土體三相指標換算在黃土高填方土方平整中的應用探究

李永亮

（甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

近年來隨著蘭州市城市建設的快速發展，“兩山夾一河”的自然條件對城市發展空間的限制更加明顯，建設用地緊缺與發展規模迅速擴大的矛盾愈顯突出，故而利用城市周邊地區黃土丘陵山地，進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，高填方地基數量不斷增多，往往因對原場地工程勘察數據的理解分析不夠深入，造成土方平整方案主要設計參數選取存在誤區，進而導致設計實施方案中的土方量、增濕用水量與現場實際方量匹配度低，甚至出入較大，更伴隨著施工機械利用率低和工程投資難以控制等現象。

本文結合蘭州某黃土高填方工程土方平整方案設計工作，探究應用土體三相指標換算原理指導方案設計，并確定主要施工控制參數。通過分析工程勘察成果資料并結合現場實際情況，按照規范要求和建設單位意見完成土方平整方案設計，并進行了方案比選、增濕用水量強度分析，以期能為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 項目簡介

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

1.2 工程地質條件

項目區現狀地貌可為 Ⅰ 區-侵蝕堆積溝谷地貌和 Ⅱ區-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揭露地層自上而下為：①—全新統人工素填土（Q4ml）；②—全新統人工耕植土（Q4pd）；③—全新統坡積黃土狀粉土（Q4dl）；④—上更新統風積馬蘭黃土（Q3eol）。

1.3 水文地質條件

根據現場勘探、調繪及收集到的資料分析，項目區內可能存在碎屑巖類孔隙裂隙水，主要賦存于砂巖、粉砂巖的風化裂隙及孔隙中，其補給來源主要為降水及區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化裂隙無規律潛流排泄，或以蒸發方式排泄。該類地下水埋藏深度較大，對工程建設影響較小。

1.4 勘察資料分析

項目區填料主要為 Ⅱ 區—堆積侵蝕黃土梁峁丘陵的馬蘭黃土，根據場地工程勘察資料，馬蘭黃土的物理力學指標統計如表1 所示，擊實試驗成果如表2 所示。

按照 GB 50007－2011《建筑地基基礎設計規范》［2］，土的壓縮性指標應取平均值。

2 設計參數選取

2.1 土方工程量計量規則

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

2.2 壓實系數的確定

依據甘肅省地方標準 DB 62/T 25－3108－2016《低丘緩坡未利用地開發技術規程》［4］規定，根據填方場地的不同用途，應采用不同的填方壓實系數及相應的壓實方法，工程建設用地壓實系數不應低于 0.93，公園綠化用地壓實系數不應低于 0.88，壓實系數應采用重型擊實試驗獲取。

2.3 土方換算系數的計算方法

依據土力學三相換算原理［5］，假設挖掘前土體天然密集實體體積V=Vv+Vs=1 m3，而孔隙率n=Vv/V=Vv，則V=n+Vs。土方換算系數r的計算過程見式（1）～式（5）。

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

2.4 不同壓實系數要求下土方換算系數的選取

場地內馬蘭黃土屬 Ⅱ 類土，根據相關定額所得計算結果如表3 所示，即土方換算系數在壓實系數取 0.93 時按線性內插計算為 1∶0.875，在壓實系數取0.88 時為 1∶0.90。

表3 不同壓實系數下土體孔隙率和土方換算系數計算結果表（按照換算定額）

根據場地勘察報告中土工試驗結果采用三相換算基本公式對應計算結果如表4 所示。從表4 中可知，土方換算系數在壓實系數取 0.93 時為 1∶0.780，在壓實系數取 0.88 時為 1∶0.824。

表4 不同壓實系數下土體孔隙率和土方換算系數計算結果表（按照地質勘察成果）

結合場地周邊已有項目資料，與土方相關定額相比，根據地質勘察成果換算的結果更符合現場實際情況，故本次設計采用根據勘察結果計算的土方換算系數。

根據周邊土地平整的工程實踐，壓實后的土體含水率與土體天然含水率基本不變。因此，根據表4 可知：壓實系數為 0.88 時，和天然狀態相比，孔隙率減少了 10.30 %，也即挖方與回填壓實方之間為 1∶0.824；壓實系數為 0.93 時，和天然狀態相比，孔隙率減少了13.72 %，也即挖方與回填壓實方之間為 1∶0.780。

