方格,三挖一填或三填一挖方格,a,a,a,a,a,a,h1,h1,h1,h2,h3,h4,h2,h2,h3,h3,h4,h4,四方棱柱体法。,34,表1.3 常用方格网点计算公式,35,二、场地平整土方量的计算,(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。,按地形将方格划分成三角形,三角棱柱体法,36,1-2 土方量计算,(2)有挖有填 其中:锥体部分的体积为:,楔体部分的体积为:,37,断面法。,（1）沿场地取若干平行断面，将每个断面分解成若干三角形和梯形 （2）段面积求出后，各个段面之间的间距为l：即可取出土方体积；,38,1） 三角棱锥体边坡体积,2） 三角棱柱边坡体积,39,问题的实质：已知各挖土区和填土区的位置和土方量及各挖土区和填土区之间的运距，求各挖土区向各填土区调配的土方量是多少时，总的运输费用最低。,四、土方调配,40,土方调配的原则： 应力求达到挖填平衡和运距最短的原则； 考虑近期施工与后期利用相结合的原则； 应采取分区与全场相结合来考虑的原则； 应考虑与大型地下建筑施工相结合的原则； 选择恰当的调配方向、运输路线，使土方机械和运输车辆的功效能得到充分发挥。,41,求解方法：线性规划法中的“表上作业法” 求解步骤 （一）准备工作 1、划分调配区 2、计算调配区之间的平均运距 （二）建立土方调配的数学模型 1、土方平衡与运距表 2、数学模型 3、求解分析,42,求解方法：线性规划法中的“表上作业法” （三）用“表上作业法”进行土方调配 1、初始方案的确定-最小元素法 2、方案是否最优的判别 3、方案的调整 （四）土方调配图的绘制,43,各调配区土方量和平均运距图,2、平均运距的确定,44,3、土方施工单价的确定见图,45,数学模型 求一组xij的值，使目标函数,为最小值，并满足下列约束条件,i=1,2,m,j=1,2,n,xij0,康-希问题：上世纪30年代康脱洛维奇提出，1941年希奇柯克又提出：,46,（1）根据约束条件知道，未知量有m*n个，而方程数为mn个。由于填挖平衡，因此独立方程的数量实际上只有m+n-l个。见图 （2）由于独立方程只有m+n-1个，而未知量有m*n个，无法计算。在求解线性规划问题时，可以先命m*n-（m+n-1）个未知量为零（可以任意假定。但为了减少运算次数，可以按照就近分配的原则，把运距较远或运费较大的那些未知量假定为零见图），这样就能够解出第一组m+n-1个未知量的值。这个解是不是最优解，还需要用检验数进行检验。如果在解中换一个未知量，能使求得的一组新解的目标函数下降，那么新解就比前一个解合理。这样一次次调整，直到使目标函数值为最小，此时的一组解就是最优解。,求解分析,47,（1）找出判据，确定是否最优？ （2）如何优化？即如何调配？,如何找到最优解？即，如何优化？,S为常数,48,1、计算检验数 ij= cij ui - vj （ui，vj- 位势数；cij-单价） （有运方的方格检验数ij=0） 2、最优方案的判别 （1）求位势数 列出初始方案中有调配数的方格的单价cij,，见图 第一个位势数是任意给定的，但之后就是唯一解 有运方的方格的检验数=0：由cij = ui + vj公式(ij=0)求位势数并列入表中见图； （2）只要出现负的检验数，就说明方案不是最优，需要进一步调整,49,初始方案的确定就近分配法（经验最低成本法）,目标函数： Z=40050+40040+40060+10060+200110+10070+50050 =120000（m3m）,Cij,50,求位势数 由 cij = ui + vj 求位势数 ui 、vj,v1=50 u1=50-50=0 u3=60-50=10 v2=110-10=100 v3=70-10=60 u2=40-100=-60 u4=40-60=-20,Cij,ij= cij ui vj=0,ij= cij ui vj,51,第一步：在所有负检验数中选一个（一般可选最小的一个），本例中是12，把它所对应的变量x12作为调整对象。见图 第二步：找出x12的闭回路。其做法是：从x12格出发，沿水平与竖直方向前进，遇到适当的有挖填方量数字的方格作90转弯，见图，然后继续前进，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的、用水平和竖直线联起来的闭合回路，见图。 第三步:从空格x12出发，沿着闭合回路（方向任意）一直前进，在各奇数次转角点的数字中，挑出最小运方量（最大运距对应的xij（本例中c32=110最大，它对应的x32=200），将它由x32调到x12方格中，见图。,52,第四步：将“200”填入x12方格中，被调出的x32为0（该格变为空格）；同时将闭合回路上其它的奇数次转角上的数字都减去“200”，偶数次转角上数字都增加“200”，使得填挖方区的土方量仍然保持平衡。这样调整后，便可得到表中的新调配方案。 第五步：对新调配方案，仍用“位势法”进行检验，看其是否是最优方案。如果检验数中仍有负数出现，那就仍按上述步骤继续调整，直到找出最优方案为止。,53,54,表中所有检验数均为正号，故该方案为最优方案。 Z=20050+20070+40040+30060+10070+50040=85000（m3m）,最优土方调配方案的土方总运输量为：,55,调配方案的注意事项： 1、合理的调整方案不是唯一的。 2、初始方案提出后，或者在调整方案中，有时也会出现无法继续判断和调整的情况。关键要确保：有运量的方格数=m+n-1, 不足补上（在无法填位势数的行和列上选择最小运距的方格中添上运距，该格的运量用0添入） 多了消掉(闭回路法，消掉成本高的),56,二、运土土方调配,土方调配图