Материал: Пособие_ПГС_22.04.11

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения

Кафедра "Управление и технология строительства"

Ю.А. Верженский, Д.А. Басовский , М.С. Ватутина

Проектирование производства земляных работ

Часть III

Учебное пособие к курсовому и дипломному проектированию

для студентов специальности ПГС, СЖД, ВиВ

Санкт-Петербург

2010

Учебное пособие рассчитано на студентов специальностей ПГС, СЖД, ВиВ, изучающих дисциплины «Технология строительных процессов» и «Технология возведения зданий и сооружений».

В учебном пособии приводится методика разработки проектов производства работ и технологических карт при планировке площадок и разработке котлованов.

Задание на курсовое проектирование для студентов специальности ПГС приведено в приложении 1. В пособии материал изложен применительно к этому заданию.

В соответствии с заданием на курсовое проектирование выполняются следующие две части: I- проектирование производства земляных работ при планировке площадки и II – проектирование технологических карт на отрывку котлована.

1.Проектирование производства земляных работ при планировке площадки

1.1. Способы задания площадок.

Под планировкой площадки понимаем придание поверхности земли в границах площадки плоской формы без уклонов, либо с уклонами односторонними, или многосторонними. Проектная отметка планировки может устанавливаться проектировщиками в соответствии с технологическими требованиями функционирования объекта, для которого и проектируется площадка, т.е проектная отметка для проектирования работ по планировке – задана, либо отметка площадки строго не регламентируется, только обуславливается форма площадки, с уклонами, или без. В последнем случае возникает возможность задать такую проектную отметку площадки, при которой объем срезки грунта был бы равен требуемому объему подсыпки. (Нулевой баланс). Проектные или «красные» отметки и отметки земли могут использоваться как абсолютные, так и относительные. Отметки земли («черные отметки») могут быть заданы цифровой моделью местности, картой в горизонталях, либо получены в результате собственной геодезической съемки.

Рабочая отметка: величина срезки, или подсыпки грунта определяется как разница между «черными» и «красными» отметками:

h = H_ч – H_кр , (1)

где H_ч - отметка земли («черная»),

H_кр - проектная отметка («красная»)

При этом, следовательно, рабочие отметки насыпей имеют знак минус (-), а выемок - знак плюс (+).

С

уществует несколько методов определения объемов земляных работ при планировке площадки. Чаще всего используется метод квадратных призм. Сущность метода такова: площадка делится на квадраты (со стороной «a»); в пределах квадрата рассматривается призма, образованная вертикально проектирующими плоскостями, проходящими через стороны квадрата, проектной поверхностью и поверхностью земли, которая в пределах призмы считается плоской. Следовательно, назначаемая величина стороны квадрата зависит от рельефа местности. Обычно при спокойном рельефе «a» принимается 40 – 100 и более метров, в более изменчивом рельефе – это будет 20 – 50 метров, а при изменчивом, горном рельефе – 10 – 30 метров. В задании на курсовое проектирование (приложение I), длина стороны квадрата задана.

Для каждой вершины квадрата находятся рабочие отметки. Столкнемся с такими возможными ситуациями: 1.- в пределах квадратной призмы все они имеют одинаковый знак ( знак «+» - выемка, или знак «-» - насыпь); 2. – в пределах квадратной призмы рабочие отметки имеют разные знаки – см. рис. 1.

Рис. 1. План площадки с линией нулевых работ и контурами откосов насыпей и выемок.

При разных знаках рабочих отметок, как видно из рис.1, может быть два варианта: В пределах квадрата два элемента, в основании которых трапеции (квадраты № 14), либо одна трехгранная прямоугольная пирамида и элемент, в основании которого – пятиугольник (квадраты № 15).

Между вершинами квадратов с разными знаками высот – на стороне квадрата есть точки перехода от выемки к насыпи – нулевая точка. Нулевые точки в пределах квадрата образуют нулевую линию.

Для сопряжения проектной площадки с поверхностью земли производится подсыпка, или срезка грунта с устройством откосов с крутизной в зависимости от группы грунта (в курсовом проекте принимаем уклон 1:1,5).

