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(píng)定中的應(yīng)用。計(jì)算地下溶洞嵌巖樁基在巖層的平均應(yīng)力，獲取的承載機(jī)理，明確地下溶洞嵌巖的地質(zhì)特點(diǎn)，計(jì)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(yīng)力分量，計(jì)算地下溶洞嵌巖樁基在含溶洞地層中的平均約束應(yīng)力，通過設(shè)定極限承載力閾值，評(píng)定地下溶洞嵌巖樁基極限承載力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法對(duì)地下溶洞嵌巖樁基極限承載力的評(píng)定結(jié)果與工程實(shí)際相符，可以縮小評(píng)定誤差。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；嵌巖樁基；承載機(jī)理；極限承載力；平均約束應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TP391.92；O317"""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A""""""""""""""""""""" 文章編號(hào)：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(huì)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(tái)階形變斷面樁頂?shù)某休d量計(jì)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(shè)計(jì)提供了依據(jù)［1］。將Hoek?Brown準(zhǔn)則與靜平衡原理結(jié)合，對(duì)巖溶區(qū)樁基孔在多向受壓情況下的受力特點(diǎn)進(jìn)行了研究，在三向荷載共同作用下，推導(dǎo)了樁基埋巖深度計(jì)算方法［2］?；谝陨涎芯勘尘?，將BIM技術(shù)應(yīng)用到地下溶洞嵌巖樁基極限承載力評(píng)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(píng)定方法

設(shè)計(jì)

1.1"" 獲取地下溶洞嵌巖樁基承載機(jī)理

在評(píng)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(jī)理。假設(shè)地下溶洞嵌巖樁基處于破壞模式下，計(jì)算出溶洞嵌巖樁基在巖層的平均應(yīng)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(shè)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(shí)，巖層由A、B 2個(gè)區(qū)域組成［3］。區(qū)域A中，最大主應(yīng)力[ε1A]等于樁基本身的壓力，當(dāng)巖層在極限狀態(tài)下時(shí)，[ε1A]與地下溶洞嵌巖樁基的極限應(yīng)力[qmax]相等；區(qū)域B中，最大主應(yīng)力[ε1B]等于A中的最小主應(yīng)力[ε3A]。

根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則［4］計(jì)算出區(qū)域B中地下溶洞嵌巖樁基的最大主應(yīng)力：

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

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

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

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

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

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

1.2"" 地下溶洞嵌巖樁基的BIM建模

設(shè)計(jì)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(bào)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(gè)初始的設(shè)計(jì)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(jì)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(tái)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(qiáng)度；[K]代表樁基的計(jì)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(zhǎng)和樁徑等設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求時(shí)，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(jì)算，變形監(jiān)測(cè)和裂縫驗(yàn)算，完成地下溶洞嵌巖樁基設(shè)計(jì)。

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(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)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(cuò)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(píng)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(píng)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(yīng)力點(diǎn)［10］，集合地下溶洞嵌巖樁基的容許承載力，計(jì)算出樁基中心[O]在極坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，即：

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

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

根據(jù)地下溶洞嵌巖樁基的應(yīng)力分量，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換［11］，計(jì)算出地下溶洞嵌巖樁基的平均約束應(yīng)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(qiáng)度；[τρβ]代表地下溶洞嵌巖樁基的變形強(qiáng)度。

通過地下溶洞嵌巖樁基的平均約束應(yīng)力，計(jì)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(shí)驗(yàn)分析

2.1"" 評(píng)定地下溶洞嵌巖樁基的破壞模式

室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)中，地下溶洞嵌巖樁基和模擬嵌巖樁基的物理力學(xué)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度為21.6 m，深度為1.5 m，樁徑為1.0 m，利用所提方法評(píng)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(dāng)H=D，2R=3D時(shí)，所提方法的評(píng)定結(jié)果與原型結(jié)果一致。當(dāng)H=2D，2R=3D時(shí)，評(píng)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)致評(píng)定結(jié)果與原型結(jié)果存在一定誤差。當(dāng)H=3D，2R=3D和H=4D，2R=3D時(shí)，得到的評(píng)定結(jié)果是溶洞對(duì)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(píng)定地下溶洞嵌巖樁基的極限承載力

實(shí)例分析中，以工程施工的36 #樁為分析對(duì)象，樁基的長(zhǎng)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(shè)置為3 000 kN，地下溶洞嵌巖樁基1.8 m處存在一個(gè)溶洞，施工簡(jiǎn)圖如圖3所示。

