第1章--第1讲-土方工程...ppt

第1章土方工程 第1章土方工程 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 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 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 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 表1 1土的工程分类与现场鉴别方法 表1 1土的工程分类与现场鉴别方法 一类土 松软土 二类土 普通土 三类土 坚土 四类土 砂砾坚土 机械或人工直接开挖五类土 软石 六类土 次坚石 七类土 坚石 八类土 特坚石 爆破开挖 土的工程性质对土方工程施工有直接影响 也是进行土方施工设计必须掌握的基本资料 土的主要工程性质有 土的可松性 原状土经机械压实后的沉降量等 此外还有 渗透性 密实度 抗剪强度 土压力等 1 2土的工程性质 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 土的压缩性 移挖作填或取土回填 松土经填压后会压缩 在松土回填时应考虑土的压缩率 一般按填方断面增加10 20 计算松土的土方数量 土的压缩率 原状土经机械压实后的沉降量 原状土经机械往返压实或经其他压实措施后 会产生一定的沉陷 根据不同土质 其沉陷量一般在3 30cm之间 可按下述经验公式计算 S 原状土经机械压实后的沉降量P 机械压实的有效作用力C 原状土的抗陷系数 参见表1 3 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 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 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 可使填土获得最大密实度的含水量 击实试验 手握经验确定 快速含水量测定仪 G1 含水状态时土的质量 kg G2 烘干后土的质量 kg 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 I h L 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 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 当水力坡度i 1时 地下水在土中渗流的速度 称渗透系数 习题 某条形基础 断面尺寸如图所示 总长度100m 基础体积为110 4m3 土的最初可松性系数为1 2 最后可松性系数为1 04 求该基槽自然状态下的填土量和松散状态下的弃土量 解 已知总长度100m 基础体积110 4m3 Ks 1 2 Ks 1 04挖土自然状态下体积100 1 5 2 5 1 2 200m3回填状态下的体积200 110 4 89 6m3回填土在自然状态下的体积89 6 1 04 86 2m3弃土自然状态下的体积200 86 2 113 8m3弃土在松散状态下的体积113 8 1 2 136 6m3 第一章土方工程 1 2场地设计标高的确定 场地设计标高是进行场地平整和土方量计算的依据 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 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 1 2场地设计标高H0的确定 第一章土方工程 场地设计标高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 场地设计标高的两种方法 1 一般方法 如场地比较平缓 对场地设计标高无特殊要求 可按照 挖填土方量相等 的原则确定场地设计标高 2 用最小二乘法原理求最佳设计平面 应用最小二乘法的原理 不仅可满足土方挖填平衡 还可做到土方的总工程量最小 第一章土方工程 1 2 1场地设计标高计算的一般方法 1 2 1 1计算原则将场地划分成边长为a的若干方格 并将方格网点的原地形标高标在图上 图1 1a a 地形图方格网图1 1场地设计标高计算示意图1 等高线 第一章土方工程 方格网边长a可取10 50m 常用20m 40m 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 用插入法求得H13 251 70 水准仪进行高程测量 1 2 1场地设计标高计算的一般方法 1 2 1 1计算原则 按照挖填土方量相等的原则 图1 1b 场地设计标高可按下式计算 1 2 b 设计标高示意图图1 1场地设计标高计算示意图2 自然地面 3 设计平面 第一章土方工程 由式1 2可得到 1 3 式中zo 所计算场地的设计标高 m n 方格数 zi1 zi2 zi3 zi4 第i个方格四个角点的原地形标高 m 第一章土方工程 点的标高在计算过程中被应用的次数 Pi 反映了各角点标高对计算结果的影响程度 测量上的术语称为 权 考虑各角点标高的 权 式 1 3 可改写成更便于计算的形式 式中z1 一个方格独有的角点标高 z2 z3 z4 分别为二 三 四个方格所共有的角点标高 1 4 第一章土方工程 1 2 1 2计算步骤 划分场地方格网 