李永亮

（甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

近年來隨著蘭州市城市建設(shè)的快速發(fā)展，“兩山夾一河”的自然條件對(duì)城市發(fā)展空間的限制更加明顯，建設(shè)用地緊缺與發(fā)展規(guī)模迅速擴(kuò)大的矛盾愈顯突出，故而利用城市周邊地區(qū)黃土丘陵山地，進(jìn)行削山填谷造地勢在必行［1］。

在黃土丘陵削山填谷造地工程中，高填方地基數(shù)量不斷增多，往往因?qū)υ瓐龅毓こ炭辈鞌?shù)據(jù)的理解分析不夠深入，造成土方平整方案主要設(shè)計(jì)參數(shù)選取存在誤區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)計(jì)實(shí)施方案中的土方量、增濕用水量與現(xiàn)場實(shí)際方量匹配度低，甚至出入較大，更伴隨著施工機(jī)械利用率低和工程投資難以控制等現(xiàn)象。

本文結(jié)合蘭州某黃土高填方工程土方平整方案設(shè)計(jì)工作，探究應(yīng)用土體三相指標(biāo)換算原理指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)，并確定主要施工控制參數(shù)。通過分析工程勘察成果資料并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，按照規(guī)范要求和建設(shè)單位意見完成土方平整方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了方案比選、增濕用水量強(qiáng)度分析，以期能為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

項(xiàng)目區(qū)用地主要有由兩部分組成：第一部分占地約316 500 m2，為工程建設(shè)用地；第二部分占地約 80 900 m2，為綠化用地。項(xiàng)目填方區(qū)主要位于綠化用地，面積約242 270 m2，約占全區(qū)總面積的 61 %，最大填方厚度為55.88 m。項(xiàng)目挖方區(qū)主要位于工程建設(shè)用地，面積約155 130m2，約占全區(qū)總面積的 39 %，平均挖方厚度約43 m，最大為 86.96 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀地貌可為 Ⅰ 區(qū)-侵蝕堆積溝谷地貌和 Ⅱ區(qū)-堆積侵蝕黃土梁峁丘陵地貌兩種類型，土方平整深度范圍內(nèi)揭露地層自上而下為：①—全新統(tǒng)人工素填土（Q4ml）；②—全新統(tǒng)人工耕植土（Q4pd）；③—全新統(tǒng)坡積黃土狀粉土（Q4dl）；④—上更新統(tǒng)風(fēng)積馬蘭黃土（Q3eol）。

1.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場勘探、調(diào)繪及收集到的資料分析，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)可能存在碎屑巖類孔隙裂隙水，主要賦存于砂巖、粉砂巖的風(fēng)化裂隙及孔隙中，其補(bǔ)給來源主要為降水及區(qū)外周邊基巖中的孔隙裂隙水入滲，大致沿地勢高處向地勢低處潛流或沿風(fēng)化裂隙無規(guī)律潛流排泄，或以蒸發(fā)方式排泄。該類地下水埋藏深度較大，對(duì)工程建設(shè)影響較小。

1.4 勘察資料分析

項(xiàng)目區(qū)填料主要為 Ⅱ 區(qū)—堆積侵蝕黃土梁峁丘陵的馬蘭黃土，根據(jù)場地工程勘察資料，馬蘭黃土的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1 所示，擊實(shí)試驗(yàn)成果如表2 所示。

按照 GB 50007－2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］，土的壓縮性指標(biāo)應(yīng)取平均值。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)選取

2.1 土方工程量計(jì)量規(guī)則

根據(jù) DBJD 25－64－298《甘肅省市政工程預(yù)算定額》（第一冊(cè) 市政工程）要求［3］，挖方工程量按挖掘前的天然密集實(shí)體計(jì)算，填方工程量按回填壓實(shí)后的體積計(jì)算。

2.2 壓實(shí)系數(shù)的確定

依據(jù)甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn) DB 62/T 25－3108－2016《低丘緩坡未利用地開發(fā)技術(shù)規(guī)程》［4］規(guī)定，根據(jù)填方場地的不同用途，應(yīng)采用不同的填方壓實(shí)系數(shù)及相應(yīng)的壓實(shí)方法，工程建設(shè)用地壓實(shí)系數(shù)不應(yīng)低于 0.93，公園綠化用地壓實(shí)系數(shù)不應(yīng)低于 0.88，壓實(shí)系數(shù)應(yīng)采用重型擊實(shí)試驗(yàn)獲取。

2.3 土方換算系數(shù)的計(jì)算方法

依據(jù)土力學(xué)三相換算原理［5］，假設(shè)挖掘前土體天然密集實(shí)體體積V=Vv+Vs=1 m3，而孔隙率n=Vv/V=Vv，則V=n+Vs。土方換算系數(shù)r的計(jì)算過程見式（1）～式（5）。

