土石方常见计算方法与调配探析

土方工程论文第三篇：土石方常见计算方法与调配探析

 

　　摘要：土石方是很多工程领域经常遇到的问题，为了更快、更好地完成土石方计算、平衡、调配等，本文对土石方的计算方法、操作软件、应用经验进行了总结。

 

　　关键词：土石方计算; 平衡; 调配; 计算方法; 操作软件;

 

　　Calculation and allocation of project earthwork

 

　　Dang Guangli Liu Yang Li Li Wang Chaogang Wu Yitong Tan Dian

 

　　1 引言

 

　　土石方是在诸多工程领域中极为常见的问题，如何更快、更好地进行土石方计算、平衡及调配等工作，更是一个亟待解决的问题。常用的土方测量方法主要包括方格网法、三角网法、断面法、等高线法、三维建模法，这些方法在实际应用当中需根据不同的要求和现场条件来进行选择。

 

　　目前，土石方计算主要借助计算机软件来完成。软件将计算公式固化在程序中，操作简单、便捷，在软件选择和使用中应该考虑到地形特征，利用软件计算土方还应该考虑土的特性对土方平衡、土方调配及施工成本造成的影响。基于这些问题，本文结合各种土方计算方法以及考虑土的特性，对几种常见的土石方计算方法及土方平衡、土方调配进行详细介绍，并结合工程实例对比分析了这几种方法的适用范围。

 

　　2 土石方计算方法

 

　　2.1 方格网法[1]

 

　　方格网法是通过建立场地的坐标方格高程网来进行土石方计算的一类方法。其方格大小需根据地形变化的复杂程度和设计要求的精度来确定，边长一般常采用5m×5m或10m×10m。根据技术要求，采用方格网法，需先求出方格各个角点的自然标高和设计标高（若设计为统一标高，则计算较为简单，反之，则相对繁琐）；然后计算零点位置。在每相邻的填方点和挖方点之间总存在一个零点；最后，连接每个方格上相邻的两个零点，构成零线，并根据零线将方格划分成挖方区和填方区，再采用相应的土石方计算软件，分别将填、挖方区所有土石方进行汇总，进而得到填、挖土石方的总量。其计算精度与野外采集点密度和方格网边长取值大小有关。

 

　　方格网法优点：数据量小，软件计算速度快；方格网法缺点：计算场地有局限性。

 

　　2.2 三角网法[1]

 

　　三角网法是直接利用地形特征点(离散点)来构造出邻接的三角形，进而组成不规则DTM，计算出每个不规则三角形的体积，分别统计挖方和填方的形体体积，便可得到总的土石方量。

 

　　三角网法优点：计算精度高，软件计算速度快；三角网法缺点：野外采集数据量大，不容易查错。

 

　　2.3 断面法[1]

 

　　断面法是在施工场地范围内，利用野外采集数据或者地形图绘制出纵横断面图，并在纵断面图上绘出设计高程线，通过求出各地形变化点的填挖高，然后根据填挖高来分别计算横断面图上地面线与设计高程线所围成的面积，再计算相邻断面间的土石方量，最后求其和，即为总的土石方量。

 

　　采用断面法进行土石方量计算，其精度与间距L的长度有关，L越小，则精度越高。该方法的计算数据量较大,尤其在范围较大、精度要求高的情况下则更为明显。若是为了减少计算量而加大断面间隔，则会降低计算结果的精度。因此，断面法在计算精度和计算速度之间存在着必然的矛盾。

 

　　断面法优点：计算直观，操作性强，断面间距大小决定精度高底；缺点：数据量大，计算繁琐。

 

　　2.4 等高线法[2]

 

　　等高线法是从设计的高程面开始，计算出各条等高线所包围的面积，然后将相邻等高线面积的平均值乘以等高距，求和后即可得到总的填、挖方量。

 

　　等高线法计算优点：可以直接利用已有资料，节约成本；缺点：计算精度不高。

 

　　2.5 三维建模法

 

　　随着计算机软、硬件的发展，目前三维建模法是以AutoCAD为工具，利用AutoCAD强大的三维建模功能构建地表和开挖三维实体，通过布尔运算得到挖方和填方三维实体，查询挖方和填方三维实体的体积得到各自土方量，计算流程如下：

 

　　(1）构建原始地表三维实体；（2）构建设计开挖三维实体；（3）原始地表三维实体与设计开挖三维实体相互进行布尔运算差集，得到挖方和填方三维模型；（4）查询挖方和填方三维实体的体积得到各自土方量。

 