计算或实测各角点的原地形标高 按式 1 4 计算场地设计标高 设计标高调整 施工高度计算 第一章土方工程 设计标高调整设计标高的调整主要是泄水坡度的调整 由于按式 1 4 得到的设计平面为一水平的挖填方相等的场地 实际场地均应有一定的泄水坡度 因此 应根据泄水要求计算出实际施工时所采用的设计标高 第一章土方工程 以Zo作为场地中心的标高 图1 2 则场地任意点的设计标高为 1 5 图1 2场地泄水坡度 第一章土方工程 施工高度计算 求得后 即可按下式计算各角点的施工高度Hi 施工高度的含义是该角点的设计标高与原地形标高的差值 1 6 式中 角点的原地形标高 若Hi为正值 则该点为填方 Hi为负值则为挖方 第一章土方工程 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 解 1 初步设计标高 场地平均标高 H0 H1 2 H2 3 H3 4 H4 4n 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 70 09 70 09 2 按泄水坡度调整设计标高 Hn H0 Lxix Lyiy H1 70 29 30 2 30 3 70 32 70 32 70 36 70 40 70 44 70 26 70 30 70 34 70 38 70 20 70 24 H0 70 29 H2 70 29 10 2 30 3 70 36 H3 70 29 10 2 30 3 70 40 其它见图 3 计算各方格角点的施工高度hn hn Hn Hn 即 hn 该角点的设计标高 自然地面标高 m h1 70 32 70 09 0 23 m 正值为填方高度 0 23 0 04 0 55 0 99 0 55 0 13 0 36 0 84 0 83 h2 70 36 70 40 0 04 m 负值为挖方高度 4 确定零线 挖填分界线 插入法 比例法找零点零点连线 0 0 1 2 2最佳设计平面 最佳设计平面即设计标高满足规划 生产工艺及运输 排水及最高洪水位等要求 并做到场地内土方挖填平衡 且挖填的总土方工程量最小 第一章土方工程 1 2 2 1最佳设计平面设计原理 任何一个平面在直角坐标体系中都可以用三个参数c 来确定 图1 3 c 原点标高 x方向的坡度 y的方向坡度 第一章土方工程 1 2 2 1最佳设计平面设计原理 在 图1 3 所示的这个平面上任何一点i的标高 可以根据下式求出 1 7 其中 点在x方向的坐标 点在y方向的坐标 式 1 7 为最佳设计平面的方程形式 第一章土方工程 与前述方法类似 将场地划分成方格网 并将原地形标高标于图上 则该场地方格网角点的施工高度为 式中 方格网各角点的施工高度 方格网各角点的设计平面标高 方格网各角点的原地形标高 方格角点总数 1 8 第一章土方工程 土方工程量与施工高度之和成正比 施工高度之和为零时 则表明该场地土方的填挖平衡 由于施工高度有正有负 它不能反映出填方和挖方的绝对值之和为多少 第一章土方工程 为了不使施工高度正负相互抵消 若把施工高度平方之后再相加 则其总和能反映土方工程填挖方绝对值之和的大小 但要注意 在计算施工高度总和时 应考虑方格网各点施工高度在计算土方量时被应用的次数Pi 令 为土方施工高度之平方和 则 1 9 第一章土方工程 将公式 1 8 代入上式 得 当 的值最小时 该设计平面既能使土方工程量最小 又能保证填挖方量相等 填挖方不平衡时 上式所得数值不可能最小 这就是用最小二乘法求最佳设计平面的方法 第一章土方工程 1 2 2 2最佳设计平面的计算方法 为了求得 最小时的设计平面参数c 可以对式1 9的c 分别求偏导数 并令其为0 于是得 1 10 第一章土方工程 经过整理 可得下列准则方程 1 11 式中 余类推 第一章土方工程 解联立方程组 1 11 可求得最佳设计平面的三个参数c ix iy 尚未考虑工艺 运输等要求 然后即可根据方程式 1 3 算出各角点的施工高度 在实际计算时 可采用列表方法 表1 3 最后一列的和 PH 可用于检验计算结果 当 PH 0 则计算无误 第一章土方工程 应用上述准则方程时 若已知c或ix 或iy时 只要把这些已知值作为常数代入 即可求得该条件下的最佳设计平面 第一章土方工程 1 2 2 3设计标高的调整 实际工程中 对计算所得的设计标高 还应考虑下述因素进行调整 这工作在完成土方量计算后进行 1 考虑土的最终可松性 需相应提高设计标高 以达到土方量的实际平衡 2 考虑工程余土或工程用土 相应提高或降低设计标高 3 根据经济比较结果 如采用场外取土或弃土的施工方案 则应考虑因此引起的土方量的变化 需将设计标高进行调整 场地设计平面的调整工作也是繁重的 如修改设计标高 则须重新计算土方工程量 第一章土方工程 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 VW VT H0 V W V T H 0 h 理论设计标高调整设计标高 土的可松性影响 第一章土方工程 1 3土方工程量计算与调配 1 3土方工程量计算 在土方工程施工之前 通常要计算土方的工程量 但土方工程的外形往往复杂 不规则 要得到精确的计算结果很困难 一般情况下 都将其假设或划分成为一定的几何形状 并采用具有一定精度而又和实际情况近似的方法进行计算 第一章土方工程 1 3 1坑 槽 和路堤的土方量计算基坑 槽 和路堤的土方量可按拟柱体体积的公式计算 图1 4 即 1 13 