CAD技術、三維建模在深基坑大孔徑嵌巖樁施工現場管理中的應用

沈漢東1 陳維理2

1.珠海市建筑設計院監理部；2.珠海城市開發監理有限公司

摘要：隨著計算機技術的迅猛發展，CAD技術、三維建模已廣泛運用國民經濟的各個領域，在建筑工程領域使用CAD技術、三維建模對工程監管和施工指導發揮了重要的作用。

關鍵詞：三維建模；大孔徑嵌巖樁；深基坑

本文介紹筆者在深基坑項目施工中使用CAD技術、三維建模對工程監管和施工的具體指導作用。

一、項目概況

本項目是一集辦公、住宅、商業于一體的綜合性建筑群，用地面積15146㎡，總建筑面積79638㎡（地上面積：56536 ㎡；地下面積：23102㎡），包括辦公樓A座、B座、住宅A座、B座等，地上建筑最高層數38層，高度為166m，地下室4層，平均開挖深度19.5m，局部挖深達25m。

本工程辦公樓A座采用沖擊成孔灌注樁基礎，樁基施工于地下室土方開挖前，從室外自然地面開始施打，預留18m空樁，從-19.5m開始灌注鋼筋砼實樁，樁承臺厚度2.8m，局部承臺加厚為5.9 ～6.9m，結構采用現澆鋼筋砼框筒結構，部分柱采用型鋼砼柱；住宅樓 A 座、B 座采用天然地基筏板基礎，筏板厚度分別為1.3m～1.8m，采用現澆鋼筋砼框架剪力墻結構；辦公樓B及裙房采用天然地基柱下獨立基礎，現澆鋼筋砼框架結構。

地下室施工為土方大開挖，基坑長度124m，寬度45～65m，平均挖深19m，土方量約為130000 m3。其支護形式為：基坑周邊采用259條D=1200@1400平均樁長約26m的旋挖灌注樁，樁間加D=800@1400平均長度約22m的三重管高壓旋噴樁作為止水帷幕，坑內由31條鋼立柱和4道鋼筋砼水平支撐梁、3道腰梁及1道壓頂冠梁組成的內支撐體系。

上述工程概況的描述，對現場施工管理人員和施工人員依然不能形成三維空間概念，用于保證施工安全的支護體系到底是個什么樣子？基坑支護體系與主體工程樁和大承臺幾何尺寸、建筑標高是怎樣的關系？哪些因素是施工過程中應重點監控的？利用現有CAD軟件的三維建模功能和設計單位提供的CAD施工圖建立三維動畫，對解決各種疑問無疑提供了一個非常直觀的方法。（下面的幾張附圖是三維建模中使用的基本素材和動畫截屏）

二、使用CAD三維圖對49樁大承臺施打大孔徑工程樁的標高控制

隨著高層、超高層建筑的日益增多，大孔徑嵌巖樁因其豎向承載力特征值大被廣泛的應用于建筑工程之中，本工程屬超高層建筑，主樓地上38層，地下4層，根據建筑物自重大的特點，所以選用了豎向承載力大的大孔徑嵌巖樁49條和平均厚度2.8m的大承臺（36m×17m）來承受上部荷載。該承臺位于主樓的核心筒部位，且布置了直下負四層的生活電梯和消防電梯共6部，本工程超高層生活電梯的緩沖井道為3.1m、消防電梯的緩沖井道兼集水井坑深為4.1m，這樣承臺底部就有相對2.8m標高加深3.1m和加深4.1m的坑中坑。

鑒于49樁大承臺基底的多種標高和大孔徑嵌巖工程樁的具體施工特點以及大孔徑嵌巖工程樁的受力特點，所以，本工程多樁大承臺施工中控制大孔徑嵌巖工程樁樁頂標高就顯得十分重要。

、大孔徑嵌巖工程樁的施工特點：由于地下室土方開挖后基坑內支護形式采用了鋼筋砼內支撐體系，基坑內縱橫交錯的鋼筋砼內支撐梁和鋼立柱組成了立體空間支撐體系，如果大孔徑嵌巖工程樁的施工設備在基坑底內支撐體系中施工，第一，受場地所限，設備無法回轉，約30%的樁位施工設備無法就位；第二，受成樁工藝所限，施打過程中，基底土層必然受到護壁泥漿和樁孔溢出的孔隙水所破壞；第三，受大孔徑嵌巖工程樁樁位與支撐體系鋼立柱柱位距離所限，沖孔施工振動會嚴重威脅內支撐的安全，進而影響整個基坑的施工安全。所以，大孔徑嵌巖工程樁必須在地下室土方開挖前自然地面之上施打；

