台阶式场地平整的土方优化 4页

四川建筑科学研究第37卷第3期128SichuanBuildingScience2011年6月台阶式场地平整的土方优化杨秋侠，贾怡良，肖振文(1．西安建筑科技大学土木学院，陕西西安710055；2．中冶华天工程技术有限公司，安徽马鞍山243005)摘要：在台阶式布置中，台阶宽度及高度是决定场地土方量及整体经济效益的重要因素。对于台阶的宽度及高度的确定往往是根据规范或者经验进行简单的分析确定，而这种分析又仅仅考虑使台阶宽度及高度满足平面布置及运输等定性的要求，没有定量考虑对其整个场地土方工程的影响。以定性和定量结合的方法，以填挖方平衡且土方总量最小为目标，建立数学模型，寻求满足规范及经验要求，同时又使填挖方平衡且土方总量最小的台阶宽度及高度。关键词：台阶式；填挖方平衡；土方量最小；方格网法；最／J~--乘法中图分类号：rU94文献标识码：A文章编号：1008—1933(2011)03—128—04TheoptimizationofearthquantityinsteppedgroundlevelingYANGQiuxia，JIAYiliang，XIAOZhengwen(1．ColegeofCivilEngineering，Xi’anUnivemityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055，China；2．HuatianEngineering&TechnologyCorporation，MCC，Ma’anshan243005，China)Abstract：Insteppedgroundleveling，thewidthandthealtitudedeterminethevolumeofearthworthandthewholeeconomiceficiency．Inexistingresearch，whendeterminingthewidthandaltitude，theytookasimplyanalysisaccordingtotheneedsofstandardsandexperience．Buttheanalysisonlyconsideredthequalitative~ctom，suchasthegenerallayoutandtransportationere，butnevertooktheinfluencesofthestairwidthandaltitudetotheearthquantityintoaccount．Thisarticlesetsupamathematicsmodelbasedonthemethodcombinesqualitativeandquantitativemethods，seekingforthemostsuitablewidthandaltitudewhichnotonlymeettheneedsofstandardsandexperience，butalsoobtaintheminimumandbalanceearthwork．Keywords：stepped；theminimumearthwork；thebalanceearthwork；squaredmethod；leastsquaresmethod1概述2台阶式场地平整的土方优化一个企业总体设计的好坏，不仅与总平面布置依据总平面布置及场地地形条件选用台阶式场有关，同时还与场地平整有很大的关系。场地平整地平整设计形式时，台阶数目需要根据地形地貌、企的重点是根据总平面布置方案和场地地形情况选择业各车间之间的联系和道路、铁路、管线等运输线路合适的布置形式，进而确定场地平整方式及平土标的布置要求确定。台阶宽度要能满足台阶上所布置高。竖向布置的具体形式有平坡式、台阶式及混合的车间宽度及其他的安全距离要求，台阶高度既要式。在现有的台阶式设计中，对于台阶的宽度及高满足上下两台阶之间运输线路的连接要求，又要满度的确定往往是根据规范或者经验进行简单的分析足全部场地填挖土方量较小的要求。