同济大学土木工程施工PPT第01章 土方工程

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1、第一章 土方工程,第一节 概 述 一、土方工程的工作内容： 土的挖掘、填筑和运输等过程， 排水、降水、土壁支撑等准备工作和辅助工程。 二、土方工程施工特点： 工程量大、劳动繁重和施工条件复杂等； 受气候、水文、地质、地下障碍等因素的影响大， 不可确定的因素也较多，有时施工条件极为复杂。 三、土的工程分类 施工中，根据土的“开挖难易程度”，将土分为八类，见下表：,1 - 1,四、土的工程性质 1. 土的可松性： 自然状态下的土，经过开挖后，其体积因松散而增大，以后虽经回填压实，仍不能恢复。 土方工程量是以自然状态的体积来计算的，在土方调配、计算土方机械生产率及运输工具数量等时，必须考虑土的可松性

2、。,1 3,土的可松性程度用可松性系数表示，即,KS ：计算土方施工机械及运土车辆等的重要参数， KS：计算场地平整标高及填方时所需挖土量等的重要参数。,(1-1),式中 Ks最初可松性系数； Ks最后可松性系数； V1土在天然状态下的体积（m3）； V2土经开挖后的松散体积（m3）； V3土经回填压实后的体积（m3）。,1 4,2. 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330cm之间。 3. 土的透水性 土的透水性是指水流通过途中孔隙的难易程度， 用渗透系数 K 来表示。 4. 土的其他工程性质 密实度、抗剪强度、

3、土压力等,1 5,第二节 场地设计标高的确定 一、场地设计概念 场地设计平面：大型工程项目，将自然地面通过场地平整，改造为人们所要求的平面； 场地设计标高：要求满足 a. 规划、生产工艺，运输、排水，最高洪水位，等 b. 场地内土方的挖填平衡、且土方工程量小。 二、场地设计标高的确定 方格网法（见下图） 条件：场地比较平缓，对场地设计标高无特殊要求时。,1 6,1. 场地设计标高的计算原理挖填土方量平衡：,即,1 7,2. 场地设计标高的计算公式考虑各角点标高的“权” ：,式中， z1 - 一个方格独有的角点标高（m）； z2 , z3 , z4 - 分别为二、三、四个方格所共有的角点标高（m

4、）； z0 - 场地的中心标高（m） 。,上式中， z0 - 场地设计标高（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）。,1 8,3. 场地任意点的设计标高以 z0 作为场地中心的标高（见图）：,式中， ix, iy - x , y 方向的泄水坡度。,4. 各角点的施工高度 Hi ： 若 Hi 为正值、该点为填方；若 Hi 为负值、该点为挖方。,1 9,三、最佳设计平面 要求满足： a. 规划、生产工艺，运输、排水，最高洪水位，等 b. 场地内土方的挖填平衡、且土方工程量最小。 最小二乘法原理： 如图，在平面上任何一点的

5、标高，可以根据下式求出：,1 10, 场地方格网角点的施工高度为,式中, Hi 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； n 方格角点总数。,1 11, 令为土方施工高度之平方和，则,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）。这就是最小二乘法求设计平面的方法。 即有，,1 12,四、设计标高的调整 在实际工程中，应考虑下述因素，调整场地设计标高： (1) 考虑土的最终可松性； (2) 考虑工程余土或工程用土； (3) 由经济比较结果，确认场外取土或弃土的土方量的变化。,1 13,第三节

6、 土方工程量的计算与调配 一、 土方工程量计算 土方工程施工之前，需计算土方的工程量。但土方工程精确的计算工程量很困难。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。,（一） 基坑（槽）和路堤的土方量计算,1 14,基坑（槽）、路堤 的土方量 按拟柱体积 公式计算， 即,式中 V 土方工程量（m3）； H 基坑的深度，或基槽或路堤的长度（m）； F1，F2 基坑的上下底面积，或基槽、路堤两端的面积（m2）； F0 F1与F2之间的中截面面积（m2）。,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

7、加求得总的土方工程量。 如果基槽、路堤是等截面的，则 F 1=F 2= F 0，由上式计算 V = H F 1 。,1 15,（二）场地平整土方量的计算 1. “零线” 位置的确定： 零线即挖方区与填方区的交线，在该线上，施工高度为 0 ； 在相邻角点施工高度为一挖一填的方格边 线上，用插入法求出零点的位置，如图，将各 相邻的零点连接起来即为零线。,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”。,1 16,2四方棱柱体的体积计算方法：,（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，