式中：λc為壓實(shí)系數(shù)，工程建設(shè)用地取 0.93，綠化用地取 0.88；ρdmax、ρd分別為重型擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度、不同壓實(shí)系數(shù)下的填筑體干密度，g/cm3；e0、ei分別為土體天然孔隙比、不同壓實(shí)系數(shù)下的孔隙比；n0、ni、Δni分別為土體天然孔隙率、不同壓實(shí)系數(shù)下的孔隙率及孔隙率減小值，%。

2.4 不同壓實(shí)系數(shù)要求下土方換算系數(shù)的選取

場地內(nèi)馬蘭黃土屬 Ⅱ 類土，根據(jù)相關(guān)定額所得計(jì)算結(jié)果如表3 所示，即土方換算系數(shù)在壓實(shí)系數(shù)取 0.93 時(shí)按線性內(nèi)插計(jì)算為 1∶0.875，在壓實(shí)系數(shù)取0.88 時(shí)為 1∶0.90。

表3 不同壓實(shí)系數(shù)下土體孔隙率和土方換算系數(shù)計(jì)算結(jié)果表（按照換算定額）

根據(jù)場地勘察報(bào)告中土工試驗(yàn)結(jié)果采用三相換算基本公式對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表4 所示。從表4 中可知，土方換算系數(shù)在壓實(shí)系數(shù)取 0.93 時(shí)為 1∶0.780，在壓實(shí)系數(shù)取 0.88 時(shí)為 1∶0.824。

表4 不同壓實(shí)系數(shù)下土體孔隙率和土方換算系數(shù)計(jì)算結(jié)果表（按照地質(zhì)勘察成果）

結(jié)合場地周邊已有項(xiàng)目資料，與土方相關(guān)定額相比，根據(jù)地質(zhì)勘察成果換算的結(jié)果更符合現(xiàn)場實(shí)際情況，故本次設(shè)計(jì)采用根據(jù)勘察結(jié)果計(jì)算的土方換算系數(shù)。

根據(jù)周邊土地平整的工程實(shí)踐，壓實(shí)后的土體含水率與土體天然含水率基本不變。因此，根據(jù)表4 可知：壓實(shí)系數(shù)為 0.88 時(shí)，和天然狀態(tài)相比，孔隙率減少了 10.30 %，也即挖方與回填壓實(shí)方之間為 1∶0.824；壓實(shí)系數(shù)為 0.93 時(shí)，和天然狀態(tài)相比，孔隙率減少了13.72 %，也即挖方與回填壓實(shí)方之間為 1∶0.780。

綜合考慮整體用地規(guī)劃，本次挖方與回填壓實(shí)方之間取為 1∶0.8，即壓實(shí)方與自然方之間為 1∶1.25。

3 土方平整方案設(shè)計(jì)及比選

3.1 方案設(shè)計(jì)原則

1）充分利用現(xiàn)狀地形，使擬平整場地既滿足規(guī)劃要求，又盡可能做到平整工程量和成本最小、技術(shù)經(jīng)濟(jì)最為合理，且實(shí)現(xiàn)近距離挖填平衡。

2）盡可能降低平整場地周邊形成新邊坡的高度，并與周邊規(guī)劃良好銜接；平整后高程應(yīng)與既有或規(guī)劃交通干線協(xié)調(diào)。

3）場地坡度坡向在既滿足排水要求的同時(shí)，還應(yīng)盡可能滿足土方量最小的約束。

4）注重土方平整可能引起的后期成本問題，如土方堆放、挖運(yùn)、回填等。

3.2 計(jì)算方法和約束條件

土方工程采用方格網(wǎng)法進(jìn)行計(jì)算，方格網(wǎng)劃分間距 20 m×20 m，計(jì)算底圖采用項(xiàng)目建設(shè)單位提供地形圖，等高距 5.0 m，等高線離散間距 5 m，采用FastTFTV1 3.0 軟件計(jì)算挖填方工程量。

約束條件和計(jì)算內(nèi)容：以平整區(qū)內(nèi)部及周邊已經(jīng)建成或規(guī)劃路網(wǎng)的平面位置及豎向標(biāo)高進(jìn)行控制，在滿足防洪、排水要求的基礎(chǔ)上，坡度控制在 3 % 以內(nèi)。

3.3 方案設(shè)計(jì)

方案 Ⅰ：計(jì)算道路高程按照規(guī)劃高程，考慮場地內(nèi)地下室施工，按照道路標(biāo)高降低 8 m 考慮，地下室施工后予以回填，與道路高程銜接。經(jīng)計(jì)算，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)總挖方量為 531.18 萬m3，填方量為 727.06 萬 m3，需借土377.65 萬 m3（見表5），借土從后期開發(fā)地借土。

