地質(zhì)資料管理在地基基礎(chǔ)設(shè)計中的應(yīng)用

黃建城，徐 昆，王少寧，任治軍，黃小玲

(中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102)

地質(zhì)資料是巖土工程勘察成果的俗稱，包含了建筑物及其周邊一定范內(nèi)場地地基土的分布規(guī)律和設(shè)計參數(shù)等內(nèi)容，是地基基礎(chǔ)設(shè)計的重要依據(jù)。采用PKPM結(jié)構(gòu)分析軟件的JCCAD模塊進(jìn)行地基沉降計算時，需要提供勘探點平面布置圖、工程地質(zhì)剖面圖、地質(zhì)柱狀圖、勘測報告，并手工輸入建筑物場地各勘探點的平面坐標(biāo)、土層標(biāo)高和各個土層的巖土設(shè)計參數(shù)等信息。由于這種做法費(fèi)時費(fèi)力，設(shè)計人員通常僅輸入幾個典型的勘探孔數(shù)據(jù)進(jìn)行地基基礎(chǔ)計算，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際不符。

隨著巖土工程勘測系統(tǒng)(簡稱GESSED系統(tǒng))的投入使用，巖土工程專業(yè)在工程項目的標(biāo)準(zhǔn)化、流程化、信息化、協(xié)同設(shè)計等方面的工作效率均得到了大幅提升。為了將GESSED系統(tǒng)的地質(zhì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有效地提供給結(jié)構(gòu)專業(yè)，同時兼顧外單位提供的勘測報告及試樁資料的數(shù)據(jù)采集、管理和查詢，并按PKPM結(jié)構(gòu)分析軟件的要求生成地基基礎(chǔ)設(shè)計所需要的地質(zhì)資料數(shù)據(jù)文件(*.dz，簡稱DZ文件)，筆者自主研發(fā)了地質(zhì)資料管理系統(tǒng)GIMS。

本文從系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計出發(fā)，闡述了地質(zhì)資料管理系統(tǒng)的功能需求及其實現(xiàn)，以期為實現(xiàn)巖土工程專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)的數(shù)據(jù)交互與集成應(yīng)用提供新的思路。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)可移植性

地質(zhì)資料管理系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠛湍K化的設(shè)計方法，根據(jù)用戶的功能需求采用不同模塊，降低程序復(fù)雜度，便于系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)。本著“高內(nèi)聚，低耦合”的原則，系統(tǒng)采用三層客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)架構(gòu)，由邏輯上相互獨立的表示層(User Interface Layer)、業(yè)務(wù)邏輯層(Business Logic Layer)和數(shù)據(jù)訪問層(Data Access Layer)組成，見圖1。表示層通過用戶界面顯示信息，接受用戶業(yè)務(wù)請求和返回數(shù)據(jù)結(jié)果；業(yè)務(wù)邏輯層是系統(tǒng)架構(gòu)的核心，處理數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)邏輯，調(diào)用數(shù)據(jù)訪問層對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作；數(shù)據(jù)訪問層與數(shù)據(jù)庫直接進(jìn)行交互，完成數(shù)據(jù)的查找、增加、修改和刪除等操作。

圖1 三層C/S架構(gòu)

本系統(tǒng)采用.NET框架中的NHibernate作為數(shù)據(jù)訪問層的底層持久框架，實現(xiàn)面向?qū)ο罂蚣艿絺鹘y(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的映射。通過NHibernate實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問層對關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行映射，使關(guān)系數(shù)據(jù)庫的變化不會影響源代碼，應(yīng)用程序無須知道關(guān)系數(shù)據(jù)庫的模式，甚至不必知道數(shù)據(jù)庫中所存儲的對象，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)訪問的重用性、靈活性和可移植性。

2 系統(tǒng)功能需求

將GESSED系統(tǒng)輸出的XML地質(zhì)數(shù)據(jù)文件按工程項目導(dǎo)入地質(zhì)資料數(shù)據(jù)庫，或?qū)⒎荴ML格式的地質(zhì)數(shù)據(jù)文件通過窗體界面按工程項目交互錄入地質(zhì)資料數(shù)據(jù)庫，采用數(shù)據(jù)庫對地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分階段(初勘、試樁、詳勘階段)、分區(qū)域(如主廠房區(qū)域、輸煤系統(tǒng)區(qū)域、化學(xué)水區(qū)域等)存儲管理，能按權(quán)限編輯/查詢勘探點地質(zhì)數(shù)據(jù)，能自動生成該區(qū)域的勘探孔平面布置圖、地質(zhì)剖面圖、巖土設(shè)計參數(shù)取用表，能自動生成采用JCCAD進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計所需要的DZ文件。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

