裴振偉，年廷凱，萬(wàn) 馳，吳 昊，張彥君，張超鋒

（1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧大連 116024；2.華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310014；3.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北武漢 430205；4.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610051）

引言

滑坡是山區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害類型，每年會(huì)造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失［1-2］，滑坡地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置工程具有時(shí)間緊、任務(wù)重、場(chǎng)地受限等特點(diǎn)。因此通常采用結(jié)構(gòu)輕型、施工快速、擾動(dòng)小的處置技術(shù)，而具備這些特點(diǎn)的微型抗滑樁（群）相比于傳統(tǒng)大截面抗滑樁，在滑坡應(yīng)急處置工程中具有顯著優(yōu)勢(shì)，是最為常見且行之有效的新型支擋結(jié)構(gòu)之一。

微型抗滑樁一般指長(zhǎng)細(xì)比大于30，樁徑小于300 mm的柔性鉆孔灌注樁，其能夠充分利用樁-土相互作用及協(xié)調(diào)變形機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊（滑）坡體的有效加固［3-6］。微型抗滑樁（群）的設(shè)計(jì)計(jì)算主要采用解析計(jì)算與數(shù)值模擬的方法，解析計(jì)算主要包括類比法、懸臂樁法和等效替代法［7-9］，而模擬計(jì)算主要采用有限差分法、有限單元法圍繞樁身參數(shù)、布樁位置、土拱效應(yīng)等方面進(jìn)行研究［10-12］。盡管微型抗滑樁（群）已廣泛應(yīng)用于邊坡治理中［13-15］，但設(shè)計(jì)計(jì)算方法目前尚不成熟，不符合微型抗滑樁（群）的受力特征，且計(jì)算過(guò)程也較為繁瑣［16-17］，設(shè)計(jì)效率不高，因此亟需探索一種便捷高效的適用于邊（滑）坡應(yīng)急治理的微型抗滑樁群設(shè)計(jì)方法。

BIM（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)具有強(qiáng)大信息集成功能，將其應(yīng)用于滑坡地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置與微型抗滑樁群快速設(shè)計(jì)是行之有效的方法。目前，BIM技術(shù)主要應(yīng)用于基坑、隧道、地下管線等巖土工程問(wèn)題中，而在邊坡治理工程中鮮有涉及［18-20］。鑒于BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)同一管理平臺(tái)下的信息實(shí)時(shí)共享，若邊（滑）坡處治工程采用該技術(shù)，不僅能夠進(jìn)行前期應(yīng)急搶險(xiǎn)方案的快速設(shè)計(jì)，更能兼顧永久加固工程的設(shè)計(jì)，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過(guò)程的動(dòng)態(tài)調(diào)整和邊（滑）坡狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與管理水平，實(shí)現(xiàn)效益最大化。此外，相較于工程設(shè)計(jì)傳統(tǒng)方式，基于BIM技術(shù)的正向設(shè)計(jì)思路更符合設(shè)計(jì)人員的邏輯思維模式，可以通過(guò)減少不同專業(yè)領(lǐng)域協(xié)同工作中的差錯(cuò)提高設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)確性，并且能夠通過(guò)自動(dòng)生成設(shè)計(jì)與施工圖模型減少大量的重復(fù)性工作以提高工作效率。因此，基于BIM技術(shù)構(gòu)建集地質(zhì)模型信息收集、建模分析一體化和支擋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的高效設(shè)計(jì)平臺(tái)，將是滑坡地質(zhì)災(zāi)害治理工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

文中以微型樁群加固邊坡為研究對(duì)象，采用平面剛架等假設(shè)進(jìn)行微型抗滑樁群的初步設(shè)計(jì)；基于BIM技術(shù)，二次開發(fā)出適用于邊坡加固工程中微型樁群設(shè)計(jì)的程序，并可進(jìn)行“精細(xì)化”真實(shí)地形建模在此基礎(chǔ)上，銜接BIM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元數(shù)值分析，實(shí)現(xiàn)邊坡或滑坡治理工程中微型抗滑樁群的高效便捷設(shè)計(jì)。

1 微型抗滑樁群設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 微型抗滑樁群設(shè)計(jì)基本假定

目前，微型抗滑樁群的設(shè)計(jì)計(jì)算主要采用基于單樁極限抗力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法或類比大尺寸抗滑樁的解析方法，但不符合具有柔性特征的微型樁的實(shí)際受力特征［21］。因此，以工程中常見的“2×3”微型樁群為例進(jìn)行受力和計(jì)算分析（圖1），為微型抗滑樁群模擬計(jì)算提拱初始設(shè)計(jì)方案。