Объем квадратной призмы, или ее элемента с отметками одного знака - в пределах квадрата, в общем случае определяется как произведение площади основания элемента на среднюю высоту элемента:

V = F . h _ср, (2)

где F - площадь основания элемента,

h _ср - средняя работая отметка элемента.

h _ср находится, как средняя арифметическая всех высот элемента.

Рис. 2. Схема нахождения нулевых точек

Положение нулевых точек легко найти (рис.1, 2), если в вершинах квадратов в выбранном масштабе отложить с учетом знака, значения рабочих отметок (векторы) и соединить концы векторов, либо по формуле:

, (3)

где а - сторона квадрата, м;

h₁, h₂ - рабочие отметки;

Далее можно подсчитать объемы земляных работ по всем элементам: насыпей и выемок.

Для полных квадратов (рис.1. № 1÷12; 18, 21÷28) объем (м³) определяется по формуле: , (4)

где а - размер стороны квадрата, м;

h₁, h₂, h₃, h₄ - рабочие отметки в углах квадрата.

Для трехгранной пирамиды (рис. 1.квадраты № 13,15):

, (5)

Для элемента, в основании которого трапеция (рис.1. квадрат № 14):

, (6)

Для элемента, в основании которого пятиугольник (рис.1.квадраты № 13):

, (7)

Для откосов:

Угловой, типа четырехгранной прямоугольной пирамиды (см. рис.1 откосы напротив угловых квадратов 1, 3):

, (8)

Боковой типа призматоида (см.рис.1 откосы по бокам квадратов):

, (9)

Откосы в угловых квадратах 25, 28 (см.рис.1):

, (10)

здесь m – коэффициент заложения откосов.

Далее, используя приведенные формулы, подсчитываются объемы земляных работ, которые нужно выполнить для планировки площадки. Это можно сделать «вручную», однако, для уменьшения трудоемкости, на кафедре УТС ПГУПС создана компьютерная программа «Площадка».

1.2 Порядок работы в программе «Площадка»

Рассмотрим дальнейшее на примере: Пусть есть площадка120*160м., расположенная на картограмме (приложение 2) между осями по вертикали – 4-8, по горизонтали – p3-p6. Сторона квадрата – 40 м.

Запустить программу «Площадка»:

Откроется окно «предупреждение о безопасности» -если есть окно - макросы не отключать; если нет – зайти в Сервис/Макрос/Безопасность/ поставить отметку Средняя/ок – выйти из программы и снова запустить.

1)Зарегистрироваться:

2)Выбрать способ ввода данных и далее: Для нашего случая - выбираем « 2. По заданным осям». 3) В появившемся окне:

вводим номера осей.

4)Ставим точку «с уклоном». Затем нажимаем клавишу «Построение площадки». После этого компьютер попросит выбрать направление уклонов. Нужно выбрать направление водостока, которое диктуется местностью.

Ставим точку в выбранном направлении уклонов и нажимаем клавишу «Продолжить».

5) В этом окне нажимаем в командной строке «Надстройки»,

6) и окно приобретает вид:

7)Теперь нажимаем: «Проектные отметки», компьютер находит проектные (красные отметки).

8)После нажатия кнопки «Рабочие отметки» появляется страница:

Здесь представлена площадка с рабочими отметками и предлагается перейти к подсчету объемов земляных работ на площадке.

9) Для этого нужно нажать «вычисление объемов квадратов».

Появилась такая таблица объемов:

Далее, для уменьшения в последующих расчетах трудоемкости решения задачи распределения земляных масс, следует зайти в лист объемы и сгруппировать объемы квадратов и их элементов (одного знака) в массивы, относя каждый элемент объема к какому-либо массиву (присвоить номера каждому массиву). Номера массивам присваиваются отдельно для выемки и насыпи ( в обоих случаях – начиная с 1). Вначале это желательно сделать на плане площадки. Потом проставить номера массивов в таблице объемов (столбцы 19 и 20).

10) По команде «вычисление объемов массивов» компьютер строит площадку с указанием центров тяжести каждого массива

и в листе «массивы» - итоговую таблицу: «Таблица расстояний между массивами».

На этом заканчивается решение задачи с помощью программы «Площадка».