表5 方案 Ⅰ 計(jì)算結(jié)果一覽表 m3

方案 Ⅱ：主要參考規(guī)劃高程進(jìn)行計(jì)算，總挖方量為284.91 萬 m3，填方量為 612.99 萬 m3，需借土 481.33 萬m3（見表6），借土從后期開發(fā)地借土。

表6 方案 Ⅱ 計(jì)算結(jié)果一覽表 m3

3.4 設(shè)計(jì)方案比選及土方量復(fù)核

3.4.1 設(shè)計(jì)方案比選

依據(jù)土方平整方案設(shè)計(jì)原則，結(jié)合場地現(xiàn)狀條件、規(guī)劃方案、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面因素對(duì)比，方案 Ⅰ 考慮了規(guī)劃道路高程，能夠與周邊既有交通干線協(xié)調(diào)，借土量相對(duì)較小，能最大程度上滿足近距離挖填平衡，技術(shù)經(jīng)濟(jì)均符合建設(shè)單位要求，故推薦方案 Ⅰ 為最優(yōu)方案。

3.4.2 土方量復(fù)核

采用 ArcGIS 模型設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核，通過 DEM，運(yùn)用柵格相減的計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)平整田塊土方量計(jì)算，其計(jì)算原理為二次積分求取體積。

本次計(jì)算，像元大小為 0.3 m×0.3 m，兩個(gè)模型疊加計(jì)算可得，挖方量為 532.57 萬 m3，填方量為 726.41 萬 m3，復(fù)核計(jì)算結(jié)果如表7 所示。

表7 方案 Ⅰ 采用 ArcGIS 模型計(jì)算計(jì)算結(jié)果一覽表 m3

FastTFT V13.1 軟件、ArcGIS 軟件計(jì)算結(jié)果均相差較小，結(jié)合其他項(xiàng)目土地平整方量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)astTFT V13.1 軟件較為貼近施工實(shí)際，故此次土地平整工程量采用該軟件的計(jì)算結(jié)果。

4 土方工程增濕用水量強(qiáng)度分析

根據(jù) JGJ 79－2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》［6］和GB 50025－2018《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》［7］，項(xiàng)目區(qū)馬蘭黃土天然含水率為 4.50 %～11.20 %，低于 12 % 且低于最優(yōu)含水率 13.7 %，在填筑體施工時(shí)必須采取有效的增濕措施以保證施工質(zhì)量。

項(xiàng)目計(jì)劃工期 6 個(gè)月，全線土方開挖總量為 531.18萬 m3，土方回填 727.06 萬 m3，填方最大高度為 55.88 m（綠化區(qū)）。項(xiàng)目區(qū)工程建設(shè)用地（約 31.65 公頃）壓實(shí)系數(shù)取 0.93，填方量為 3 874 905.50 m3（壓實(shí)后填筑體積）、綠化用地（約 8.09 公頃）壓實(shí)系數(shù)取 0.88，填方量為 3 395 710.17 m3（壓實(shí)后填筑體積）。利用土力學(xué)三相換算原理，以wop±2 %為含水率控制標(biāo)準(zhǔn)，增濕用水量的計(jì)算過程見式（6）～式（10），計(jì)算結(jié)果如表8 所示。

表8 土方工程增濕用水量估算

式中：ρdmax、ρd1、ρd2分別為土體最大干密度、天然干密度、壓實(shí)后干密度，g/cm3；ρ1土體天然密度，g/cm3；V1、V2分別為土體天然體積、填筑體體積，m3；Δm、Δm′分別為總增濕用水量、每日增濕用水量，t；w1、wop分別為土體天然含水率、最優(yōu)含水率，%；t為工期，d。

5 結(jié)語

1）土方平整工程中土體設(shè)計(jì)參數(shù)的選取應(yīng)在理解、分析勘察成果資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行，不建議直接套用相關(guān)定額值，以免造成理論計(jì)算值與實(shí)際工程量相差較大，導(dǎo)致投資失控和資源浪費(fèi)。

2）土體三相指標(biāo)換算原理在解決土方整平方案設(shè)計(jì)、選取設(shè)計(jì)參數(shù)、確定施工控制參數(shù)等方面具有良好效果。

3）本文將土的三相指標(biāo)換算基本公式與場地勘察成果資料相結(jié)合，并與相關(guān)規(guī)范定額要求進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，完成了土方平整方案的設(shè)計(jì)、比選和復(fù)核工作，并進(jìn)行了增濕用水量強(qiáng)度分析，對(duì)同類工程具有很大的指導(dǎo)意義。Q