微型樁群受到邊坡下滑力和樁前土體抗力的作用將產(chǎn)生較大變形，因此對(duì)計(jì)算模型做如下合理假定：

（1）微型樁群簡(jiǎn)化為平面剛架結(jié)構(gòu)，分為受荷段與錨固段，樁群嵌固端的邊界條件假定為固定端、自由端和鉸支3類；

（2）滑坡推力沿樁身呈梯形分布關(guān)系［22-23］；

（3）假定各列、各排樁所受到的滑坡推力分布規(guī)律一致且已知，其中各列分配系數(shù)相同，各排分配系數(shù)為1：α1：α2；

（4）忽略微型樁群受荷段轉(zhuǎn)角，將頂板等效為滑動(dòng)支座［24-27］；

（5）假定各單樁變形基本一致，且滑面處各樁的位移和轉(zhuǎn)角相同；

（6）假定滑坡推力在不同排微型樁之間的分配關(guān)系已知。

1.2 微型抗滑樁群受荷段內(nèi)力計(jì)算

圖1 微型樁群平面示意圖Fig.1 Plane diagram of micro-piles group

受荷段中（圖2），單樁受滑坡推力變形，滑動(dòng)面處產(chǎn)生初始轉(zhuǎn)角（φ0）和初始位移（y0），其中y0不引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力，而φ0將使結(jié)構(gòu)僅產(chǎn)生彎矩，當(dāng)忽略樁群頂板壓縮變形的影響時(shí)，依據(jù)滑面處樁身轉(zhuǎn)角與滑坡推力，求得滑面之上樁體任意截面的內(nèi)力與變位［28］，以中樁BE為例，B點(diǎn)的彎矩與剪力為：

式中：k為分配系數(shù)（根據(jù)樁位置分別取1，α1，α2）；EI為與樁身配筋、截面尺寸相關(guān)的抗彎剛度；MFA為固端彎矩；M1為初始轉(zhuǎn)角φ0引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩；Δ1為位移法基本未知量；FFQA為固端剪力，均是φ0、y0的相關(guān)參數(shù)；MFA，M1，Δ1，F(xiàn)FQA分別如下式可得：

則距離滑動(dòng)面處任意距離x（0＜x＜l）的剪力、彎矩如下式：

圖2 受荷段受力圖Fig.2 Stress diagram of load section

圖3 錨固段受力圖Fig.3 Stress diagram of anchorage section

1.3 微型抗滑樁群錨固段內(nèi)力計(jì)算

在錨固段中（圖3），依據(jù)土體性質(zhì)可獲取彈性抗力系數(shù)，依據(jù)k法（m法）原理，建立撓曲微分方程（式（9））；通過(guò)微分方程的相關(guān)求解方法計(jì)算錨固段任意截面處的變位和內(nèi)力［28］，如下所示：

式中：β為樁變形系數(shù)；η1，η2，η3，η4為k法的與x，β相關(guān)的影響函數(shù)；Q0為滑面處剪力。

依據(jù)滑面下土層性質(zhì)簡(jiǎn)化出樁底的邊界條件，以樁底固定端為例（樁底無(wú)轉(zhuǎn)角與位移），聯(lián)立方程計(jì)算出滑動(dòng)面處的位移和轉(zhuǎn)角（式（14），式（15））：

采用滑面處樁身的位移、轉(zhuǎn)角參數(shù)計(jì)算受荷段彎矩和剪力，采用滑面處樁體的彎矩和剪力計(jì)算嵌固段位移和轉(zhuǎn)角，聯(lián)立方程組可得到滑動(dòng)面處樁體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變位，進(jìn)而計(jì)算出整個(gè)樁體任意位置的內(nèi)力。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)樁體材料的強(qiáng)度分析出微型樁群的容許荷載，根據(jù)滑坡推力制定初步設(shè)計(jì)方案。

2 基于BIM技術(shù)的微型樁群插件開發(fā)

圖4 幾何建模流程圖Fig.4 Flow chart for establishment of geometric model

基于BIM技術(shù)的微型抗滑樁群設(shè)計(jì)插件，要求具備快速建模的能力，但目前商用BIM平臺(tái)在建模方面通用性有余而專業(yè)性欠佳。因此，借助BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)—Revit開源的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）和友好的二次開發(fā)環(huán)境，編譯具有特定功能的快速設(shè)計(jì)插件，擴(kuò)展BIM的使用范圍。

2.1 微型抗滑樁群設(shè)計(jì)插件開發(fā)流程

采用C#語(yǔ)言對(duì)Revit進(jìn)行二次開發(fā)，使用WPF技術(shù)完成插件界面編輯和前后臺(tái)邏輯處理。圖4所示為微型抗滑樁群自動(dòng)化建模插件開發(fā)過(guò)程中幾何建模的完整流程。

