土方工程-土方规划

这是一篇关于土方工程的导图，其内容主要讲述土方规划，涵盖土方边坡，土方量计算的方法，场地平整土方量计算以及土方调配

第一章：土方工程第一讲：土方规划

• 一、 概述
  • 1.1 土方工程的内容
    • 包括一切土的挖掘、填筑、运输等过程以及排水降水、土壁支撑等准备工作和辅助工程。
    • 常见的土方工程施工内容有：
      • ⑴ 场地平整：包括障碍物拆除、场地清理、确定场地设计标高、计算挖填土方量、合理进行土方平衡调配等。
      • ⑵ 开挖沟槽、基坑(竖井、隧道、修筑路基、堤坝)：包括测量放线、施工排水降水、土方边坡和支护结构等。
      • ⑶ 土方回填与压实：包括土料选择、运输、填土压实的方法及密实度检验等。
  • 1.2 土方工程的施工要求
    • （1） 土方量少、工期短、费用省；
    • （2） 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；
    • （3） 要求标高、断面控制准确；
    • （4） 土体有足够的强度和稳定性；
    • （5） 应尽可能采用先进的施工工艺、施工组织和机械化施工。
  • 1.3 土的工程分类
  • 1.4 土的工程性质
    • ⑴ 土的质量密度
      • 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。
      • 注意
        • 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
    • ⑵ 土的含水率
      • 定义
        • 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：
      • 注意
        • （1） 土的含水量超过25～30%，则机械化施工就困难，容易打滑、陷车
        • （2） 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
        • （3） 回填土则需有最佳含水量方能夯压密实，获得最大干密度
    • ⑶ 土的渗透性
      • 定义
        • 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 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
      • 注意
        • 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
    • ⑷ 土的可松性
      • 定义
        • 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。
      • 系数
        • 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。
      • 不同分类的土的可松性系数可参考下表：
• 二、 土方边坡
  • 简述
    • 合理地选择基坑、沟槽、路基、堤坝的断面和留设边坡，是减少土方量的有效措施。
    • • 边坡的表示方法为 1:m ，即：
      • 式中 m = b / h ，称为坡度系数。其意义为：当边坡高度已知为h 时，其边坡宽度则等于mh。
  • 边坡坡度的确定
    • 边坡坡度应根据不同的挖填高度、土的工程性质及工程特点而定，既要保证土体稳定和施工安全，又要节省土方。临时性挖方边坡可按下表确定：
    • 当地质条件良好,土质均匀且地下水位低于基坑(槽)底面标高时,挖方深度在5m以内,不加支撑的边坡可按下表确定：
• 三、 土方量计算的方法
  • 3.1 平均高度法
    • ⑴ 四方棱柱体法：将施工区域划分为若干个边长等于a 的方格网，每个方格网的土方体积 V 等于底面积 a2 乘四个角点高度的平均值，即：
    • ⑵ 三角棱柱体法：
      • 方格网土方量计算则可采取平均高度法（四方棱柱体法和三角棱柱体法）
  • 3.2　平均断面法
    • 基坑、基槽、管沟、路堤的土方量计算可采用平均断面法。即：
• 四、 场地平整土方量计算
  • 4.1 场地设计标高H0的确定
    • 4.1.1 H0的重要性
      • 场地设计标高是进行场地平整和土方量计算的依据，也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。
    • 4.1.2 H0 的确定原则
      • （1） 满足生产工艺和运输的要求；
      • （2） 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；
      • （3） 考虑挖填平衡，弃土运输或取土回填的土方量最少；
      • （4） 要有合理的泄水坡度(≧2‰)，满足排水要求；
      • （5） 考虑最高洪水位的影响。
    • 4.1.3 H0 的确定步骤
      • 如场地设计标高无特殊要求时，可根据挖填土方量平衡的原则确定H0 ,其步骤如下：
        • ⑴ 划分方格网
          • 方格网边长a 可取10～50m，常用20m、40m；
          • 挖填平衡原则即场地内土方的绝对体积在平整前、后相等
        • ⑵ 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。
        • ⑶ 按挖填平衡确定设计标高
          • 按每一个方格的角点的计算次数（权数），即方格的角点为几个方格共有的情况，确定设计标高H0的实用公式为：
          • 式中： n —— 方格网数； H1 —— 一个方格仅有的角点坐标； H2 —— 两个方格共有的角点坐标； H3 —— 三个方格共有的角点坐标； H4 —— 四个方格共有的角点坐标。
  • 4.2 场地设计标高H0的调整
    • 按以上步骤求得的H0仅为一理论值，还应考虑以下因素进行调整，求出H,0：
      • （1） 土的可松性影响——填方因土的可松性引起的填方体积增加；
      • （2） 场内挖方和填方的影响——从经济观点出发，安排的挖方就近弃土和填方就近场外取土，引起的挖填土方量的变化；
      • （3） 场地泄水坡度的影响——单坡？双坡？
    • 4.2.1 土的可松性影响
      • 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：
