土体三相指标换算在黄土高填方土方平整中的应用探究

李永亮

（甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

近年来随着兰州市城市建设的快速发展，“两山夹一河”的自然条件对城市发展空间的限制更加明显，建设用地紧缺与发展规模迅速扩大的矛盾愈显突出，故而利用城市周边地区黄土丘陵山地，进行削山填谷造地势在必行［1］。

在黄土丘陵削山填谷造地工程中，高填方地基数量不断增多，往往因对原场地工程勘察数据的理解分析不够深入，造成土方平整方案主要设计参数选取存在误区，进而导致设计实施方案中的土方量、增湿用水量与现场实际方量匹配度低，甚至出入较大，更伴随着施工机械利用率低和工程投资难以控制等现象。

本文结合兰州某黄土高填方工程土方平整方案设计工作，探究应用土体三相指标换算原理指导方案设计，并确定主要施工控制参数。通过分析工程勘察成果资料并结合现场实际情况，按照规范要求和建设单位意见完成土方平整方案设计，并进行了方案比选、增湿用水量强度分析，以期能为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 项目简介

项目区用地主要有由两部分组成：第一部分占地约316 500 m2，为工程建设用地；第二部分占地约 80 900 m2，为绿化用地。项目填方区主要位于绿化用地，面积约242 270 m2，约占全区总面积的 61 %，最大填方厚度为55.88 m。项目挖方区主要位于工程建设用地，面积约155 130m2，约占全区总面积的 39 %，平均挖方厚度约43 m，最大为 86.96 m。

1.2 工程地质条件

项目区现状地貌可为 Ⅰ 区-侵蚀堆积沟谷地貌和 Ⅱ区-堆积侵蚀黄土梁峁丘陵地貌两种类型，土方平整深度范围内揭露地层自上而下为：①—全新统人工素填土（Q4ml）；②—全新统人工耕植土（Q4pd）；③—全新统坡积黄土状粉土（Q4dl）；④—上更新统风积马兰黄土（Q3eol）。

1.3 水文地质条件

根据现场勘探、调绘及收集到的资料分析，项目区内可能存在碎屑岩类孔隙裂隙水，主要赋存于砂岩、粉砂岩的风化裂隙及孔隙中，其补给来源主要为降水及区外周边基岩中的孔隙裂隙水入渗，大致沿地势高处向地势低处潜流或沿风化裂隙无规律潜流排泄，或以蒸发方式排泄。该类地下水埋藏深度较大，对工程建设影响较小。

1.4 勘察资料分析

项目区填料主要为 Ⅱ 区—堆积侵蚀黄土梁峁丘陵的马兰黄土，根据场地工程勘察资料，马兰黄土的物理力学指标统计如表1 所示，击实试验成果如表2 所示。

按照 GB 50007－2011《建筑地基基础设计规范》［2］，土的压缩性指标应取平均值。

2 设计参数选取

2.1 土方工程量计量规则

根据 DBJD 25－64－298《甘肃省市政工程预算定额》（第一册 市政工程）要求［3］，挖方工程量按挖掘前的天然密集实体计算，填方工程量按回填压实后的体积计算。

2.2 压实系数的确定

依据甘肃省地方标准 DB 62/T 25－3108－2016《低丘缓坡未利用地开发技术规程》［4］规定，根据填方场地的不同用途，应采用不同的填方压实系数及相应的压实方法，工程建设用地压实系数不应低于 0.93，公园绿化用地压实系数不应低于 0.88，压实系数应采用重型击实试验获取。

2.3 土方换算系数的计算方法

依据土力学三相换算原理［5］，假设挖掘前土体天然密集实体体积V=Vv+Vs=1 m3，而孔隙率n=Vv/V=Vv，则V=n+Vs。土方换算系数r的计算过程见式（1）～式（5）。

式中：λc为压实系数，工程建设用地取 0.93，绿化用地取 0.88；ρdmax、ρd分别为重型击实试验最大干密度、不同压实系数下的填筑体干密度，g/cm3；e0、ei分别为土体天然孔隙比、不同压实系数下的孔隙比；n0、ni、Δni分别为土体天然孔隙率、不同压实系数下的孔隙率及孔隙率减小值，%。

2.4 不同压实系数要求下土方换算系数的选取

场地内马兰黄土属 Ⅱ 类土，根据相关定额所得计算结果如表3 所示，即土方换算系数在压实系数取 0.93 时按线性内插计算为 1∶0.875，在压实系数取0.88 时为 1∶0.90。

表3 不同压实系数下土体孔隙率和土方换算系数计算结果表（按照换算定额）

根据场地勘察报告中土工试验结果采用三相换算基本公式对应计算结果如表4 所示。从表4 中可知，土方换算系数在压实系数取 0.93 时为 1∶0.780，在压实系数取 0.88 时为 1∶0.824。

表4 不同压实系数下土体孔隙率和土方换算系数计算结果表（按照地质勘察成果）

结合场地周边已有项目资料，与土方相关定额相比，根据地质勘察成果换算的结果更符合现场实际情况，故本次设计采用根据勘察结果计算的土方换算系数。

根据周边土地平整的工程实践，压实后的土体含水率与土体天然含水率基本不变。因此，根据表4 可知：压实系数为 0.88 时，和天然状态相比，孔隙率减少了 10.30 %，也即挖方与回填压实方之间为 1∶0.824；压实系数为 0.93 时，和天然状态相比，孔隙率减少了13.72 %，也即挖方与回填压实方之间为 1∶0.780。

