BIM技術(shù)在地下溶洞嵌巖樁基極限承載力評定中的應用

摘 要：為了提高地下溶洞嵌巖樁基的安全性，提出了BIM技術(shù)在地下溶洞嵌巖樁基極限承載力評定中的應用。計算地下溶洞嵌巖樁基在巖層的平均應力，獲取的承載機理，明確地下溶洞嵌巖的地質(zhì)特點，計算地下溶洞嵌巖樁基容許承載力，利用BIM技術(shù)，完成地下溶洞嵌巖樁基的BIM建模。根據(jù)地下溶洞嵌巖樁基應力分量，計算地下溶洞嵌巖樁基在含溶洞地層中的平均約束應力，通過設定極限承載力閾值，評定地下溶洞嵌巖樁基極限承載力。實驗結(jié)果表明，所提方法對地下溶洞嵌巖樁基極限承載力的評定結(jié)果與工程實際相符，可以縮小評定誤差。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；嵌巖樁基；承載機理；極限承載力；平均約束應力

中圖分類號：TP391.92；O317"""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A""""""""""""""""""""" 文章編號：1001-5922（2024）07-0165-04

Application of BIM technology in evaluation of ultimate

bearing capacity of rock-socketed pile foundation

in underground karst cave

YU Gang1，F(xiàn)ANG Sifa1，GUO Peng1，CHEN Yongda2

（1.Wuhan Municipal Road and Bridge Co.， Ltd.，Wuhan 430056，China；

2.Wuhan Leier Technology Development Co.， Ltd.，Wuhan 430070，China）

Abstract： In order to improve the safety of underground karst cave rock?socketed pile foundation， the application of BIM technology in the evaluation of ultimate bearing capacity of underground karst cave rock?socketed pile foundation was proposed. The average stress of the rock?socketed pile foundation in the underground karst cave was calculated， the bearing mechanism was obtained， the geological characteristics of the rock?socketed rock in the underground karst cave were clarified， the allowable bearing capacity of the rock?socketed pile foundation of the underground karst cave was calculated， and the BIM modeling of the rock?socketed pile foundation of the underground karst cave was completed by using BIM technology. According to the stress component of underground karst cave rock?socketed pile foundation， the average constraint stress of the rock?socketed pile foundation in the karst cave?bearing stratum was calculated， and the ultimate bearing capacity of the rock?socketed pile foundation in the underground karst cave was evaluated by setting the ultimate bearing capacity threshold. The experimental results showed that the evaluation results of the proposed method for the ultimate bearing capacity of the rock?socketed pile foundation in underground karst caves were consistent with the engineering practice and could reduce the evaluation error.

Key words： BIM technology；rock socketed pile foundation；bearing mechanism；ultimate bearing capacity；average """""""""""restraint stress

施工中經(jīng)常會碰到地下巖溶地形，而且由于地質(zhì)條件的限制，難以將巖溶地區(qū)具體的地質(zhì)分布信息透露出來，難以避開溶洞，在地下巖溶地區(qū)確保嵌巖樁基的安全與承載力是工程的重要內(nèi)容。為解決地下洞室頂板的受力問題，提出了等斷面和臺階形變斷面樁頂?shù)某休d量計算方法。結(jié)果顯示，所提出方法可用于2種不同斷面樁體的極限承載力，為巖溶區(qū)樁基的設計提供了依據(jù)［1］。將Hoek?Brown準則與靜平衡原理結(jié)合，對巖溶區(qū)樁基孔在多向受壓情況下的受力特點進行了研究，在三向荷載共同作用下，推導了樁基埋巖深度計算方法［2］?；谝陨涎芯勘尘?，將BIM技術(shù)應用到地下溶洞嵌巖樁基極限承載力評定中，從而避免地下溶洞嵌巖樁基出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象。

1"" 地下溶洞嵌巖樁基極限承載力評定方法

設計

1.1"" 獲取地下溶洞嵌巖樁基承載機理

在評定地下溶洞嵌巖樁基極限承載力之前，根據(jù)地下溶洞嵌巖樁基的破壞模式，獲取地下溶洞嵌巖樁基承載機理。假設地下溶洞嵌巖樁基處于破壞模式下，計算出溶洞嵌巖樁基在巖層的平均應力（[q]），公式為：

[q=i=1nZiLi+Z0hr]""""""nbsp;"""""""""""" （1）

式中：[Zi]代表樁基中第[i]層土的重度；[Z0]代表巖層的重度；[hr]代表巖層與土層的距離；[Li]代表巖層厚度。地下溶洞嵌巖樁基的假設破壞模式如圖1所示。

由圖1可知，上部載荷作用到溶洞嵌巖樁基時，巖層由A、B 2個區(qū)域組成［3］。區(qū)域A中，最大主應力[ε1A]等于樁基本身的壓力，當巖層在極限狀態(tài)下時，[ε1A]與地下溶洞嵌巖樁基的極限應力[qmax]相等；區(qū)域B中，最大主應力[ε1B]等于A中的最小主應力[ε3A]。

