一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法
【专利摘要】一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，包括以下步骤：选定合理的边坡挖填坡比；确定不同类场平单元土方特征参数、控制性场平单元和依附性场平单元，遴选出关键性挖方单元和关键性填方单元，确定场平土方平衡优化设计目标，构建土方平衡优化设计计算模型，确定土方平衡优化技术参数，利用GPCAD土方计算模块计算优化后场平的土方量。该方法既考虑了台段面设计标高调整对土方挖填工程造价的影响，又考虑了台段面设计标高调整对边坡支护及建构筑物基础投资的影响，不仅适用于地形条件简单且场地平土标高单一的建设场地，而且适用于地形条件复杂且具有多个场地平土标高的台段式场地，同时兼有简单实用、计算高效、结果可靠等优点。
【专利说明】一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法
【技术领域】
[0001]本发明技术涉及一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，具体的说是一种针对多台段式场平布局的复杂性和特殊性，考虑台段面设计标高调整对土方挖填工程造价、边坡支护及建构筑物基础投资的影响，而提出的一种基于场平单元特征参数的土方平衡优化设计方法。
【背景技术】
[0002]随着国家基础建设的大力发展，越来越多的建设项目不可避免的将会选择在山区丘陵等复杂地形地带实施。在地形复杂地带实施建设工程项目时，常需将自然地貌改造成多个台段式的场地，以满足建构筑物规划、生产工艺和运输、排水及最高洪水位等要求，并力求使得场地内土方工程量最小且土方挖填平衡。土方平衡计算是工程投资概算及方案选优的重要影响因素，其计算模型的选择直接影响到工程造价的控制与施工组织问题。
[0003]目前，在总图竖向设计中，有相当一部分设计者是采用方格网法和经验法来确定场地平土设计标高。由于该方法是建立在一定估计和假设基础上的，不可能通过一、两次计算就能达到土方工程量最小与土方量挖填平衡的要求，需要经过反复多次的修正和调整，才能达到预期的结果。由此可见，传统土方平衡设计方法不仅操作繁琐、准确度差，而且仅适用于地形条件简单且场地平土标高单一的建设场地，对于地形条件复杂且具有多个场地平土标高的台段式场地则基本不适用。因此，发明一种适用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，对于复杂地形条件下台段式场平建设项目具有重要意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对多台段式场平建设项目的复杂性和特殊性，考虑台段面设计标高调整对土方挖填工程造价、边坡支护及建构筑物基础投资的影响，以场平单元土方量特征参数为切入点，发明一种适用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法。
[0005]本发明一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，具体步骤如下:
[0006]第一步:根据场区地形坡度分析确定岩土体休止角，结合建筑边坡工程技术规范(GB50330-2002)中土质边坡坡率允许值和岩质边坡坡率允许值，选定稳定合理的边坡挖填坡比；
[0007]第二步:根据总图布局，将场平区划分为不同建构筑物台段场平单元、道路场平单元及边坡场平单元，利用GPCAD 土方计算软件，确定不同类场平单元的挖填方量占比、面积占比及挖填不平衡系数等土方特征参数；
[0008]第三步:依据场平单元内在联系及土方特征参数大小确定控制性场平单元和依附性场平单元；
[0009]第四步:在控制性挖方场平单元中，以挖方量占比及面积占比最大为控制目标，遴选出关键性挖方单元；
[0010]在控制性填方场平单元中，以上部建构筑物对下部地基土承载力要求最低和面积占比最大为控制目标，遴选关键性填方单元；
[0011]第五步:确定场平方平衡优化设计目标，具体包括土方挖填基本平衡、土方挖方总量最小、相邻台段面高差最小等优化设计目标；
[0012]所述土方挖填基本平衡优化设计目标是指:为减少土方调配运距，在尽可能满足各场平单元自身挖填平衡的前提下，合理调整台段面设计标高，使得总挖填方量达到基本平衡，以减少余土外运或借土投资；考虑岩土体具有可松性，天然岩土体挖出来后体积将扩大，将这部分土转到填方区压实后其体积仍比最初天然岩土体的体积要大，即存在一个土方开挖回填扩容系数α —般取为1.02~1.05，当考虑开挖回填扩容系数时，挖填不平衡系数宜控制0.95~0.98之间；