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

3 土方平整方案設計及比選

3.1 方案設計原則

1）充分利用現狀地形，使擬平整場地既滿足規劃要求，又盡可能做到平整工程量和成本最小、技術經濟最為合理，且實現近距離挖填平衡。

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

3）場地坡度坡向在既滿足排水要求的同時，還應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、回填等。

3.2 計算方法和約束條件

土方工程采用方格網法進行計算，方格網劃分間距 20 m×20 m，計算底圖采用項目建設單位提供地形圖，等高距 5.0 m，等高線離散間距 5 m，采用FastTFTV1 3.0 軟件計算挖填方工程量。

約束條件和計算內容：以平整區內部及周邊已經建成或規劃路網的平面位置及豎向標高進行控制，在滿足防洪、排水要求的基礎上，坡度控制在 3 % 以內。

3.3 方案設計

方案 Ⅰ：計算道路高程按照規劃高程，考慮場地內地下室施工，按照道路標高降低 8 m 考慮，地下室施工后予以回填，與道路高程銜接。經計算，項目區內總挖方量為 531.18 萬m3，填方量為 727.06 萬 m3，需借土377.65 萬 m3（見表5），借土從后期開發地借土。

表5 方案 Ⅰ 計算結果一覽表 m3

方案 Ⅱ：主要參考規劃高程進行計算，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），借土從后期開發地借土。

表6 方案 Ⅱ 計算結果一覽表 m3

3.4 設計方案比選及土方量復核

3.4.1 設計方案比選

依據土方平整方案設計原則，結合場地現狀條件、規劃方案、技術、經濟、環境等多方面因素對比，方案 Ⅰ 考慮了規劃道路高程，能夠與周邊既有交通干線協調，借土量相對較小，能最大程度上滿足近距離挖填平衡，技術經濟均符合建設單位要求，故推薦方案 Ⅰ 為最優方案。

3.4.2 土方量復核

采用 ArcGIS 模型設計進行復核，通過 DEM，運用柵格相減的計算方法實現平整田塊土方量計算，其計算原理為二次積分求取體積。

本次計算，像元大小為 0.3 m×0.3 m，兩個模型疊加計算可得，挖方量為 532.57 萬 m3，填方量為 726.41 萬 m3，復核計算結果如表7 所示。

表7 方案 Ⅰ 采用 ArcGIS 模型計算計算結果一覽表 m3

FastTFT V13.1 軟件、ArcGIS 軟件計算結果均相差較小，結合其他項目土地平整方量計算經驗，FastTFT V13.1 軟件較為貼近施工實際，故此次土地平整工程量采用該軟件的計算結果。

4 土方工程增濕用水量強度分析

根據 JGJ 79－2012《建筑地基處理技術規范》［6］和GB 50025－2018《濕陷性黃土地區建筑標準》［7］，項目區馬蘭黃土天然含水率為 4.50 %～11.20 %，低于 12 % 且低于最優含水率 13.7 %，在填筑體施工時必須采取有效的增濕措施以保證施工質量。

項目計劃工期 6 個月，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）。項目區工程建設用地（約 31.65 公頃）壓實系數取 0.93，填方量為 3 874 905.50 m3（壓實后填筑體積）、綠化用地（約 8.09 公頃）壓實系數取 0.88，填方量為 3 395 710.17 m3（壓實后填筑體積）。利用土力學三相換算原理，以wop±2 %為含水率控制標準，增濕用水量的計算過程見式（6）～式（10），計算結果如表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、最優含水率，%；t為工期，d。

5 結語

1）土方平整工程中土體設計參數的選取應在理解、分析勘察成果資料的基礎上進行，不建議直接套用相關定額值，以免造成理論計算值與實際工程量相差較大，導致投資失控和資源浪費。

2）土體三相指標換算原理在解決土方整平方案設計、選取設計參數、確定施工控制參數等方面具有良好效果。

3）本文將土的三相指標換算基本公式與場地勘察成果資料相結合，并與相關規范定額要求進行對比計算分析，完成了土方平整方案的設計、比選和復核工作，并進行了增濕用水量強度分析，對同類工程具有很大的指導意義。Q