综合考虑整体用地规划，本次挖方与回填压实方之间取为 1∶0.8，即压实方与自然方之间为 1∶1.25。

3 土方平整方案设计及比选

3.1 方案设计原则

1）充分利用现状地形，使拟平整场地既满足规划要求，又尽可能做到平整工程量和成本最小、技术经济最为合理，且实现近距离挖填平衡。

2）尽可能降低平整场地周边形成新边坡的高度，并与周边规划良好衔接；平整后高程应与既有或规划交通干线协调。

3）场地坡度坡向在既满足排水要求的同时，还应尽可能满足土方量最小的约束。

4）注重土方平整可能引起的后期成本问题，如土方堆放、挖运、回填等。

3.2 计算方法和约束条件

土方工程采用方格网法进行计算，方格网划分间距 20 m×20 m，计算底图采用项目建设单位提供地形图，等高距 5.0 m，等高线离散间距 5 m，采用FastTFTV1 3.0 软件计算挖填方工程量。

约束条件和计算内容：以平整区内部及周边已经建成或规划路网的平面位置及竖向标高进行控制，在满足防洪、排水要求的基础上，坡度控制在 3 % 以内。

3.3 方案设计

方案 Ⅰ：计算道路高程按照规划高程，考虑场地内地下室施工，按照道路标高降低 8 m 考虑，地下室施工后予以回填，与道路高程衔接。经计算，项目区内总挖方量为 531.18 万m3，填方量为 727.06 万 m3，需借土377.65 万 m3（见表5），借土从后期开发地借土。

表5 方案 Ⅰ 计算结果一览表 m3

方案 Ⅱ：主要参考规划高程进行计算，总挖方量为284.91 万 m3，填方量为 612.99 万 m3，需借土 481.33 万m3（见表6），借土从后期开发地借土。

表6 方案 Ⅱ 计算结果一览表 m3

3.4 设计方案比选及土方量复核

3.4.1 设计方案比选

依据土方平整方案设计原则，结合场地现状条件、规划方案、技术、经济、环境等多方面因素对比，方案 Ⅰ 考虑了规划道路高程，能够与周边既有交通干线协调，借土量相对较小，能最大程度上满足近距离挖填平衡，技术经济均符合建设单位要求，故推荐方案 Ⅰ 为最优方案。

3.4.2 土方量复核

采用 ArcGIS 模型设计进行复核，通过 DEM，运用栅格相减的计算方法实现平整田块土方量计算，其计算原理为二次积分求取体积。

本次计算，像元大小为 0.3 m×0.3 m，两个模型叠加计算可得，挖方量为 532.57 万 m3，填方量为 726.41 万 m3，复核计算结果如表7 所示。

表7 方案 Ⅰ 采用 ArcGIS 模型计算计算结果一览表 m3

FastTFT V13.1 软件、ArcGIS 软件计算结果均相差较小，结合其他项目土地平整方量计算经验，FastTFT V13.1 软件较为贴近施工实际，故此次土地平整工程量采用该软件的计算结果。

4 土方工程增湿用水量强度分析

根据 JGJ 79－2012《建筑地基处理技术规范》［6］和GB 50025－2018《湿陷性黄土地区建筑标准》［7］，项目区马兰黄土天然含水率为 4.50 %～11.20 %，低于 12 % 且低于最优含水率 13.7 %，在填筑体施工时必须采取有效的增湿措施以保证施工质量。

项目计划工期 6 个月，全线土方开挖总量为 531.18万 m3，土方回填 727.06 万 m3，填方最大高度为 55.88 m（绿化区）。项目区工程建设用地（约 31.65 公顷）压实系数取 0.93，填方量为 3 874 905.50 m3（压实后填筑体积）、绿化用地（约 8.09 公顷）压实系数取 0.88，填方量为 3 395 710.17 m3（压实后填筑体积）。利用土力学三相换算原理，以wop±2 %为含水率控制标准，增湿用水量的计算过程见式（6）～式（10），计算结果如表8 所示。

表8 土方工程增湿用水量估算

式中：ρdmax、ρd1、ρd2分别为土体最大干密度、天然干密度、压实后干密度，g/cm3；ρ1土体天然密度，g/cm3；V1、V2分别为土体天然体积、填筑体体积，m3；Δm、Δm′分别为总增湿用水量、每日增湿用水量，t；w1、wop分别为土体天然含水率、最优含水率，%；t为工期，d。

5 结语

1）土方平整工程中土体设计参数的选取应在理解、分析勘察成果资料的基础上进行，不建议直接套用相关定额值，以免造成理论计算值与实际工程量相差较大，导致投资失控和资源浪费。

2）土体三相指标换算原理在解决土方整平方案设计、选取设计参数、确定施工控制参数等方面具有良好效果。

3）本文将土的三相指标换算基本公式与场地勘察成果资料相结合，并与相关规范定额要求进行对比计算分析，完成了土方平整方案的设计、比选和复核工作，并进行了增湿用水量强度分析，对同类工程具有很大的指导意义。Q