式中V 土方工程量 m3 H F1 F2如图所示 对基坑而言 H为基坑的深度 F1 F2分别为基坑的上下底面积 m2 对基槽或路堤 H为基槽或路堤的长度 m F1 F2为两端的面积 m2 F0 F1与F2之间的中截面面积 m2 第一章土方工程 基槽与路堤通常根据其形状 曲线 折线 变截面等 划分成若干计算段 分段计算土方量 然后再累加求得总的土方工程量 如果基槽 路堤是等截面的 则F1 F2 F0 由式 1 13 计算V HF1 第一章土方工程 1 3 2场地平整土方量 1 3 2 1计算步骤1 场地设计标高确定后 求出平整的场地各角点的施工高度Hi 2 确定 零线 的位置 确定 零线 的位置 了解整个场地的挖 填区域分布状态 按每个方格角点的施工高度算出填 挖土方量 并计算场地边坡的土方量 这样即得到整个场地的填 挖土方总量 第一章土方工程 1 3 2 2零线的确定零线即挖方区与填方区的交线 在该线上施工高度为零 零线的确定方法是 在相邻角点施工高度为一挖一填的方格边线上 用插入法求出零点 0 的位置 图1 5 将各相邻的零点连接起来即为零线 图1 5零点计算示意图 第一章土方工程 如不需计算零线的确切位置 则绘出零线的大致走向即可 零线确定后 便可进行土方量的计算 方格中土方量的计算有两种方法 四方棱柱体法 和 三角棱柱体法 第一章土方工程 1 3 2 3四方棱柱体的体积计算方法四方棱柱体的体积计算方法分两种情况 1 方格四个角点全部为填或全部为挖 图1 6a 时 式中V 挖方或填方体积 m3 H1 H2 H3 H4 方格四个角点的填挖高度 均取绝对值 m a 角点全填或全挖 图1 6四方棱柱体的体积计算 1 14 第一章土方工程 2 方格四个角点 部分是挖方 部分是填方 图1 6b和c 1 15 1 16 式中 H填 挖 方格角点中填 挖 方施工高度的总和 取绝对值 m H 方格四角点施工高度之总和 取绝对值 m a 方格边长 m 图1 6四方棱柱体的体积计算 b 角点二填二挖 c 角点一填 挖 三挖 填 第一章土方工程 1 3 2 4三角棱柱体的体积计算方法计算时先把方格网顺地形等高线 将各个方格划分成三角形 图1 7 图1 7按地形将方格划分成三角形 第一章土方工程 三角形的三角点的填挖施工高度 用H1 H2 H3表示 三角棱柱体的体积计算方法也分两种情况 1 当三角形三个角点全部为挖或全部为填时 图1 8a 1 17 图1 8三角棱柱体的体积计算 a 全填或全挖 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 第一章土方工程 2 三角形三个角点有填有挖时 零线将三角形分成两部分 一个是底面为三角形的锥体 一个是底面为四边形的楔体 图1 8b 图1 8三角棱柱体的体积计算 b 锥体部分填方 第一章土方工程 其中锥体部分的体积为 楔体部分的体积为式中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 1 18 1 19 第一章土方工程 1 3 2土方调配 零线 求出 也就划出了场地的挖方区和填方区 便可计算各方格的挖 填土方量 挖方施工及长距离土方调运 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 y H0 H0 x xOW xOT yOW yOT L0 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 y1 V5x5 y5 V19x19 y19 挖方区重心 填方区重心 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 1 3 2土方调配 二 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 一 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 三 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 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 500 500 800 600 500 500 400 W1 T1 W3 60 50 70 110 80 70 40 100 90 40 100 W4 T3 W2 T2 70 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 各调配区土方量及平均运距 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 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 500 500 100 300 100 40 50 60 70 110 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 ij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 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 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