[0013]所述土方挖方总量最小优化设计目标是指:在满足台段面工艺、道路设计及边坡稳定等技术要求的前提下，合理调整关键性挖方单元和填方单元台段面设计标高，以期使得挖方总量最小，减少场平土方工程投资；
[0014]所述相邻台段面高差最小优化设计目标是指:在满足上述两点优化设计目标的前提下，合理调整关键性挖方单元和填方单元的台段面设计标高，尽可能降低相邻台段面高差，以减少直立陡坎加固费用；具体实施过程中，可采用关键性挖方单元和填方单元台段面设计标高同升同降的方法予以解决；
[0015]第六步:以关键性挖方单元和填方单元台段面设计标高为优化变量，以土方挖填基本平衡为目标函数，构建土方平衡优化设计计算模型，并结合土方挖方总量最小、相邻台段面高差最小等土方平衡优化设计目标，求解土方平衡优化设计计算模型，确定各场平单元的优化技术参数；
[0016]所述土方平衡优化设计计算模型按公式(I)计算:
[0017]Δ Vff- Δ Vt = Δ Vz(I)
[0018]式中:AVff为关键性挖方单兀台段面设计标闻调整后的挖方减少量；AVt为关键性填方单元台段面设计标高调整后的填方增加量；△ Vz为台段面设计标高调整后的总净余
方量;
[0019]所述土方平衡优化设计计算模型中各分量，需考虑台段面设计标高调整对非关键性场平单元挖填方量的影响及土方开挖回填扩容效应，各分量按公式(2)、(3)、(4)计算:
[0020]AVz=Q X AVX β z(2)
[0021]AVw=Q X AhwXSwX(3)
[0022]Δ Vt= Δ hTX StX β τ(4)
[0023]式中:α为土方开挖回填扩容系数；Λ V为台段面设计标高调整前的总净余方量；Ahw为关键性挖方单元台段面设计标高调整高差；AhT为关键性填方单元台段面设计标高调整高差；SW为关键性挖方单元面积；ST为关键性填方单元面积；β ζ为台段面设计标高调整对总净余方量的影响系数；β w为关键性挖方单元台段面设计标高调整对净挖方量的影响系数；β τ为关键性填方单元台段面设计标高调整对净填方量的影响系数；
[0024]所述土方平衡优化设计计算模型中影响系数，依据台段面设计标高调整前的挖填不平衡系数进行确定，各影响系数按公式(5)、(6)、(7)计算:
【权利要求】
1.一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，其特征在于，实施步骤如下: 第一步:根据场区地形坡度分析确定岩土体休止角，结合建筑边坡工程技术规范GB50330-2002 土质边坡坡率允许值和岩质边坡坡率允许值，选定稳定合理的边坡挖填坡比； 第二步:根据总图布局，将场平区划分为不同建构筑物台段场平单元、道路场平单元及边坡场平单元，利用GPCAD 土方计算软件，确定不同类场平单元的挖填方量占比、面积占比及挖填不平衡系数等土方特征参数； 第三步:依据场平单元内在联系及土方特征参数大小确定控制性场平单元和依附性场平单元； 第四步:在控制性挖方场平单元中，以挖方量占比及面积占比最大为控制目标，遴选出关键性挖方单元； 在控制性填方场平单元中，以上部建构筑物对下部地基土承载力要求最低和面积占比最大为控制目标，遴选关键性填方单元； 第五步:确定场平方平衡优化设计目标，具体包括土方挖填基本平衡、土方挖方总量最小、相邻台段面高差最小等优化设计目标； 第六步:以关键性挖方单元和填方单元台段面设计标高为优化变量，以土方挖填基本平衡为目标函数，构建土方平衡优化设计计算模型，并结合土方挖方总量最小、相邻台段面高差最小等土方平衡优化设计目标，求解土方平衡优化设计计算模型，确定各场平单元的优化技术参数； 第七步:确定土方平衡优化技术参数，通过Ahw、Λ hT和其他非关键单元设计标高以及依附性单元的设计标高调整高差； 所述场平单元优化技术参数确定按下列方式完成:首先根据关键性挖方单元的现状地形，给定一个初始值较大的△&，代入式(I) 土方平衡优化设计计算模型，计算出AhyS后根据AhT及(Ahw-AhT)的正负性调整Ahw，直至(Ahw-AhT) — O，若AhT<0，则增加Ahw，若(Ahw-AhT) <0，则减少Ahw，反之亦然；最后根据各场平单元间的内在联系及工艺要求确定非关键性场平单元及依附性场平单元的设计标高调整高差； 第八步:根据土方平衡优化后的技术参数，结合格网计算模型，利用GPCAD 土方计算软件计算优化后的土方量，以验证其可靠性。