地質(zhì)資料管理系統(tǒng)以64位Windows 7專業(yè)版為操作平臺，基于.NET Framework 4.5采用C#語言在Visual Studio 2010平臺上開發(fā)，后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用SQL Server 2008。該系統(tǒng)的主要功能模塊包括后臺管理、工程管理、地質(zhì)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)整理、成果管理等。

3.1 后臺管理

系統(tǒng)提供了崗位管理、職員管理、用戶管理、功能點管理、角色管理、巖土管理、密碼修改等后臺管理功能。其中，崗位管理是指與卷冊設(shè)計簽署權(quán)相關(guān)的設(shè)計人、校核人、主設(shè)人、專業(yè)審核人等成員管理，這些信息可通過對接我公司的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)EMIS獲取，也可通過本系統(tǒng)交互輸入、修改；角色管理是指專業(yè)數(shù)據(jù)管理員、工程數(shù)據(jù)管理員、普通用戶等成員管理與功能授權(quán)；巖土管理是指維護(hù)勘探點巖土名稱與JCCAD巖土編碼的映射關(guān)系，若勘探點巖土名稱沒有對應(yīng)的JCCAD編碼時，可由系統(tǒng)管理員在此指定相應(yīng)的巖土編碼。

默認(rèn)情況下，專業(yè)數(shù)據(jù)管理員負(fù)責(zé)工程新建/修改/關(guān)閉/啟用/刪除、工程數(shù)據(jù)管理員指定，以及后臺管理；工程數(shù)據(jù)管理員負(fù)責(zé)工程卷冊執(zhí)行人指定、XML地質(zhì)數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入、巖土提資文件掛接(用于保存巖土專業(yè)提資文件)、巖土參數(shù)查詢/交互錄入、勘探孔管理、巖土設(shè)計參數(shù)表管理、卷冊巖土設(shè)計參數(shù)表指定；普通用戶負(fù)責(zé)工程地質(zhì)剖面管理、CAD自動繪圖(包括勘探點平面布置圖、工程地質(zhì)剖面圖)、DZ文件管理。

3.2 工程管理

工程管理模塊以工程項目為核心，實現(xiàn)了工程新建/修改/關(guān)閉/啟用/刪除、工程組成員(包括工程數(shù)據(jù)管理員、工程卷冊執(zhí)行人)指定、XML地質(zhì)數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入，以及巖土提資文件掛接等功能。其中，XML地質(zhì)數(shù)據(jù)文件可由GESSED系統(tǒng)自動生成，內(nèi)容包括工程編號和工程名稱、勘探點編號和平面坐標(biāo)、土層序號和名稱、土層標(biāo)高、巖土設(shè)計參數(shù)等。

3.3 地質(zhì)數(shù)據(jù)采集

3.3.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)

在地質(zhì)數(shù)據(jù)子模塊中，若已導(dǎo)入巖土專業(yè)提供的XML地質(zhì)數(shù)據(jù)文件，則可以直接查看巖土設(shè)計參數(shù)。這些參數(shù)包括含水率、重力密度、孔隙比、液限、塑性指標(biāo)、液性指標(biāo)、滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)、壓縮模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、單軸抗壓強(qiáng)度、標(biāo)貫擊數(shù)、地基承載力特征值、樁的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值等。對于外單位提供的非XML格式的地質(zhì)數(shù)據(jù)文件或勘測報告，可以通過窗體界面按工程項目交互錄入巖土設(shè)計參數(shù)，也可以在Excel中將數(shù)據(jù)整理好直接復(fù)制粘貼到窗體界面，表格列頭可以自定義配置。

3.3.2 勘探孔管理

在勘探孔管理子模塊中，可以根據(jù)需要選擇按勘測區(qū)段查看或查看全部的勘探孔平面布置，以及定位查看任意的鉆孔柱狀圖，見圖2；也可以在勘探孔錄入界面中新增、修改、刪除XML地質(zhì)數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入的勘探孔基本信息，包括勘探孔號、勘探孔類型、坐標(biāo)、孔口高程、勘探孔深、設(shè)計水位、勘探孔分層(層號、巖土名稱、層頂深度、層底深度)。

圖2 勘探孔平面布置與柱狀圖

3.4 內(nèi)業(yè)整理

3.4.1 參數(shù)表管理

從XML地質(zhì)數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入的巖土設(shè)計參數(shù)值有可能不完整，工程數(shù)據(jù)管理員可在參數(shù)表管理子模塊中根據(jù)DZ文件的數(shù)據(jù)需求補(bǔ)全缺失的巖土設(shè)計參數(shù)值；DZ文件所需要的建筑物±0.00對應(yīng)的地質(zhì)資料標(biāo)高也在此設(shè)定；另外，還可根據(jù)場地平整情況插入或取消回填土層，并設(shè)定相應(yīng)的巖土設(shè)計參數(shù)。編輯調(diào)整好土層分布和巖土設(shè)計參數(shù)后，可生成巖土設(shè)計參數(shù)取用表。