　　(1)野外实测的地形特征点(离散点)范围要略大于土方计算范围，以便构建的三角网范围大于土方计算范围。根据高程点利用CASS构建Delaunay三角网图，三角网为三维多线段。构建方法与三角网法相同见图1。
 

　　　图1 三角网图

 

　　(2)三角网构建完成后选取全部三角网（三维多线段），利用AutoCAD拉伸（extrude）命令，沿方向选项竖直向下拉伸一定长度，拉伸后的三维实体底面高程要小于开挖面最小高程。

 

　

 

　　图2 三维模型图   

 

　　选取拉伸后的地表三维实体，利用布尔运算并集（union）将拉伸后三棱柱合并成一个三维实体。

 

　　(3)利用切割（Slice）命令，选择xy平面（参考高程面）对合并后的三维实体进行切割，取上部三维实体，目的是使三维实体底部高程相同。

 

　　(4)将土方计算范围线的标高赋值为参考高程面高程，使用拉伸（extrude）命令向上拉伸一定高度，拉伸后的高度要高于地表最大高程。

 

　　(5)对切割后的地表三维实体与拉伸土方计算范围线构建的三维实体进行布尔运算交集（intersect），得到土方计算范围内的地表三维实体。

 

　　(6)地表三维实体减去（命令：subtract）开挖三维实体得到挖方三维实体，开挖三维实体减去地表三维实体得到填方三维实体。利用查询面域/质量特性（massprop）命令得到挖方和填方三维实体的体积。

 

　

　　图3 三维模型法场地挖方量   

 

　

 

　　图4 三维模型法场地填方量   

 

　　三维模型法的优点：(1)形象直观，可以清晰地看出地表及开挖面地形情况以及挖方和填方区域；(2)方便检查，方便检查外业测量有无异常点，模型数据是否与设计图纸或现场一致；(3)精度高；(4)能够解决各种复杂的土方计算问题；(5)可扩展性强，可以结合其它软件做初步设计分析。

 

　　三维模型法的缺点：(1)硬件要求高，对于计算机的配置要求相对较高；(2)成果单一，成果列表只列出了填、挖体积。

 

　　3 土方调配

 

　　3.1 土的特性[1]

 

　　土方计算中并不是简单的利用软件根据地形特征点(离散点)直接计算出结果，这样的结果往往对后期的土方核算造成较大出入。在这样的情况下我们就要考虑利用土的特性，减少实际土方核算的误差。

 

　　土的工程性质有多种，影响土石方量的因素主要包括土的质量密度、含水量、渗透性和可松性等。其中，土的可松性对土方量的影响最大。

 

　　自然状态下的土经开挖后，其体积因松散而增大，以后虽经回填压实，其体积仍不能恢复原状，这种性质称为土的可松性。土的可松性程度可用松性系数表示，其计算公式见表1所示。

 

　　表1 土石方系数计算公式[1]     

 

　　土的可松性与土质有关，根据土的工程分类，其相应的可松性系数可参考表2。土的可松性系数是挖、填土方时，计算土方机械生产率、回填土方量、运输机具数量，进行场地平整规划、竖向设计和土方平衡调配的重要参考数据。

 

　　表2 可松性系数参考表[4]     

 

　　3.2 平衡计算[3]

 

　　土方平衡是控制工程造价，减少土方调配成本很有效的方法。在工程土方平衡过程中就一定要考虑到土的工程性质影响。一般场地平整，需要土石方平衡计算，计算过程见表3。

 

　　表3 土石方平衡计算公式[3]     

 

　　利用土的工程性质，可以较为准确地完成土石方平衡计算，平衡计算可为土方调配及方案设计提供重要数据依据。

 

　　4. 实例

 

　　4.1 土方计算实例

 

　　本文分别选取两所场地进行实验，先后采用方格网法、三角网法、断面法及三维模型法进行土方计算。其中，场地1为一个地势平坦，面积为22089.3m2的多边形场地，场地2为一块地势复杂，面积为23286.6 m2的矩形场地。（由于等高线法不适用本次场地，且误差较大，不常使用，本次不在对比之列）。在计算过程中，方格网采用5m×5m大小，三角网边界采样为5m，断面间距取值为5m，三维模型法初步建立的三角实体边界采样为5m，将填挖总量的平均值作为最或是值，最后求出差量和误差百分比。场地1、场地2的计算结果分别见表4、表5所示。

 

　　表4 平坦场地土方计算汇总表     

 

　　表5 复杂场地土方计算汇总表     

　　从表4、表5中可以看出：

 

　　(1)在平坦的地块，三维模型法计算精度最高，三角网法、方格网法、断面法的计算精度依次降低；在复杂地块，三维模型法计算精度最高，三角网法、断面法、方格网法的计算精度依次降低。整体来看，三角网法、三维模型法效果最优。

