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多媒体教学软件第一章土方工程•第一节概述•一、土方工程的特点与施工要求•1.土方工程施工的特点•（1）面广量大、劳动繁重。•（2）施工条件复杂。•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：•（1－1）•式中C湿——含水状态时土的质量；•G干——烘干后土的质量。•3.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。•达西地下水流动速度公式v=KI，•4．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。21sVVK土在天然状态下的体积土经开挖后的松散体积＝最初可松性系数13'sVVK土在天然状态下的体积土经回填压实后的体积最后可松性系数•三、土方边坡坡度•土方边坡坡度图1－1边坡坡度示意m:1B/H1BH•四、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。•第二节土方计算与调配•一、基坑、基槽和路堤的土方量计算•基坑土方量即可按拟柱体的体积公式•式中H——基坑深度(m)；•F1，F2——基坑上下两底面积(m2)；•F0——F1与F2之间的中截面面积(m2)；)F4F(F6HV201•当基槽和路堤沿长度方向断面呈连续性变化时其土方量可以用同样方法分段计算。•式中V1——第一段的土方量(m3)；•L1——第一段的长度(m)；•将各段土方量相加即得总土方量，即：•式中V1，V2…Vn——为各分段土的土方量(m3)。)F4F(F6LV20111•二、场地平整标高与土方量•（一）确定场地设计标高•1．初步设计标高•场地设计标高即为各个方格平均标高的平均值。可按下式计算：••式中：H。——所计算的场地设计标高(m)；•a——方格边长(m)；•N——方格数；•H1l，…，H22——任一方格的四个角点的标高(m)。4N)HHH(HH222112110图1—4场地设计标高H0计算示意图(a)方格网划分；(b)场地设计标高示意图1一等高线；2--自然地面，3一场地设计标高平面(a)(b)•如令H1——1个方格仅有的角点标高；•H2——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4NH4H3H2HH43210•2．场地设计标高的调整•(1)土的可松性影响•H0’＝H0+Δh•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。'sWT'sWKFF1)(KVh－图1－5考虑土的可松性调整设计标高计算示意图(a)(b)•(2)场内挖方和填土的影响•（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•Hn＝H0±li(a)(b)图1—6场地泄水坡度示意图(a)单向泄水；(b)双向泄水•2）双向泄水时各方格角点的设计标高•Hn＝H0±lxix±lyiy(a)(b)图1—6场地泄水坡度示意图(a)单向泄水；(b)双向泄水•（二）场地土方量计算•1.计算场地各方格角点的施工高度各方格角点的施工高度(即挖、填方高度)h0•hn＝Hn-Hn’(1—13)•式中hn——该角点的挖、填高度，以“＋”为填方高度，以“－”为挖方高度(m)；•Hn——该角点的设计标高(m)；•Hn’——该角点的自然地面标高(m)。•2.绘出“零线”•方格线上的零点位置见图1—9，可按下式计算：•式中：h1，h2——相邻两角点挖、填方施工高度(以绝对值代入)；•a——方格边长；•x——零点距角点A的距离。211hhahx图1－9零点位置计算•3.场地土方量计算•（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，以绝对值代人（m）。)hhh(h4aV43212•2）部分挖部分填格h)h(4aV22挖挖h)h(4aV22填填•（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)，用绝对值代人。)hh(h6aV3212图1－13按地形将方格划分成三角形•2)有挖有填•其中锥体部分的体积为:•楔体部分的体积为:)h)(hh(hh6aV3221332锥2133231332hhh)h)(hh(hh6aV－楔•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•3．土方施工单价的确定•（二）最优调配方案的确定•1.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)。挖填B1B2B3挖方量A15070100500A2704090500A36011070500A48010040400填方量8006005001900•2.最优方案判别•利用“最小元素法”编制初始调配方案，其总运输量是较小的。但不一定是总运输量最小，因此还需判别它是否为最优方案。判别的方法有“闭回路法”和“位势法”，其实质相同，都是用检验数λij来判别。只要所有的检验数λij≥0，则该方案即为最优方案；否则，不是最优方案，尚需进行调整。