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

Учебное пособие к курсовому и дипломному проектированию

для студентов специальности ПГС, СЖД, ВиВ

Санкт-Петербург

2010

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.

Проектирование производства земляных работ при планировке площадки

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 условные. 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 контуров 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 № 7, 8), либо одна трехгранная прямоугольная пирамида и элемент, в основании которого – пятиугольник (квадраты № 9, 12).

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 крутизны откосов в зависимости от группы грунта (в курсовом проекте принимаем 2-ю группу грунта с уклоном 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; здесь h_i может быть h₁ или h₂ , что принимаем за h_i от этой отметки откладывается расстояние х.

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

Для полных квадратов (рис.1. № 1÷6) 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. № 7,8):

_{, (5)}

Для элемента, в основании которого трапеция (рис. 1. № 9):

_{, (6)}

Для элемента, в основании которого пятиугольник (рис.1. № 9,12):

, (7)

Для откосов:

• Угловой, типа четырехгранной пирамиды (см. рис.1 откосы напротив угловых квадратов 1, 3, 13, 15):

, (8)

• Боковой типа призматоида (см.рис.1 откосы напротив квадратов 1-2-3, 1-4, 3-6):

, (9)

• Типа четырехгранной пирамиды (см.рис.1 откосы напротив квадратов 7, 9, 12):

, (10)

Здесь m – коэффициент заложения откосов, l – длина участка откоса, она может включать несколько длины сторон квадратов а.

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 – 3-6. 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.

Зарегистрироваться:

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

вводим номера осей. И

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). Красным шрифтом обозначены выемки, синим - насыпи. 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 (рис. 6, 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, 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.

Суммарный объем всех размеров поставок грунта от данного поставщика и, соответственно, к данному потребителю должен равняться мощности поставщика или потребителя a_i и b_j:

Все поставщики должны быть вывезены полностью, а потребители - полностью заполнены.

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 перевозки руб./м³ грунта на этом участке.

В клетках матрицы, где обозначена запрещенная поставка – ЗП – записываем заведомо большую цену – например 1000 руб./м³.

В клетках матрицы, где обозначена фиктивная поставка – ФП – записываем себестоимость разработки и перевозки грунта – 0 руб./м3.

Для формирования матрицы планов Р на начальном шаге делается ровно т + п - 1 назначений (некоторые из них могут быть нулевыми) с тем, чтобы, полностью удовлетворить спрос всех потребителей грунта, и в то же время вывезти все поставщики.

Вернемся к рассматриваемому примеру.

Для решения задачи распределения земляных масс массивов грунта на площадке с использованием транспортной задачи линейного программирования воспользуемся разработанной на кафедре «Управление и технология строительства» компьютерной программой «NewTZ».

С тем, чтобы уравнять объемы поставщиков и потребителей введем поставщик-карьер, расположенный около площадки – где наибольшие рабочие отметки – т.е увеличиваем объем поставщиков за счет увеличения площади площадки. (Добавился массив №3) Этот объем желательно наметить заведомо большим: скажем равный объему всех потребителей. Точно так же поступаем с потребителями, намечая большой отвал рядом с площадкой, где самые большие рабочие отметки насыпей:

3

1

2

1

2

3

Занесем эти поставщики и потребители в полученную площадку, и определим соответствующие дальности перемещения грунта.

Входим в программу NewTZ и регистрируемся. Нажимаем клавишу «Продолжить работу»

В открывшемся окне указываем количество поставщиков и потребителей. В нашем случае – два массива поставщиков и намеченный карьер – итого три. И два массива потребителей и отвал – тоже три:

И нажимаем клавишу «Продолжить работу».

3) Нажимаем «Ввод данных» и заполняем появившуюся таблицу, куда вносим объемы всех поставщиков, потребителей, расстояния транспортировки грунта между массивами (основываясь на решении программы «Площадка), по масштабу – определяем дальность возки от карьера до всех потребителей и от всех поставщиков до отвала (значения расстояний записываются в верхнем правом углу каждой клетки таблицы. Вносим значения матрицы стоимостей: себестоимость разработки и перемещения грунта на всех связях ij, выбирая при этом машины, как это описано на стр. В нижнем левом угду клетки пишем наименование выбранной машины, в правом нижнем углу – единичную себестоимость.

Нажимаем «Расчет». Появляется уведомление В нашем примере, что план базисный, что означает, что количество поставок равно m+n-1, т.е 5.

Нажимаем «ОК» и повляется запрос:

Находить оптимальный план.