所以，台阶的确定，而这种分析又仅仅考虑使台阶宽度及高度满宽度及高度对场地总平面布置优劣及土方量大小有足平面布置及运输等定性的要求，没有定量考虑对很大的影响。其整个场地土方工程的影响。本文将以定性和定量影响台阶宽度的主要因素有：企业规模的大小；结合的方法，寻求及满足规范及经验同时又使填挖工艺性质；运输形式和运输特点；建构筑物的形状、方平衡且土方总量最小的台阶宽度及高度。尺寸及其基础埋设深度；通道宽度等。台阶高度的影响因素：场地自然地面横向坡度、台阶宽度和台阶的整平坡度；生产工艺及各种运输收稿日期：2009—11-27方式的技术条件；建构筑物基础埋深等。作者简介：杨秋侠(1970一)，女，陕西高陵人，副教授，主要从事工业现有研究在确定台阶宽度及高度时，仅仅是根企业总图运输优化理论的研究。基金项目：西安建筑科技大学人才基金(RC0909)据上述影响因素经分析得出结果，也就是说，台阶宽E—mail：v88420802@yahoo．COrn．CYI度及高度是根据总平面布置的要求确定的。由这样\n杨秋侠，等：台阶式场地平整的土方优化129的方法确定的竖向布置形式虽然能够满足平面布置计地面以下、基准水平面以上的体积Q设。的要求，但是却完全没有考虑台阶宽度及高度对土Q自=寺a(ZH,+2∑+3∑+4∑)(1)方工程量的影响，所以单纯以定性分析得到的宽度及高度是不尽合理的。为了弥补这方面的不足，本式中日，，H3，——1个方格、2个方格、3个方次研究将以填挖方平衡且土方总量最小为目标，以格、4个方格共同角顶的原上述的台阶宽度及高度的影响因素为约束条件，建自然地面标高。立数学模型，以寻找最佳的台阶宽度及高度。口——方格边长。2．1建立模型思路Q设=B1D／4o+B2D(凰+h)=8D／~o+B2D(2)本次模型建立是基于在地形较复杂地区采用台式中——台阶I的宽度；阶式布置的情况，是在总平面布置形式基本确定的：——台阶Ⅱ的宽度；基础上展开的。即在这样的基础条件下，台阶数目^——连接处的高差；可以根据总平面布置形式而确定。为了使模型简洁——台阶I的设计标高；有效，现提出一些基本条件：D——厂区长度(通常平行等高线方向)；1)本次研究采用方格网法和最小二乘法结合——厂区宽度(通常垂直等高线方向)，的方法，用方格网法来满足填挖方平衡，以最小二乘B=B1+B2。法来达到土方总量最小。令Q自=Q设，且令Q=∑日+2∑+3∑2)台阶宽度及高度的合理取值范围，可以根据+4∑得填挖方平衡时的JTo：总平面布置及各自的影响因素确定，可以作为已知的约束条件。风：一警㈩3)场地各台阶上的设计标高为定值(即认为各2．2．2用最小二乘法求最小土方量时的B：和h台阶平土坡度为零)，且设计标高应满足道路铁路由于本次研究中不考虑各台阶上的设计坡度，连接及洪水位的要求，可以将设计坡度的合理范围场地任意点的设计标高由3个因素决定，即该点的定为模型的约束条件。坐标，y；台阶I的设计标高。当坐标系统和方4)相邻台阶的连接方式为定值；不论是采用边格网建立后，，Y已知，平衡时的风仅与B：及h有坡还是挡墙，在本次模型中均简化为如图3所示的关，则可以认为任意点的设计标高仅与及h有连接，边坡及挡墙的土方量作为附加土方量在土方关。同时，任意点的自然标高已知，按照分区，可以计算时考虑。将I，Ⅱ区的自然标高分别表示为z⋯zⅡ，那么5)在模型计算时，将场地按照台阶划分情况进I，Ⅱ区施工高度分别为：一zI，风一ZⅡ；则微行分区计算，并在各分区分别划分方格网；台阶I，面积的土方体积分别为：Ⅱ的宽度分别为，连接处的高差h，／4o为台阶II区d=(一zI)(4)的设计标高。Ⅱ区dViI=(日0一ZⅡk)dy(5)在以上条件的基础上，现提出研究模型：为确定最小土方量时的：及，根据最小二乘法的原理，必须使场地平土范围内所有微面积的土rHo∈[，巩]方体积最小的平方和最小，即约束条件：{B：∈[b，b]，B。=B—B：∑d俨=(Ho—ZIk)dxdy+L∈[hl，h2]．