    • 4.2.2 场内挖方和填方的影响
      • 场地设计标高H0是按挖填土方量平衡的原则确定的，但从经济观点出发，常会将部分挖方就近弃于场外，或就近于场外取土用于部分填方，均会引起挖填土方量的变化，亦需调整场地设计标高。
      • • 其设计标高调整值按下式计算：
        • 式中： Q——场地根据H0平整后多余或不足的土方量。
    • 4.2.3 场地泄水坡度的影响
      • 调整后的设计标高是一个水平面的标高，而实际施工中要根据泄水坡度的要求(单坡泄水或双坡泄水)计算出场地内各方格网角点实际设计标高。
      • ⑴ 场地为单坡泄水时，场地内任意点的设计标高则为：
        • 式中：l ——该点至设计标高H，0的距离； i ——场地泄水坡度（不小于2‰）。
      • ⑵ 场地为双坡泄水时，场地内任意点的设计标高则为：
        • 式中：lx、ly——该点沿X-X、Y-Y方向距场地中心线的距离； ix、iy——场地沿X-X、Y-Y方向的泄水坡度。
        • 公式中正负号的取值：计算角点在H，0之上取“＋”，反之取“－”
  • 4.3 场地土方量的计算
    • 场地土方量计算步骤如下：
      • 4.3.1 求各方格角点的施工高度hn
        • hn=场地设计标高Hn－自然地面标高H
        • 若hn为正值则该点为填方，hn为负值则为挖方。
      • 4.3.2 绘出零线
        • 零线位置的确定：先求出方格网中边线两端施工高度有“ + ”、“ － ”中的零点，将相邻两零点连接起来即为零线。
        • 零点的位置按下式计算：
          • 式中：X1、X2——角点至零点的距离(m)； 　　　 h1、h2——相邻两角点的施工高度(m)，均用绝对值； a——方格网的边长(m).
        • 为省略计算，亦可用图解法直接求出零点位置。即用尺在各角点标出相应比例，用尺相接，与方格相交点即为零点位置。见下图：
      • 4.3.3 计算场地挖、填土方量
        • “零线”求出，也就划出了场地的挖方区和填方区，便可按平均高度法计算各方格的挖、填土方量了。
      • 4.3.4 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：
          • 式中： xi、yi —— i 块方格的重心坐标； Vi —— i 块方格的土方量。
        • 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。
• 五、 土方调配
  • 5.1 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。
  • 5.2 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。
  • 5.3 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：
    • 5.3.1 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。
      • 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。
    • 5.3.2 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λij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：
        • 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。
        • 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；
        • 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：
        • 步骤3：引入检验数λ，按下式求出表中无调配土方方格的检验数（即方格右边两小格数字上下相减，将正负号填入表中）： λ12 出现负数说明方案不是最佳方案，需要进行调整。
    • 5.3.3 方案的调整
      • 步骤1：在所有负检验数中挑选一个(一般选最小的)，本例即λ12，将它对应的变量 x12 作为调整对象。
      • 步骤2：找出x12的闭回路。其作法是，从x12方格出发，沿水平或竖直方向前进，遇到有数字的方格作900转弯(也可不转弯)，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、用水平或竖直线联起来的闭回路。见下表：
      • 步骤3：从空格 X12出发，沿闭回路（方向任意）行进，在各奇数转角点的数字中挑出一个最小的（本例即X32=100）将它由 X32调到 X12方格中。
      • 步骤4：将“100”数字填入X12方格中，被调出的X32为0，同时将闭回路上其它奇数次转角（X11）方格内的数字都减去100，偶数次转角（X31）方格内的数字都增加100，使得填、挖方区的土方量仍然保持平衡。这样我们就得到了下表中的新调配方案。
      • 步骤5：对新调配方案按“ ⑵最优方案判别”的方法和步骤再进行判别和检验，如仍出现负数，则重复步骤1～4继续调整，如不出现负数，方案即是最优方案。
        • 计算无调配土方方格的检验数λ，无负数，方案是最优方案。
      • 该优化方案的土方总运输量为： Z = 400×50＋100×70＋500×40＋400×60＋100×70＋400×40 = 94000 （m3·m） 初始方案的土方总运输量为： Z = 500×50＋500×40＋300×60＋100×110＋100×70＋400×40 = 97000（m3·m） 调整后的总运输量减少了3000（m3·m）。
      • 绘出最终土方调配图如下所示
• 六、 思 考 题
  • 1、试述土的可松性及其对土方规划的影响。
  • 2、试述土壁边坡的作用、表示方法、留设原则及影响边坡的因素。
  • 3、确定场地设计标高H0时应考虑哪些因素？
  • 4、试述按挖填平衡原则确定H0的步骤和方法。
  • 5、为什么对场地设计标高H0要进行调整？如何调整？
  • 6、如何计算沟槽和基坑的土方量？
  • 7、土方调配应遵循哪些原则，调配区如何划分，如何确定平均运距？
  • 8、试述用“表上作业法”确定土方最优调配方案的步骤及方法。