插件的運(yùn)行依賴于Revit項(xiàng)目的族文檔，首先需判斷當(dāng)前活動(dòng)文檔是否為族文檔以及族模板的合理性。插件運(yùn)行后，用戶從程序界面中輸入微型抗滑樁群的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，程序后臺(tái)獲取數(shù)據(jù)后執(zhí)行一系列建模操作，最后生成模型實(shí)例并導(dǎo)入Revit項(xiàng)目中。

自動(dòng)化建模最重要的步驟是為模型添加參數(shù)，族參數(shù)（Family Parameter）是族文檔的核心，用于驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目的參數(shù)化設(shè)計(jì)。在微型樁抗滑樁群自動(dòng)化建模插件的開發(fā)中有2類為模型添加材質(zhì)的方法—基于系統(tǒng)材質(zhì)庫(kù)賦值給構(gòu)件材料屬性和創(chuàng)建自定義材料參數(shù)。系統(tǒng)材質(zhì)庫(kù)能滿足大多數(shù)的需求，使用前需將目標(biāo)材質(zhì)從Revit數(shù)據(jù)庫(kù)過(guò)濾出來(lái)。為了能夠?qū)ξ⑿蜆度航Y(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，還需獲取樁體材料抗壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和楊氏模量等，可以在系統(tǒng)材質(zhì)滿足需求的情況下，提取材質(zhì)參數(shù)信息，獲取步驟如下：

（1）根據(jù)材質(zhì)ID獲取材質(zhì)對(duì)象；

（2）獲取材質(zhì)AppearanceAssetID屬性；

（3）提取出AppearanceAssetElement屬性；

（4）進(jìn)一步提取出PropertySetElement屬性；

（5）遍歷PropertySetElement屬性，提取材質(zhì)信息中的物理參數(shù)數(shù)據(jù)。

2.2 微型抗滑樁群建模設(shè)計(jì)

依據(jù)初始設(shè)計(jì)方案對(duì)微型抗滑樁群進(jìn)行快速建模，以六樁單元的微型抗滑樁群的設(shè)計(jì)為例，將設(shè)計(jì)參數(shù)輸入自動(dòng)化建模插件界面（圖5），執(zhí)行強(qiáng)度計(jì)算，即程序后臺(tái)從輸入?yún)?shù)中獲取數(shù)據(jù)并根據(jù)前文中的解析法計(jì)算單樁和樁群?jiǎn)卧膹?qiáng)度和容許荷載，作為樁群初步選型設(shè)計(jì)參考；執(zhí)行生成功能，程序從系統(tǒng)材質(zhì)庫(kù)獲取材質(zhì)并給模型賦予材質(zhì)及樁群的各項(xiàng)族參數(shù)，采用后臺(tái)邏輯取代手動(dòng)計(jì)算和參數(shù)重復(fù)設(shè)置的方法，大大提高了效率（圖6）。

圖5 微型抗滑樁群族自動(dòng)生成工具界面Fig.5 Tool interface for automatic generation of micro-piles group

圖6 自動(dòng)化工具建模的建模成果和樁群參數(shù)信息Fig.6 Modeling results of automatic tool modeling and pile group parameter information

2.3 地質(zhì)建模與模型轉(zhuǎn)換

微型樁（群）的數(shù)值模擬計(jì)算主要是對(duì)坡體與樁體相互作用進(jìn)行模擬及對(duì)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證優(yōu)化。因此，采用真實(shí)地層數(shù)據(jù)進(jìn)行邊坡精細(xì)化建模，是微型樁群設(shè)計(jì)應(yīng)用的基礎(chǔ)。在Revit中，包含地層信息的形體建模功能比較單一，在處理復(fù)雜空間曲面類結(jié)構(gòu)方面，其建模功能難以達(dá)到預(yù)期效果，因此，利用邊坡典型斷面圖數(shù)據(jù)，結(jié)合Revit API開發(fā)出三維地質(zhì)建模插件，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜地形邊坡的建模。