После определения объемов массивов выемок и насыпей надо решить: откуда, куда транспортируется грунт, какими машинами целесообразно разрабатывать грунт, какими машинами грунт доставляется к месту укладки. Ответы на эти вопросы мы называем распределением земляных масс. Конечно, хочется ответить на эти вопросы наилучшим способом. Задача распределения земляных масс многовариантна, поэтому необ­ходимо найти наиболее выгодный, оптимальный вариант.

1.3 Сущность и возможности задачи линейного программирования

Для решения этой задачи применена так называемая транспортная задача, или задача о назначениях, являющаяся частным случаем линейного программирования, которая позволяет найти оптимальное решение – наилучшее по какому-то критерию. В качестве критерия оптимальности могут быть выбраны: минимальная стоимость варианта, минимальный срок производства работ, наименьшие энергозатраты и пр.

Массивы выемок, где нужно разрабатывать грунт будем называть поставщиками. Соответственно массивы насыпей – потребителями. Пусть имеется m поставщиков и n потребителей грунта. Считаем, что качество товара (грунта) у поставщиков одинаковое и этот товар (грунт) пригоден для всех потребителей. Пусть c_ij – удельные затраты на разработку и доставку грунта от i-го поставщика к j-му потребителю. Удельные затраты зависят от выбранного критерия оптимальности варианта распределения. Если, к примеру, выбран критерий минимальной стоимости, то

c_ij - себестоимость разработки и перемещения одного кубометра грунта от поставщика i к потребителю j.

Если выбран критерий минимальной продолжительности производства работ, то

c_ij – величина, обратная суточной производительности комплекта машин, разрабатывающих и перемещающих грунт от поставщика i к потребителю j.

В курсовом проекте будем находить вариант с минимальной стоимостью.

Обозначим через v_ij объемы поставок грунта от i-го поставщика к j-му потребителю.

Название транспортной рассматриваемая задача получила потому, что к ней сводится оптимизация плана перевозок грузов из m пунктов отправления с запасами а₁,..., а_m в n пунктов назначения с потребностями b₁,…b_n Роль коэффициентов с_ij в целевой функции играют удельные стоимости, т.е. себестоимости разработки и перевозки одной единицы груза из пункта i в пункт j.

Переменные в этой задаче снабжены индексами i, j. Если первый индекс принимает m значений, а второй - n, то общее число перемен­ных (размерность задачи) равно, очевидно, mn. Сущность задачи состоит в минимизации функции:

, (11)

Обычно предполагается дополнительное соблюдение равенства

, (12)

Сумма объемов поставщиков равна сумме объемов потребителей - иначе задача не будет иметь решений.

При этих условиях имеется решение сформулированной задачи минимизации, содержащее не более (m+ n – 1) ненулевых значений перемен­ных. Эти переменные – объемы поставок от i- того поставщика к j-тому потребителю - мы будем называть назначениями.

При решении транспортной задачи пользуются двумя тп матрицами -матрицей планов Р и матрицей удельных стоимостей С, подвергая их специальным преобразованиям.

Построение матрицы стоимостей.

В матрице стоимостей могут быть реальные себестоимости разработки и перевозки 1 м³ грунта от поставщика i к потребителю j -c_ij. Если поставка невозможна(например, грунт непригоден для данного потребителя, поставка обозначается, как «запрещенная» - ЗП. И если для математического решения (обязательность вывоза всех поставщиков и обязательность заполнения всех потребителей) нужно, предположим, перемещать грунт из карьера в отвал, такая поставка обозначается, как «фиктивная поставка» - ФП.

Реальные себестоимости разработки и перевозки 1 м3 грунта от поставщика i к потребителю j -c_ij находим их по графикам единичной себестоимости, в зависимости от дальности перемещения грунта (прил.3). Методика работы с графиками единичной себестоимости проста. Смотрим, на какое расстояние (ось «х») перевозится грунт и поднимаем перпендикуляр до пересечения с первой линией графика и смотрим в сноске, какой комплект машин целесообразно применить на этом участке, затем проводим от линии перпендикуляр к оси «y» и определяем себестоимость разработки и перевозки руб./м³ грунта на этом участке.