根據(jù)Hoek-Brown準則［4］計算出區(qū)域B中地下溶洞嵌巖樁基的最大主應力：

[ε1=ε3+εCqmbε3εc+λ]"""""""""""""""""" （2）

式中：[ε3]代表地下溶洞嵌巖樁基的最小主應力；[εc]代表巖層的抗壓強度；[mb]和[λ]代表Hoek?Brown失效系數(shù)。

當[ε3B=q]、[ε1B=ε3A]時，更新區(qū)域B中地下溶洞嵌巖樁基的最大主應力，即：

[ε1=ε1B=q+εCmbqεc+λ]""""""""""""""" （3）

當?shù)叵氯芏辞稁r樁基的巖層處于極限狀態(tài)時，根據(jù)區(qū)域B中地下溶洞嵌巖樁基的最大主應力獲取地下溶洞嵌巖樁基的承載機理，公式為：

[Pt=πd24ε1qmax]""""""""""""""""""""""""""" （4）

1.2"" 地下溶洞嵌巖樁基的BIM建模

設計地下溶洞嵌巖樁基，具體步驟如下：

Step1，根據(jù)地下溶洞嵌巖的勘察報告，獲取地下溶洞嵌巖樁基的上部結(jié)構(gòu)荷載和施工條件［5］，擬定1個初始的設計方案；

Step2，根據(jù)地下溶洞嵌巖樁基的地質(zhì)情況，利用下式計算出地下溶洞嵌巖樁基的容許承載力，即：

[Ra=14πD24h2εb-2ZH*?2k33k3K?+ZHPt]"""" （5）

式中：[D]代表樁徑；[H*]代表沖切錐臺高度；[Z]代表樁基持力巖層的重度；[k3]代表巖溶頂板抗彎安全系數(shù)；[εb]代表巖體抗彎強度；[K]代表樁基的計算寬度；[?]代表巖溶頂板的跨度；

Step3，根據(jù)地下溶洞嵌巖樁基容許承載條件［6］，調(diào)整樁長和樁徑等設計參數(shù)；

Step4，如果地下溶洞嵌巖樁基的容許承載力比外部荷載小且不滿足設計要求時，調(diào)整加勁橫梁的剛度，并將樁基聯(lián)系起來作為整體［7］，通過優(yōu)化地下溶洞嵌巖樁基的樁徑和加勁橫梁剛度，調(diào)節(jié)地下溶洞嵌巖樁基的頂部荷載，使其滿足樁基的承載力要求；

Step5，通過樁基承載力計算，變形監(jiān)測和裂縫驗算，完成地下溶洞嵌巖樁基設計。

通過將地下溶洞嵌巖樁基施工數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)庫，并將其轉(zhuǎn)化為三維信息的過程［8］，建立地下溶洞嵌巖樁基的BIM模型流程如圖2所示。

根據(jù)圖2的流程，將地下溶洞嵌巖樁基的BIM建模分為3部分：首先，將整理好的施工現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)導入到數(shù)據(jù)庫中，完成信息入庫；然后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的高線數(shù)據(jù)、地表和地層數(shù)據(jù)，利用BIM技術(shù)檢查模型的剖面［9］，并調(diào)整錯誤的地層；最后，輸出三維地質(zhì)模型的二維圖像，分析BIM建模。

1.3"" 評定地下溶洞嵌巖樁基極限承載力

地下溶洞嵌巖樁基極限承載力評定中，依據(jù)地下溶洞嵌巖樁基的BIM模型，將樁基中心[O]作為平均約束應力點［10］，集合地下溶洞嵌巖樁基的容許承載力，計算出樁基中心[O]在極坐標系中的坐標，即：

[β=Raarctanyixi]""""""""""""""""""""""""" （6）

式中：[yi]代表樁基中心[O]的縱坐標；[xi]代表樁基中心[O]的橫坐標；[Li]代表巖溶頂板在極坐標下的跨度。

根據(jù)地下溶洞嵌巖樁基的應力分量，通過坐標轉(zhuǎn)換［11］，計算出地下溶洞嵌巖樁基的平均約束應力，公式為：

[qt=ερsin2β+εβcos2β+2τρβsinρcosρ]"""" （7）

式中：[ερ]代表上覆土層的作用于巖層上的荷載；[εβ]代表地層側(cè)的抗壓強度；[τρβ]代表地下溶洞嵌巖樁基的變形強度。

通過地下溶洞嵌巖樁基的平均約束應力，計算出地下溶洞嵌巖樁基的極限承載力，公式為：

[P=qtπD24κ1sin2β+κ2cos2β+κ3sin2β+L1（κ1sin2β+κ2cos2β+κ3sin2β）+L10.5+L3（κ1sin2β+κ2cos2β+κ3sin2β）+C0.5+L1（κ1sin2β+κ2cos2β+κ3sin2β）+L2-0.5]" （8）