 

　　(2)在地形变化复杂的地区，例如陡坎、冲沟、河流多的地区，宜用三角网法、三维模型法。三角网法的特点在于：网中的点、线的分布密度，以及结构完全可以与地表的特征相协调，可以直接利用原始资料作为网格结点;不改变原始数据和精度；能够插入的性线以保存原有关键的地形特征,以及能很好地适应复杂、不规则地形，从而将地表的特征表现地较为详细。因此，利用三角网法、三维模型法计算土石方，能够大幅提升计算的精度，同时也说明计算精度与野外数据采集点的密度及位置有直接关系。

 

　　(3)在地形复杂起伏变化较大且狭长，或者挖填深度较大且不规则的地段，宜选择横断面法进行土石方量计算。例如道路、基坑、基槽、管沟等的土石方量计算，均可用断面法。

 

　　(4)在地形起伏较大、面积较大或者测量困难的地区，例如高山地、茂密山林、水库等，宜采用等高线法。

 

　　4.2 土方平衡实例[3]

 

　　工程土方平衡实例主要是考虑到工程造价及土方运输成本的需要，本计算实例以表4中的三角网法土石方量为例：

 

　　场地内挖方松散后的体积：Vw×KS=39297.6×1.2=47157.1(KS取值1.2);

 

　　需要外运的松散土方体积：Qt=Vw×KS–Vt×KS=39297.6×1.2–3160.9×1.2=43364.0(m3);

 

　　场地内可用的松散状态土方体积总量：

 

　　换算成压实后的土方体积:

 

　　Vs'=(Vs/KS)×KS'（或：Vs'=Vs×KS')=(3793.08÷1.2）×1.03=3255.7(m3);(KS'取值1.03),

 

　　场地内需要的填方体积：Vt'=3160.9×1.03=3255.7(m3);

 

　　土方平衡的条件为：Vt'=Vs',

 

　　即：Vt'=[(Vw×KS–Qt+Mt)/KS]×KS'=Vw×KS×Ky+(Mt–Qt)×Ky。=[39221.8×1.2–43364.0+0)÷1.2]×1.03=3255.7(m3）。

 

　　通过上述计算可知，场地外用松散土石方为43364.0m3，填方需要松散土石方为3793.08 m3，可以看出，外用土石方远远大于填方需要的土石方，这样极大地增加了运输成本。如果在允许的情况下，可以通过改变设计标高来减低成本，使Vt'与Vs'尽量平衡。该计算可通过软件操作来完成，既能提高速度，又可取得很好的平衡和调配结果。

 

　　4.3 结果评定

 

　　土石方计算中通常存有误差，可以通过对两种计算方法进行对比来评定结果。一般认为，误差不大于3%（或5%）时，数据是可靠的。此外，也可以利用软件生成三维立体模型，通过直观地查看数据来判断其准确性。

 

　　5 软件推荐

 

　　目前，土方计算软件众多，根据以往工程经验三维模型法推荐软件：AutoCA2006软件以上版本；三角网法推荐软件：南方CASS、土方计算软件FastTFT；方格网法推荐软件：土方计算地形分析软件HTCAD、土方计算软件FastTFT；断面法推荐软件：南方CASS、土方计算软件FastTFT、纬地；等高线法推荐软件：土方计算地形分析软件HTCAD、土方计算软件FastTFT、南方CASS。软件计算过程可查阅软件说明书，在这里不做详细说明。

 

　　6 结束语

 

　　在土石方计算过程中，可以充分利用软件固化和集成土方计算公式及相关系数、参数等的功能，既可以完成常规的土石方计算，也可以完成土地平整、土方调配、工程放坡土石方、两期间土石方、地层土石方等计算。

 

　　本文总结了五种常见的土石方计算方法以及土方平衡注意事项，分析了各个方法的适用范围。同时，明确了在以后的土石方计算、平衡、调配等工作中，需要综合考虑地形特征、精度要求、土的工程性质及施工成本等方面的情况，从而选择适合的计算方法和软件，达到最优的效果。

 

　　参考文献

 

　　[1].建筑施工手册（第四版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2003:277-278.

　　[2].李芹芳.测绘工程基础[M].第一版.北京：人民交通出版社，2007:145-146.

　　[3] .杭州飞时达软件有限公司.土方计算软件FastTFT V11技术白皮书[M].杭州：2011:4-5.

　　[4] .杭州飞时达软件有限公司.土方计算软件FastTFT V11技术白皮书[M].杭州：2011:30.