、大孔徑嵌巖工程樁的受力特點：根據廣東省《建筑地基基礎設計規范》DBJ15-31-2003規定：大孔徑嵌巖樁單樁的豎向承載力特征值Ra的確定由以下三部分組成，樁周土總側阻力Rsa、嵌巖段樁總側阻力Rra、嵌巖段樁總端阻力Rpa。即 Ra=Rsa+Rra+Rpa 其中：Rsa=u∑qsiali；Rra=uC2 frc hr；Rpa=C1frcAp，式中frc=μ-1.645σ（u為樁周長，qsia為第i層土的側阻力，li為第i層土中的樁長，C1、C2 為系數，frc 巖石飽和單軸抗壓強度標準值，hr為樁身嵌巖深度，Ap為樁端截面積，μ為巖石單軸極限抗壓強度平均值，σ為巖石極限抗壓強度標準差。）從上述計算公式可以看出，樁的豎向承載力特征值Ra與li（第i層土中的樁長）和hr（樁身嵌巖深度）密切相關。

以本工程為例，工程樁施工過程中要求工程樁進入中風化3.5m，有效樁長控制11m～14m，按特例推演，當工程樁滿足“進入中風化3.5m”要求，即可認為：公式 Ra=Rsa+Rra+Rpa 中的后兩項 Rra和Rpa為定值，影響樁的豎向承載力特征值Ra的主要因素則為樁周土總側阻力Rsa，從本工程地質報告給出的表-1、表-2數據不難看出，工程樁有效長度除保證3.5m樁長在中風化巖內以外，其余有效樁長均在⑤號粘性土、⑥號強風化巖土層內。

表-1

層號 土類名稱 層厚（m） 重度（kN/m3） 浮重度（kN/m3） 粘聚力（kPa） 內摩擦角（度）

1 雜填土 3.30 18.0 8.0 10.00 10.00

2 淤泥 3.20 16.0 6.0 6.00 4.00

3 礫砂 1.10 18.0 8.0 5.00 25.00

4 粘性土 5.90 18.5 8.5 21.50 24.00

5 粘性土 6.20 18.5 8.5 23.50 24.00

6 強風化巖 10.00 20.0 10.0 35.00 25.00

表-2

層號 摩擦阻力（kPa） 粘聚力水下（kPa） 內摩擦角水下（度） m，c，K值 抗剪強度（kPa）

1 30.0 10.00 10.00 2.00 50.00

2 20.0 6.00 4.00 0.52 50.00

3 100.0 5.00 25.00 10.50 50.00

4 75.0 21.50 24.50 11.70 50.00

5 80.0 23.50 24.00 11.47 50.00

6 80.0 35.00 25.00 13.50 50.00

從49樁大筏板三維圖可以看出，如果工程樁施工時，對三個標高控制不好，錯把35、42、49、56、63號樁的樁頂標高按28號樁的樁頂標高控制，則工程樁的實際豎向承載力和理論計算的豎向承載力會產生偏差，按公式：Rsa=u∑qsiali計算，查表2，則⑤號粘性土、⑥號強風化巖的qsia均為80（kPa），豎向承載力的偏差約為：3.14×1.2×80×（3.1～4.1）=935～1236（kN），若按本工程“單樁豎向承載力特征值為9800（kN）”計，則單樁豎向承載力特征值會下降10%～13%，這將會嚴重影響工程樁的使用安全，給整個建筑帶來安全隱患。基于上述考慮，在本工程的施工監管過程中，在工程樁施打前，利用CAD技術、三維建模初步確定樁頂標高，同時也就確定了空樁、實樁樁長，對后續工序，如實樁和空樁的鋼筋籠綁扎長度、工程樁檢測聲測管和后注漿工藝注漿管布設長度、工程樁砼運輸和澆筑方量的確定都起到非常直觀的指導作用。同時也降低了因施工管理人員和施工人員對圖紙理解的偏差給工程造成隱患和損失的幾率。

（由于4-3巖層距施工面較薄，且與強風化巖層4-2交界，故在施工中采用機械鑿巖方式開挖，從而避免了爆破施工對巖基的撓動，避免了爆破對基坑周邊建筑物安全的影響。）（圖中深色的巖層即為三維圖中描述的中風化巖層4-3）

三、結束語

本文主要講述了CAD三維圖技術的特點，通過此特點對深基坑大孔徑嵌巖樁施工過程進行相結合，展現了CAD三維建模技術的在工程深基坑工程設計施工時的可行性優勢，為深基坑大孔徑嵌巖樁工程提供了有價值的參考。

參考文獻：

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