Revit API提供的處理空間曲面的相應(yīng)算法如下：

（1）Form NewFormByCap（bool isSolid，Referen-ceArray profile）；

（2）Form NewLoftForm（bool isSolid，ReferenceA-rrayArray profiles）。

通過(guò)封閉輪廓間的放樣融合，插值計(jì)算融合后的集合體的曲面輪廓，創(chuàng)建空間曲面，模擬真實(shí)的土層分界面（圖7）。

Revit軟件缺少有限元計(jì)算軟件的接口，無(wú)法直接進(jìn)行微型抗滑樁群加固邊坡有限元分析。需開發(fā)涉及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)提取與分析，故將Revit模型導(dǎo)出為ACIS（.STA）文件作為中轉(zhuǎn)文件，再將其導(dǎo)入到ABAQUS有限元軟件，對(duì)轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖8）。采用中轉(zhuǎn)文件的辦法同樣能實(shí)現(xiàn)微型樁群模型向有限元模型的轉(zhuǎn)化。

圖7 Revit創(chuàng)建的邊坡地質(zhì)模型Fig.7 Geological model of slope created by Revit

圖8 邊坡地質(zhì)模型轉(zhuǎn)化為ABAQUS模型Fig.8 Transformation of slope geological model to ABAQUS model

3 案例分析

前文對(duì)微型樁群的計(jì)算方法做了說(shuō)明并針對(duì)BIM建模做二次開發(fā)，本節(jié)以廣巴高速某路塹邊坡治理案例為例，遵循BIM設(shè)計(jì)思路，利用微型抗滑樁群建模插件及數(shù)值計(jì)算對(duì)邊坡進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

3.1 工程概況

廣巴高速公路某路塹邊坡，位于四川省東北部旺蒼縣一山地剝蝕構(gòu)造區(qū)，地貌陡緩不均，邊坡下層巖土體為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組粉砂質(zhì)泥巖J2s，坡體為含有角礫的低液限黏土Q4，邊坡表層為崩坡積和洪積物?？紤]路基面標(biāo)高和路線設(shè)計(jì)，需挖方150 m形成路塹邊坡，路基面設(shè)計(jì)寬24.5 m，路面標(biāo)高為500～502 m，最大開挖深度為11.9 m，巖土材料參數(shù)如表1所示。采用微型抗滑樁群對(duì)該路塹邊坡進(jìn)行加固，加固斷面如圖9所示，微型樁群布設(shè)于開挖平臺(tái)處。

表1 巖土體材料參數(shù)Table 1 Geotechnical material parameters

圖9 微型抗滑樁加固邊坡斷面Fig.9 Section of slope reinforced by micro-piles group

采用傳遞系數(shù)法將邊坡滑體分為若干土條，計(jì)算該邊坡在設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.35情況下各土條的下滑力與抗滑力。如圖10所示設(shè)樁位置的滑坡推力約為350 kN/m。

圖10 傳遞系數(shù)法計(jì)算滑坡推力Fig.10 Calculation of landslide thrust by transfer coefficient method

圖11 微型抗滑樁群族自動(dòng)生成工具界面Fig.11 Interface for automatic generation of micro-piles group

3.2 加固設(shè)計(jì)方案

根據(jù)滑坡推力進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，當(dāng)采用3×3承臺(tái)式微型樁群的布設(shè)方式，沿道路走向每間隔6 m布置微型

圖12 自動(dòng)化工具建模成果和樁群參數(shù)Fig.12 Automatic tool modeling results and pile group parameter

圖13 邊坡及微型抗滑樁有限元模型Fig.13 Finite element model of slope and micro-piles group

圖14 邊坡最大位移云圖Fig.14 The maximum displacement cloud map of slope

圖15 邊坡安全系數(shù)計(jì)算Fig.15 Calculation of slope safety factor

抗滑樁群加固單元，單樁樁徑0.15 m，樁群內(nèi)列樁間距為0.5 m，排間距為0.8 m，樁長(zhǎng)為15 m，嵌固段樁長(zhǎng)為7 m，樁內(nèi)加筋體為3根直徑32 mm的HRB400螺紋鋼，樁頂與使用C30混凝土澆筑而成的剛性承臺(tái)連結(jié)，截面尺寸為1.5 m×2 m×0.4 m。使用二次開發(fā)的Revit插件對(duì)微型樁群進(jìn)行建模，如圖11和圖12所示。

對(duì)于巖土層復(fù)雜的邊坡，使用二次開發(fā)的空間曲面外部命令提取剖面數(shù)據(jù)點(diǎn)，融合生成可模擬真實(shí)地層分界面的邊坡體模型，將其導(dǎo)入ABAQUS并劃分四面體網(wǎng)格，如圖13所示。

3.3 邊坡數(shù)值分析

采用強(qiáng)度折減法計(jì)算微型樁加固后的邊坡整體穩(wěn)定性，邊坡體和抗滑樁的參數(shù)均按前文所述參數(shù)取值，微型抗滑樁單樁彈性模量為鋼筋混凝土彎曲剛度相同時(shí)的等效彈性模量，取32 GPa，泊松比取0.3。邊坡的最大位移云圖如圖14所示。提取邊坡表面特征節(jié)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，得出折減系數(shù)與節(jié)點(diǎn)位移的變化關(guān)系（圖15）。