Нажимаем «ОК», получаем готовое решение:

Получено оптимальное распределение земляных масс на площадке. На основе анализа полученного решения задачи распределения земляных масс, полученного на компьютере, окончательно назначаются ведущие и комплектующие машины для производства работ.

Решение задачи отражает от какого поставщика к какому потребителю нужно перевезти грунт исходя из себестоимости разработки и перевозки 1 м³ грунта. На плане площадки показать стрелками направления перемещения грунта и объемы поставок.

На этом работа с программой NewTZ завершена.

Далее нужно определить сроки производства работ и рассчитать потребные для этого ресурсы.

Строится календарный график производства работ по планировке площадки.

1.4 Проектирование календарного графика.

Календарный график производства работ разрабатывается с учетом разбивки площадки на массивы и наличия возможных отвала и карьера: в графике необходимо указать численный состав комплексных бригад, объемы работ и продолжительность работ на отдельных участках.

Срок производства работ на каждой связи t_ij определяют исходя из перевозимого объема грунта v_ij и суточной производительности комплекта П_ij:

t_ij = V_ij / П_ij, (13) .

Суточная производительность комплекта находится на основании норм времени, приведенных в сборнике ЕНиР Е-2.

В рассматриваемом примере производительность комплекта скрепера прицепного (прил1) из ЕНиР § 2-1-7 при дальности возки 73 м по связи 1-1 и 2-2 (см.таблицу распределения земляных масс) определяется:

Псут = (100 / 0,93) *8* 1 *1 = 860 м³/сут.

Здесь принимаем скрепер на тракторе ДЭТ-250, вместимость ковша 15 м³, II группа грунтов;

0,93 – норма из ЕниР, машино-часов / 100 м³;

8 – продолжительность рабочей смены, ч;

1 – число рабочих смен в сутки;

1 – число ведущих машин в комплекте.

При дальности возки 108 м по связи 1-2 определяется:

Псут = (100 / (0,93+0,05) *8* 1 *1 = 816 м³/сут,

здесь 0,05 – добавка на каждые следующие 10 м.

При дальности возки 120 м по связи 3-2 определяется:

Псут = (100 / (0,93+0,05*2)* 8 *1*1 = 777 м3/сут,

Производительность экскаваторного и бульдозерного комплекта определяется из ЕНиР Е-2, (прил. 3) также.

Срок производства работ по связи 1-1: t_1-1 = 2172 / 860=2,5 сут,

По связи 2-2: t_2-2 = 1829 / 860=2,12 ≈ 2сут,

По связи 1-2: t_1-2 = 1034 / 816=1,27 ≈ 1сут,

По связи 3-2: t_3-2 = 161 / 777=0,2 ≈ 0,5 сут.

Строим календарный график по форме на рис.3.

При проектировании календарного графика нужно учитывать следующие ограничения.

1. Если предусмотрена разработка поставщика скреперным и экскаваторным комплектом, обязательно нужно выполнить сначала скреперные работы, потом – экскаваторные.

2. Если по результатам распределения земляных масс оказалось целесообразным на границе насыпи и выемки выполнять работы бульдозером, эта операция должна быть выполнена в первую очередь, а потом – работы в смежных выемках и насыпях другими комплектами.

Наиболее широко для планировочных работ на площадке используются бульдозеры и скреперы. Экскаваторы драглайн, прямая и обратная лопаты рационально применять только при рабочих отметках выемок более 2-3 м.

Бульдозеры в условиях планировки площадок применяются для разработки выемок в насыпь или в отвал при дальности перемещения грунта на расстояние 30-50 м, но не более 100 м. Грунты III группы, за исключением песчаных, предварительно рыхлятся. Уложенный в насыпь грунт должен быть дополнительно уплотнен.

Скреперы при планировке площадок применяются для перемещения грунта выемок в насыпь и отвал, а также при возведении насыпей из карьеров. Плотные грунты предварительно рыхлятся. Разравнивание и уплотнение уложенного грунта производится самим скрепером.

Экскаваторы на работах по планировке площадки применяются с объемом ковша до 1м³. При небольших рабочих отметках наиболее целесообразно применять экскаваторы драглайн и обратная лопата.

Рис. 3. Календарный график планировки площадки.

На больших площадках часто целесообразно применять комбинированный способ: например производить срезку грунта в пределах массива бульдозером с перемещением в промежуточный отвал, затем транспортировать грунт экскаваторным комплектом в массив насыпи.