其中[，]，[b，b]和[h，，h：]分别是经过总∑(一zⅡk)dy=min(6)平面布置、道路铁路连接等条件综合分析得到台阶为了达到模型的目标(填挖方平衡且土方总量I的设计标高、台阶Ⅱ的宽度以及台阶I，Ⅱ之间的最小)，应将方格网计算出的(3)式中的代入(6)高差的约束范围。式，得2．2建立模型2．2．1用方格网法计算填挖平衡时的日0∑d=黑(一一ZIk2+在场地平土范围内以为边长划分方格网，以海平面为设计基准面，要使填挖方平衡，则必须使原黑(蛊一警)dxdy㈩自然地面以下、基准水平面以上的体积Q自等于设根据最小二乘法的原理，分别对和h微分得\n130四川建筑科学研究第37卷在实际工程中，应考虑约束条件：如／4o∈[，2鲁黑(一百B2h-Zik)+2(鲁+-)×日2]，B∈[b，b]，hE[h，h]等。综合约束条件求解上式可以求得：和h，进而黑(一百B2h+h-Ziik)～㈤可以求得B，即得出满足台阶宽度及高度。这样的荟PP2h台阶宽度及高度不仅考虑总平面布置等定性因素，～~(a2Q一百B2h-ZIk)+2镱×同时，还使填挖方平衡且土方总量最小。所以，本次研究的定性分析与定量计算相结合的模型既解决现(一百B2h+-Ziik)=0蛊一蛊一有方法的缺陷，又使方案达到最优的经济效益。日在方格网运算过程中，由于各方格角点位置一不+3工程实例Z同，其计算次数也不同，应引入权函数。在方格k网、I-I，，．一上，仅一个方格用的角点取权函数P=1，由2，3=，4某工厂根据其地形条件及总平面布置情况，确O、，个方格的角点的权函数分别为2，3，4，以此类推。=定采用台阶式竖向布置形式，并确定划分两个台阶，O其中要求较低台阶的设计标高不低于百年一遇洪水将权函数引入(8)式并整理得位826．90m，高台阶的宽度在200m到250ITI的范围内，两个台阶连接处的高差不超过7m，该企业厂区平土范围成长方形，长500m，宽400m；厂区地形情况如图1所示。7，／，f吵“⋯一}832826．44／'78舶．O}2．33832．孙83n3哥828．42827~32／^§：1}。一7蟠l／毛』。／l，，，gj80～8一35．0／2~／834．印832．14椭8j2：．38t；、／努；$8￡，3'08畦~4羽僻38砷g28．198幻．0982fi．36f6r^、-，啦083~76836·438．36832．27,-』832．048182#91、4。8279282娟岛．)826-，C85一嚣88f3雷67．21一8833置．89978．33Ⅱ21．08区l3‘0；832弧0．葛o|7830l．_37上，5』●酾自∞3铲b砧l嘲fl『≮l一8唧2￡289／．．1彳4}．鹩8}，2艇；fJ87Is．2，6区e418铆2，67堪．9一31、f，826．0f231／g825．8’91．84s30／883·81．￡97／；831．30830|．F-／829．8、j7．3?826．83。．826．2l8错．77＼酿毪、薛．e3；|{％黔6．62．8-3●3．●59●缸831．0883~,818萃．“2，＼．5／382664，82雒6．{3]8f82563／825-36／q．82’瞄一琵835．35832．2983l7831．17喀30．74826825．84825．31：管0蛩．_er80eff40·曾31#蟛·27啪扔．l1828．／5~匏娩825．27一⋯⋯f(口l图1某工厂场地土方平整台阶及方格网划分Fig．1Thedivisionofthestairandsquaregridofthesite按照高台阶宽度在200—250nl的范围内的要高。求，将场地平土范围划分为两个台阶，如图1所示。将所有已知数据代人(9)式，经化简整理可以在计算时将每个台阶定为一个分区，在每个分区内得到分别划分方格网，方格边长均为口=50m，低台阶为黑PIk(怒一B百2h)=I区，宽度为B，；高台阶为Ⅱ区，宽度为B：=200+no2+o．32：)(830．