式中：[C]代表樁基的沉降量；[κ1]代表巖溶頂板抗沖擊安全系數(shù)；[κ2]代表巖溶頂板抗剪安全系數(shù)；[L1]代表抗沖擊能力；[L2]代表樁基的抗剪能力；[L3]代表樁基的抗彎能力。

2"" 實驗分析

2.1"" 評定地下溶洞嵌巖樁基的破壞模式

室內(nèi)模型實驗中，地下溶洞嵌巖樁基和模擬嵌巖樁基的物理力學參數(shù)如表1所示。

由表1可知，模型材料包括水泥、石膏、砂、黏土和水，按照1∶20的比例將實驗結(jié)果放大成地下溶洞嵌巖樁基的結(jié)果，原型中嵌巖樁基的長度為21.6 m，深度為1.5 m，樁徑為1.0 m，利用所提方法評定地下溶洞嵌巖樁基的破壞模式，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，H為地下溶洞嵌巖樁基的頂板厚度，D為樁徑大小，R為溶洞半徑。根據(jù)表2的結(jié)果可知，當H=D，2R=3D時，所提方法的評定結(jié)果與原型結(jié)果一致。當H=2D，2R=3D時，評定結(jié)果與原型結(jié)果不一致，原因是地下溶洞嵌巖樁基的極限破壞線與溶洞邊界線之間的距離基本上相同，實驗過程中由于材料存在比較小的缺陷，不能作為均質(zhì)材料，導致評定結(jié)果與原型結(jié)果存在一定誤差。當H=3D，2R=3D和H=4D，2R=3D時，得到的評定結(jié)果是溶洞對承載力沒有影響，在地下溶洞嵌巖樁基下存在倒圓錐形的楔體，也就是扇形破壞模式。

2.2"" 評定地下溶洞嵌巖樁基的極限承載力

實例分析中，以工程施工的36 #樁為分析對象，樁基的長度為19.8 m，樁徑為1.0 m，深度為9.4 m，將單樁承載力的特征值設置為3 000 kN，地下溶洞嵌巖樁基1.8 m處存在一個溶洞，施工簡圖如圖3所示。

實例工程中，嵌巖的深度為0.5 m，由于地下溶洞嵌巖樁基中風化石灰?guī)r的抗壓強度在32.0～67.9 MPa，因此36#樁的抗壓強度取45.8 MPa，工程實例中地下溶洞嵌巖樁基極限承載力評定時，石灰?guī)r的類別參數(shù)取5.0，巖體地質(zhì)力學分類指標值取40，利用所提方法對工程實例中地下溶洞嵌巖樁基極限承載力進行評定，具體步驟為：

Step1，給定實例工程中地下溶洞嵌巖樁基中心在極坐標系中的坐標，即，[θ=π2，ρ=5.0]。

Step2，求解地下溶洞嵌巖樁基上覆土層加載到巖層的荷載，即：

[q=i-1nχiHi]"""""""""""""""""""""""""""""" （9）

式中：[χi]代表土層容重；[Hi]代表土層深度。根據(jù)上式計算，得到覆土層加載到巖層的荷載為196.14 kN。

Step3，給出實例工程中地下溶洞嵌巖樁基的平均約束應力，為3 857.6 kPa。

Step4，當?shù)叵氯芏辞稁r樁基的極限應力為1.688 3×104 kPa時，溶洞嵌巖樁基的極限承載力為13 689 kN。因此，可以評定出實例工程中地下溶洞嵌巖樁基的極限承載力與工程實際相符。

2.3"" 對比分析

為了突出所提方法的性能，引入基于上限分析原理的評定方法和多向荷載作用下的評定方法作對比，在不同的溶洞半徑下，測試了地下溶洞嵌巖樁基的極限承載力，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著溶洞半徑的增加，地下溶洞嵌巖樁基的極限承載力逐漸下降，采用基于上限分析原理的評定方法和多向荷載作用下的評定方法時，由于地下溶洞嵌巖樁基極限承載力評定結(jié)果與實際工程存在不一致的情況，導致評定結(jié)果與實際結(jié)果的偏差較大；采用所提方法時，可以通過分析地下溶洞嵌巖樁基承載機理，對地下溶洞嵌巖樁基進行BIM建模，使得評定結(jié)果與工程實際相符，減小了評定誤差。

3"" 結(jié)語

研究根據(jù)地下溶洞嵌巖樁基的假設破壞模式，計算地下溶洞嵌巖樁基在巖層的平均應力，根據(jù)地下溶洞嵌巖樁基應力分量，計算地下溶洞嵌巖樁基在含溶洞地層中的平均約束應力，通過設定極限承載力閾值，評定地下溶洞嵌巖樁基極限承載力。經(jīng)過實驗測試發(fā)現(xiàn)，采用該方法評定地下溶洞嵌巖樁基極限承載力之后，可以保證地下溶洞嵌巖樁基的安全性。所提方法對地下溶洞嵌巖樁基極限承載力的評定結(jié)果與工程實際相符，可以縮小評定誤差。

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