3.4.2 參數(shù)表指定

系統(tǒng)可按卷冊所處的勘測區(qū)段分別指定相應(yīng)的巖土設(shè)計參數(shù)取用表。

3.5 成果管理

3.5.1 地質(zhì)剖面管理

在地質(zhì)剖面管理子模塊中，可以根據(jù)地基基礎(chǔ)設(shè)計需要新增、修改、刪除、自定義工程地質(zhì)剖面，而不必拘泥于巖土專業(yè)提供的工程地質(zhì)剖面。系統(tǒng)提供了三種勘探孔的配置方式，一是右擊點選配置勘探孔；二是CAD選孔，即在AutoCAD中基于勘探點平面布置圖進(jìn)行點選或框選；三是從后側(cè)列表點選勘探孔。

3.5.2 CAD自動成圖

系統(tǒng)可以自動生成勘探點平面布置圖和工程地質(zhì)剖面圖?？睖y報告中最核心的“三圖一表”都可以在系統(tǒng)中進(jìn)行查詢、展示和使用，設(shè)計人員可以不用再去翻閱紙質(zhì)的勘測報告獲取相關(guān)的巖土數(shù)據(jù)。

3.5.3 DZ文件管理

DZ文件管理界面。在該界面中，可以進(jìn)行地平高程設(shè)置、設(shè)計參數(shù)指定和生成DZ文件。地基土層的壓縮模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)在巖土設(shè)計參數(shù)取用表中一般有多個參數(shù)值，例如壓縮模量可能有ES1-2、ES1-3、ES4-6、ES6-8、ES8-10、ES10-12等，根據(jù)工程卷冊的具體情況以下拉列表的方式選擇指定地基土層對應(yīng)的參數(shù)值。其中，地基土層的壓縮模量是地基變形計算重要的參數(shù)，該參數(shù)值的選取與壓力段范圍有關(guān)，應(yīng)取該層土在自重壓力至自重壓力與附加壓力之和壓力段對應(yīng)的壓縮模量。黏聚力、內(nèi)摩擦角的選擇，應(yīng)根據(jù)場地土層的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、分布、土體滲透性、場地地下水狀況、基坑開挖方式等諸多因素綜合考慮。完成了參數(shù)表指定、地平高程設(shè)置、設(shè)計參數(shù)指定后，只需要在CAD界面中選擇與地基基礎(chǔ)設(shè)計相關(guān)的勘探點，系統(tǒng)便可自動生成DZ文件。

4 工程實例

某2×400 MW燃機(jī)熱電聯(lián)產(chǎn)工程的汽機(jī)房、燃機(jī)房樁基整體沉降采用兩種方式進(jìn)行：一種假定地基土層均勻分布，在樁基周圍布置數(shù)個典型勘探點進(jìn)行沉降計算，見圖3，這也是目前設(shè)計人員常用的計算方法；另一種是采用地質(zhì)資料管理系統(tǒng)自動生成的DZ文件導(dǎo)入JCCAD生成的完整勘探點地質(zhì)模型進(jìn)行沉降計算，見圖4。典型勘探點的沉降計算結(jié)果、完整勘探點的沉降計算結(jié)果見圖5和圖6。

圖3 典型勘探點分布

圖4 完整勘探點分布

圖5 典型勘探點的沉降計算結(jié)果

圖6 完整勘探點的沉降計算結(jié)果

從計算結(jié)果來看，兩種計算方法生成的沉降云圖差異較大，典型勘探點的計算結(jié)果顯示沉降峰值發(fā)生在廠房的四個邊角，但完整勘探點的計算結(jié)果顯示沉降峰值發(fā)生在廠房中下部?？梢?，如果地基土層起伏較大或存在大量的透鏡體夾層，采用典型勘探點進(jìn)行沉降計算誤差較大。

5 結(jié)論

本文從系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計出發(fā)，闡述了地質(zhì)資料管理系統(tǒng)的功能需求及其實現(xiàn)。通過樁基整體沉降計算的工程實例對系統(tǒng)自動生成的DZ文件進(jìn)行了驗證。通過研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)系統(tǒng)采用.NET框架中的NHibernate作為數(shù)據(jù)訪問層的底層持久框架，實現(xiàn)了面向?qū)ο罂蚣艿絺鹘y(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的映射。

(2)系統(tǒng)實現(xiàn)了以工程項目為核心的地質(zhì)數(shù)據(jù)采集、管理和查詢，將傳統(tǒng)的專業(yè)間的文檔資料互提變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集成交互。

(3)系統(tǒng)自動生成的地質(zhì)資料數(shù)據(jù)文件可直接用于地基基礎(chǔ)沉降計算，提高了地基基礎(chǔ)設(shè)計的質(zhì)量和效率。