折減系數(shù)增加至1.16時(shí)，樁后坡體特征點(diǎn)的位移沒有明顯變化，樁前坡體上特征點(diǎn)的位移產(chǎn)生突變，坡體發(fā)生失穩(wěn)，即可得此加固方案條件下邊坡安全系數(shù)為1.16，此時(shí)微型抗滑樁的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖16所示，經(jīng)過(guò)計(jì)算，微型抗滑樁群?jiǎn)卧獌?nèi)單樁（中樁）的彎矩與剪力如圖17所示。

微型樁群?jiǎn)卧獌?nèi)各排樁的彎矩隨深度變化規(guī)律基本一致，最大彎矩處位于樁頂，樁底由于邊界條件設(shè)定為鉸支的緣故，彎矩為零；微型樁所受到的剪力有較大差別，第一排樁的峰值剪力最大，第二排峰值剪力最小，最大幅值相差一倍，各樁的峰值剪力處均位于滑面附近。彎矩與剪力結(jié)果上的差異，反映出微型抗滑樁群設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮單樁抗剪切上的差異。

圖16 微型抗滑樁的應(yīng)力與應(yīng)變Fig.16 Stress and strain of micro-piles

圖17 微型抗滑樁的彎矩與剪力Fig.17 Bending moment and shear force of micro-piles

3.4 修正設(shè)計(jì)

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》［29］中對(duì)安全等級(jí)為一級(jí)的邊坡做出規(guī)定：Fst≥1.35。采用初步加固方案后邊坡的安全系數(shù)提高到1.2，但仍無(wú)法滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》對(duì)邊坡安全系數(shù)的要求，因此，需對(duì)加固方案進(jìn)行修正設(shè)計(jì)。在不改變樁群間距的前提下增大樁徑，增加筋體材料：微型抗滑樁群間距6 m，每單元由3×3根微型抗滑樁組成，樁徑增加至200 mm，樁間距增加至為0.6 m，排距增加至為0.8 m，樁長(zhǎng)15 m不變，樁內(nèi)加筋體為5根直徑32 mm的HRB400螺紋鋼，樁頂使用C30混凝土澆筑而成的剛性承臺(tái)連結(jié)，截面尺寸為1.8 m×2.2 m×0.5 m。

圖18 修正方案下加固邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)Fig.18 Slope safety factor under the modified scheme

重復(fù)建模、文件中轉(zhuǎn)、網(wǎng)格劃分、穩(wěn)定性分析等流程，采用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡加固模型進(jìn)行有限元計(jì)算。修正方案下的折減系數(shù)如圖18所示。隨著折減系數(shù)的增大，樁后坡體上特征節(jié)點(diǎn)A的位移變化不明顯，樁前坡體上的特征節(jié)點(diǎn)B、C、D的位移在折減系數(shù)約為1.4時(shí)發(fā)生突變?？梢哉J(rèn)為此時(shí)坡體的安全系數(shù)為1.4，達(dá)到《規(guī)范》中對(duì)一類邊坡安全系數(shù)的要求，說(shuō)明增大樁徑方案可有效增強(qiáng)坡體穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)重復(fù)參數(shù)化建模與試算，可高效率完成對(duì)微型抗滑樁群的設(shè)計(jì)計(jì)算。

4 結(jié)論

（1）基于RevitAPI對(duì)微型抗滑樁群自定義快速參數(shù)化建模插件進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)微型樁群結(jié)構(gòu)在BIM平臺(tái)上快速自定義建模以及復(fù)雜地層分界面的模擬，并將適用于微型抗滑樁群內(nèi)力計(jì)算的公式整合進(jìn)建模插件，為BIM模型賦值相關(guān)力學(xué)參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)提供了理論支撐，大大降低設(shè)計(jì)過(guò)程中試算的工作量。

（2）采用中轉(zhuǎn)文件的辦法將真實(shí)邊坡模型轉(zhuǎn)化為有限元模型，建立了BIM設(shè)計(jì)方法與有限元數(shù)值分析的內(nèi)在聯(lián)系。

（3）以廣川高速一路塹邊坡為例，基于BIM平臺(tái)與有限元模擬，對(duì)具有復(fù)雜分界面的工程邊坡進(jìn)行建模、導(dǎo)入，并進(jìn)行反復(fù)試算完成微型抗滑樁群設(shè)計(jì)計(jì)算，為邊坡加固提供合理的樁群設(shè)計(jì)方案。