8、均取绝对值（m）。,1 17,（2）方格四个角点，部分是挖方、部分是填方（图1-6b和c）时：,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）。,1 18,3三角棱柱体的体积计算方法 （1） 先把方格网顺地形等高线，将各个方格划分成三角形，如图。,每个三角形的三角点的填挖施工高度，用H1，H2，H3表示。,1 19,（2）当三角形三个角点全部为挖或全部为填时（如图 1- 8a）： 式中 H1，H2，H3 三角形各角点的施工高度（m），用绝对值代入。,1 20,（3） 三角形三个角点有填有挖时，零线将三

9、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（如图 1- 8b）。,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 21,二、土方调配 土方调配的目的：在使土方总运输量（m3m）最小、或土方运输成本（元）最小的条件下，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。,（一）土方调配区的划分，平均运距和土方施工单价的确定： 1调配区的划分原则 （1）调配区的划分应该与工程建（构）筑物的平面位置相协调，并考虑它们的开工顺序、工程的分期施工顺序； （2）

10、调配区的大小应该满足土方施工主导机械（铲运机、挖土机等）的技术要求； （3）调配区的范围应该和土方工程量计算用的方格网协调，通常可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，这时一个取土区或弃土区都可作为一个独立的调配区。,1 22,2平均运距的确定： 调配区的大小和位置确定之后，便可计算各填、挖方调配区之间的平均运距。 当用铲运机或推土机平土时，挖土调配区和填方调配区土方重心之间的距离，通常就是该填、挖方调配区之间的平均运距。 当填、挖方调配区之间距离较远，采用汽车、自行式铲运机或其他运土工具沿工地道路或规定线路运土时，

11、其运距应按实际情况进行计算。,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就比较复杂，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。 将上述平均运距或土方施工单价的计算结果填入土方平衡与单价表（表1-4）内。,1 23,（二） 用“线性规划”方法 进行土方调配 时的数学模型： 土方平衡与施工运距（单价）表,1 24,表格说明 ： 整个场地划分为 m 个挖方区W1，W2，Wm，其挖方量应为a1, a2, , am； n 个填方区T1，T2，Tn，其填方量相应为b1，b

12、2，,bn； xij 表示由挖方区 i 到填方区 j 的土方调配数， 由填挖方平衡，即,1 25,从 W1 到 T1 的价格系数（平均运距，或单位土方运价、或单位土方施工费用）为c11，即从 Wi 到 WJ 的价格系数为 cij ，则土方调配的数学模型表达： 求一组 xij 的值，使目标函数 Z = 为最小值， 并满足下列约束条件： （i = 1，2，m ） （j = 1，2，n） xij 0,1 26,（三）用“表上作业法”进行土方调配 通过“假想价格系数”求检验数， cij 表示假想系数，其值待定。 下面举例说明，用表上作业法求调配最优解的步骤与方法,图示为一矩形广场，方格内的数字为各调配

13、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。,1 27,1编制初始调配方案 （1）将土方量及价格系数（即 平均运距）填入计算表格中：,1 28,（2）初始方案的确定： 先找价格系数最小的方格（C22= C43= 40），如取C43 ，使X43最大为400。,1 29,再依次找出 价格系数较小的方格， ， 并满足 挖填量的相等。 由此利用“最小元素法”确定的初始方案首先是让 cij 最小的那些格内的 xij 值取尽可能大的值，也就是优先考虑“就近调配”，求得总运输量是较小的。,1 30,2最优方案判别 采用“假想价格系数法”，求检验数： 求 无土方调配的方格（本例中

14、的 W1-T3，W4-T2 等）的检验数ij ； 如所有检验数ij 0，则方案为最优方案； 如所有检验数ij 0，则该方案不是最优，需要进行调整。 （1）首先求出 表中各个方格的假想价格系数， 有调配土方的假想价格系数 = ， 无调配土方方格的假想系数用下式计算： + = + 即，e f p q 构成的任一矩形四个方格内对角线上的假想价格系数之和相等。 由此填入下表：,1 31,本矩形得出，C21 10,本矩形得出，C12 100,1 32,（2）其次求出 无调配土方方格的检验数ij ， ij ，即有 把表中无调配土方的方格右边两小格的数字上下相减：如 21 = 70(10) = 80，12

15、= 70100 = 30，将计算结果填入表中。,检验数 ij 有负值，说明方案要调整。,1 33,3. 方案的调整 （1）在所有负检验数中，选一个最小的（本例中是C12），把 x12 作调整对象； （2）找出 x12 的闭回路：从 x12 方格出发，沿水平与竖直方向前进，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回路，见下表。,x12,500,100,300,500,100,400,1 34,（3）在闭回路中，挑出一个最小值 x32 100，将其由x32调到x12方格中； （4）同时调整闭回路上其他的奇数次转角上的数字都减去“100”，偶数次转角上数 字都增加“100”，使得填挖方区的土方量仍然保持平衡，得到新调配方案，见 表。,1 35,（5）对新调配方案，再次检验，直到找出最优方案为止： 上表中所有检验均为正号