•为了使线性方程有解，要求初始方案中调动的土方量要填够m＋n－1个格（m为行数，n为列数），不足时可在任意格中补“0”。•如：表1－4中已填6个格，而m＋n－1＝3＋4－1＝6，满足要求。•下面介绍用“位势法”求检验数：•（1）求位势Ui和Vj•位势和就是在运距表的行或列中用运距（或单价）Cij同时减去的数，目的是使有调配数字的格检验数ij为零，而对调配方案的选取没有影响。•计算方法：将初始方案中有调配数方格的Cij列出，然后按下式求出两组位势数Ui(i＝1，2，…，m)和Vj(j＝1，2，…·，n)。•Cij＝Ui＋Vj(1－20)•式中Cij——平均运距(或单位土方运价或施工费用)；•Ui，Vj——位势数。•例如，本例两组位势数计算：•设U1＝0，•则V1＝C11－U1＝50－0＝50；•U3＝C31－V1＝60－50＝10；•V2＝110－10＝100；•……，见表1－3所示。•例如，本例两组位势数计算：•设U1＝0，•则V1＝C11－U1＝50－0＝50；•U3＝C31－V1＝60－50＝10；•V2＝110－10＝100；•……，见下表所示。挖填位势数B1B2B3位势数UiVjA15005070100A2705004090A33006010011010070A48010040040•（2）求检验数ij•ij＝Cij－Ui－Vj•12＝70－0－100＝－30•13＝100－0－60＝40•21＝70－(－60)－50＝80•23＝90－(－60)－60＝90挖填B1B2B3UiVjV1=50V2=100V3=60A1U1=0070100A2U2=-6070090A3U3=10000A4U4=-20801000位势数位势数5060110404070•求检验数表+80-30+40+90+50+20•3.方案的调整•（1）在所有负检验数中选取最小的一个（本例中为C12)，把它所对应的变量X12作为调整的对象。•（2）找出X12的闭回路：从X12出发，沿水平或竖直方向前进，遇到调调配土方数字的格作可以做90°转弯，然后依次继续前进，直到再回到出发点，形成一条闭回路(表1－5)。•（3）从空格X12出发，沿着闭回路方向，在各奇数次转角点的数字中，挑出一个最小的土方量(本表即为500、100中选100)，将它调到空格中(即由X32调到X12中)。•（4）同时将闭回路上其他奇数次转角上的数字都减去该调动值（100m3），偶次转角上数字都增加该调动值，使得填、挖方区的土方量仍然保持平衡，这样调整后，便得到了新的调配方案。见表1－6中括号内数字。填方量填挖B1B2B3挖方量A1500A2500A3500A44008006005001900400500500300100100(400)(400)(0)(100)X12(400)再求位势及空格的检验数•若检验数仍有负值，则重复以上步骤，直到全部ij≥0而得到最优解。•（4）绘出调配图：（包括调运的流向、数量、运距）。•（5）求出最优方案的总运输量：400×50＋100×70＋500×40＋400×60＋100×70＋400×40＝94000m3-m。+40+50+60+50+50U1=0V1=50V2=70U2=－30U3=10V3=60U4=－20位势数位势数挖填B1B2B3UiVjA1A2A3A4506011040407080100707010090+30000000•4.绘制土方调配图图1－17土方调配图箭线上方为土方量（m3），箭线下方为运距（m）•第三节排水与降水•一、地面排水•排除地面水(包括雨水、施工用水、生活污水等)常采用在基坑周围设置排水沟、截水沟或筑土堤等办法，并尽量利用原有的排水系统，或将临时性排水设施与永久性设施相结合使用。•二、集水井排水或降水•集水井法是在基坑开挖过程中，沿坑底的周围或中央开挖排水沟，并在基坑边角处设置集水井。将水汇入集水井内，用水泵抽走(图1—18)。这种方法可用于基坑排水，也可用于降水。图1-18集水井降水法1－排水沟；2－集水井；3－离心式水泵；4－基础边线；5－原地下水位线；6－降低后地下水位线•1．排水沟的设置•排水沟底宽应不少于0.2～0.3m，沟底设有0.2％～0.5％的纵坡，在开挖阶段，排水沟深度应始终保持比挖土面低0.4～0.5m•2.集水井的设置•集水井应设置在基础范围以外的边角处。间距应根据水量大小、基坑平面形状及水泵能力确定，一般为20～40m。•3．水泵性能与选用•(1)离心泵•泵体是由泵壳、泵轴及叶轮等主要部件组成，其管路系统包括滤网与底阀、吸水管及出水管等图1-19离心泵工作简图1－泵壳；2－泵轴；3－叶轮；4－滤网与底阀；5－吸水管；6－出水管•(2)潜水泵•潜水泵是由立式水泵与电动机组合而成，工作时完全浸在水中。•水泵装在电动机上端，叶轮可制成离心式或螺旋桨式；电动机设有密封装置。图1－20潜水泵工作简图1－叶轮；2－轴；3－电动机；4－进水口；5－出水胶管；6－电缆•三、流砂及其防治•1．流砂发生的原因•动水压力是流砂发生的重要条件。流动中的地下水对土颗粒产生的压力称为动水压力，其性质通过图1—20所示的试验说明。ρWh1F－ρWh2F－TLF＝0WW21ILhhT－图1—21动水压力原理图(a)水在土中渗流的力学现象；(b)动水压力对地基土的影响l、2－土颗粒（a）（b）1TLF•由上式可知，动水压GD与水力坡度I成正比，水位差越大，动水压力越大