實(shí)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(fēng)化石灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度在32.0～67.9 MPa，因此36#樁的抗壓強(qiáng)度取45.8 MPa，工程實(shí)例中地下溶洞嵌巖樁基極限承載力評(píng)定時(shí)，石灰?guī)r的類別參數(shù)取5.0，巖體地質(zhì)力學(xué)分類指標(biāo)值取40，利用所提方法對(duì)工程實(shí)例中地下溶洞嵌巖樁基極限承載力進(jìn)行評(píng)定，具體步驟為：

Step1，給定實(shí)例工程中地下溶洞嵌巖樁基中心在極坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，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(jì)算，得到覆土層加載到巖層的荷載為196.14 kN。

Step3，給出實(shí)例工程中地下溶洞嵌巖樁基的平均約束應(yīng)力，為3 857.6 kPa。

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

2.3"" 對(duì)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(píng)定方法和多向荷載作用下的評(píng)定方法作對(duì)比，在不同的溶洞半徑下，測(cè)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(píng)定方法和多向荷載作用下的評(píng)定方法時(shí)，由于地下溶洞嵌巖樁基極限承載力評(píng)定結(jié)果與實(shí)際工程存在不一致的情況，導(dǎo)致評(píng)定結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的偏差較大；采用所提方法時(shí)，可以通過分析地下溶洞嵌巖樁基承載機(jī)理，對(duì)地下溶洞嵌巖樁基進(jìn)行BIM建模，使得評(píng)定結(jié)果與工程實(shí)際相符，減小了評(píng)定誤差。

3"" 結(jié)語

研究根據(jù)地下溶洞嵌巖樁基的假設(shè)破壞模式，計(jì)算地下溶洞嵌巖樁基在巖層的平均應(yīng)力，根據(jù)地下溶洞嵌巖樁基應(yīng)力分量，計(jì)算地下溶洞嵌巖樁基在含溶洞地層中的平均約束應(yīng)力，通過設(shè)定極限承載力閾值，評(píng)定地下溶洞嵌巖樁基極限承載力。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，采用該方法評(píng)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(duì)地下溶洞嵌巖樁基極限承載力的評(píng)定結(jié)果與工程實(shí)際相符，可以縮小評(píng)定誤差。

【參考文獻(xiàn)】

［1］""" 汪婧. 基于上限分析原理的巖溶樁基破壞模式與極限承載力計(jì)算［J］. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2019，16（9）：2207?2214.

［2］""" 江杰， 賴增任， 歐孝奪，等. 多向荷載作用下巖溶區(qū)嵌巖樁嵌巖深度計(jì)算方法［J］. 鐵道建筑， 2020， 60（6）：96?100.

［3］""" 張埕豪， 趙其華， 婁琛，等. 考慮基巖層面影響的水平受荷嵌巖樁模型試驗(yàn)研究［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2019，27（2）：286?293.

［4］""" 張浦陽， 董宏季， 樂叢歡，等. 海上風(fēng)機(jī)嵌巖樁水平承載特性有限元分析［J］. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，42（1）：132?138.

［5］""" 袁維， 劉尚各， 聶慶科，等. 基于沖切破壞模式的嵌巖樁樁端溶洞頂板臨界厚度確定方法研究［J］. 巖土力學(xué)，2019，40（7）：2789?2798.

［6］""" 尹平保， 楊瑩， 雷勇，等. 考慮基巖水平破壞的嵌巖樁嵌巖深度計(jì)算方法［J］. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)：工程科學(xué)版， 2019， 51（2）：71?77.

［7］""" 楊石春. 嵌巖灌注樁極限承載力的計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證［J］. 工業(yè)建筑，2021，51（11）：143?148.

［8］""" 安康， 劉曄， 劉少林. 南京地區(qū)大直徑后注漿嵌巖樁靜載荷試驗(yàn)研究［J］. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2021，17（S1）：46?54.

［9］""" 葛楓炎， 王康. 基于ABAQUS的斷層中嵌巖樁承載性研究［J］. 建筑技術(shù)，2020，51（9）：1048?1051.

［10］""" 陳濤， 葉建平， 梁中政，等. 徐州巖溶場(chǎng)地嵌巖樁樁" 身承載力分布研究［J］. 建筑結(jié)構(gòu)，2022，52（S1）：2707?2712.

［11］""" 趙明華， 陳言章， 肖堯，等. 基于三鉸拱突變模型的" 巖溶區(qū)嵌巖樁溶洞頂板穩(wěn)定性分析［J］. 防災(zāi)減災(zāi)工" 程學(xué)報(bào)，2020，40（2）：167?173.