2.根椐权利要求1所述的一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，其特征在于:所述土方挖填基本平衡优化设计目标是指:为减少土方调配运距，在尽可能满足各场平单元自身挖填平衡的前提下，合理调整台段面设计标高，使得总挖填方量达到基本平衡，以减少余土外运或借土投资；考虑岩土体具有可松性，天然岩土体挖出来后体积将扩大，将这部分土转到填方区压实后其体积仍比最初天然岩土体的体积要大，即存在一个土方开挖回填扩容系数α —般取为1.02~1.05，当考虑开挖回填扩容系数时，挖填不平衡系数宜控制0.95~0.98之间。
3.根椐权利要求1所述的一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，其特征在于:所述土方挖方总量最小优化设计目标是指:在满足台段面工艺、道路设计及边坡稳定等技术要求的前提下，合理调整关键性挖方单元和填方单元台段面设计标高，以期使得挖方总量最小，减少场平土方工程投资。
4.根椐权利要求1所述的一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，其特征在于:所述相邻台段面高差最小优化设计目标是指:在满足上述两点优化设计目标的前提下，合理调整关键性挖方单元和填方单元的台段面设计标高，尽可能降低相邻台段面高差，以减少直立陡坎加固费用；具体实施过程中，可采用关键性挖方单元和填方单元台段面设计标高同升同降的方法予以解决。
5.根椐权利要求1所述的一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，其特征在于:所述土方平衡优化设计计算模型按公式(I)计算: Δ Vff- Δ Vt = Δ Vz(I) 式中:AVw为关键性挖方单元台段面设计标高调整后的挖方减少量；AVt为关键性填方单元台段面设计标高调整后的填方增加量；AVz为台段面设计标高调整后的总净余方量。
6.根椐权利要求1所述的一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，其特征在于:所述土方平衡优化设计计算模型中各分量，需考虑台段面设计标高调整对非关键性场平单元挖填方量的影响及土方开挖回填扩容效应，各分量按公式(2)、(3)、(4)计算: AVz=Q X AVX β ζ(2) AVw=Q X AhwXSwX(3) AVt= Ah1XStX βτ(4) 式中:α为土方开挖回填扩容 系数；AV为台段面设计标高调整前的总净余方量；Ahw为关键性挖方单元台段面设计标高调整高差；AhT为关键性填方单元台段面设计标高调整高差；SW为关键性挖方单元面积；ST为关键性填方单元面积；β ζ为台段面设计标高调整对总净余方量的影响系数；β w为关键性挖方单元台段面设计标高调整对净挖方量的影响系数；β τ为关键性填方单元台段面设计标高调整对净填方量的影响系数。
7.根椐权利要求1所述的一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，其特征在于:所述土方平衡优化设计计算模型中影响系数，依据台段面设计标高调整前的挖填不平衡系数进行确定，各影响系数按公式(5)、(6)、(7)计算: n k -1β=τ~7(5)
k +1
ζ _ k -1 β =T^-T(6)
k + I
w
l-kβ =-L-(7)τ k +1 "
τ 式中:kz为台段面设计标高调整前的总挖填不平衡系数；kw为台段面设计标高调整前的关键性挖方单元挖填不平衡系数；kT为台段面设计标高调整前的关键性填方单元挖填不平衡系数； 根据公式(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)，所述土方平衡优化设计计算模型式(I)按公式(8)计算:
8.根椐权利要求1所述的一种用于多台段式场平布局的土方平衡优化设计方法，其特征在于:所述场平单元优化技术参数确定按下列方式完成:首先根据关键性挖方单元的现状地形，给定一个初始值较大的△&，代入式(I)土方平衡优化设计计算模型，计算出AhT;然后根据AhT及(Ahw-AhT)的正负性调整Ahw，直至(Ahw-AhT) — O，若AhT<0，则增加Ahw，若(Ahw_AhT) <0，则减少Ahw，反之亦然；最后根据各场平单元间的内在联系及工艺要求确定非关 键性场平单元及依附性场平单元的设计标高调整高差。
【文档编号】G06F17/50GK103473394SQ201310365812
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】程江涛, 蔡清, 姜清华, 万凯军, 于沉香, 黄静, 陈星星, 陈定安 申请人:中冶集团武汉勘察研究院有限公司