-362一)一该工程中，方格各角点的场地自然标高已知，zI，zⅡ分别代表I区及Ⅱ区各点的自然地面标(212135．77—265．7856B2)=0(10)\n2011N0．3杨秋侠，等：台阶式场地平整的土方优化l31nlP(／2f)一百B2h+一glk)=4结语(80+o．32B2)(830．1362一Bzh+)一本文基于复杂场地采用台阶式场地平整时，以定性和定量结合的方法，以填挖方平衡且土方总量(66797．1+265．7856B2)=0最小为目标，建立数学模型，寻求既满足规范及经验即得到方程组：要求，又使填挖方平衡且土方总量最小的台阶宽度(112+0．32)(830．1362一5001／一及高度。在计算时有可能存在满足了约束条件，但目标函数达不到最优的情况，此时可寻求在满足约(212135．77—265．7856B2)=0束条件下目标函数的次优解，使该模型有更宽广的(8。+0．32B2)(830．1362一而B2h+)一应用价值，这可作为该方法下一步的研究方向。(66797．1+265．7856B2)=0参考文献：可以用多种方法求解以上非线性方程组，本次研究采用Maflab中的fsolve函数求解，得：B：=[1]雷明．工业企业总平面设计[M]．西安：陕西科学技术出版225．0059m；厅=5．0019m，将求得的2，代人(3)社．1998：210-248．[2]井生瑞．总图设计[M]．北京：冶金工业出版社，1989：105—128．式，可以求得此时的及风：[3]刘卫国．MATLAB程序设计与应用[M]．2版．北京：高等教育B1=B—B2=500—225．0059=274．9941m出版社，2008：174-179．=一警=83o．1362—[4]傅永信，彭学诗．总图运输设计手册[M]．北京：冶金工业出版社。2003．225．0059x5．0019———————：827．8853m[5]林宇凡，杨秋侠，耿娟．浅谈台阶式场地的总图竖向布置[J]．宁夏工程技术，2009，8(6)：158—161．该问题的约束条件如下：≥827．65，B∈[6]丛万友．两种竖向布置界限值的确定[J]．化工设计，1997(6)：[200，250]，h≤6．5，显然，，凰均满足约束条件47-49．的限制，所以，求得的台阶宽度及高度满足总平面布[7]肖宁超．攀枝花钛厂总图竖向设计分析[J]．中国有色冶金，置的要求，同时又使填挖方平衡且土方总量最小。2008，10(5)：25-27．(上接第127页)案进行了数值模拟分析，得出以下结论：房屋倾斜度可通过桩基的沉降值来求得，计算1)由于隧道开挖造成地下水的流失，地下水位公式为有所下降，形成了降水漏斗。当采用地表和洞内帷．1△c一△c幕注浆止水加固措施时，可明显看到建筑物下部土一—1一体中地下水位的变化较小，地表帷幕注浆起到了很式中AC，／tC分别为171,，n点的沉降量；为m，好的堵水作用，减小了地下水的流失，控制了地层及凡两点的距离。建筑物的沉降。取位于建筑物基础两角的J23，J24与JS5，JS422)计算只考虑了二号风道及右线隧道的开挖两组监测点来计算，取两者最大值。监测结果所反及失水对建筑物的影响，实际施工时，很多因素都会映的房屋倾斜度：对沉降产生影响，如二号风道竖井的开挖时的围岩i：：0．00168．Z的松弛变形，震动对地层的扰动等；此外，随着地下计算结果与监测的结果对比见表4。水的渗流，也会伴随着一部分土颗粒的流失，这些无表4房屋倾斜度对比疑都会对建筑物的沉降产生一定的影响，各种因素Table4Comparisonabouthousingtilt导致了计算结果与实测结果的差异。3)通过数值模拟计算，分析了建筑物地表帷幕注浆的止水效果，同时也证明了这种建筑物保护方可见，实际施工与数值模拟的结果均小于警戒法的有效性。在进行施工时，应注意成孔及注浆的值2％o，建筑物处于安全状态。质量，确保各钻孔之间浆液扩散半径的交迭，以确保4结论其发挥良好的止水效果。通过对既有建筑物采用止水加固措施的施工方