基于Civil 3D平臺的欽州港大欖坪港區(qū)地基處理精細(xì)化設(shè)計(jì)

喬 梁，廖晨彥，高 寧，萬浩然

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

Civil 3D是AUTODESK公司研發(fā)的一款用于3D建模的軟件[1]，是面向土木工程設(shè)計(jì)的建筑信息模型(BIM)解決方案。目前廣泛應(yīng)用于勘測、場地平整設(shè)計(jì)、道路建模、土石方計(jì)算等土木工程領(lǐng)域，具有實(shí)時性強(qiáng)、關(guān)聯(lián)性好、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)。

李家華等[2]利用Civil 3D建立了某大型填海工程的三維地質(zhì)模型，可以快速創(chuàng)建地質(zhì)剖面圖，并實(shí)現(xiàn)模型的任意剖切，用于輔助設(shè)計(jì)。廖晨彥等[3]采用Civil 3D的曲面和放坡等工具，通過主要鉆孔的沉降計(jì)算，實(shí)現(xiàn)模擬堆載和卸載的過程，并根據(jù)建立的曲面和實(shí)體等數(shù)據(jù)得到較為準(zhǔn)確的各區(qū)堆載和卸載工程量。

對于軟土厚薄不一、分布不均的軟土地基，精細(xì)化方案設(shè)計(jì)和工程量計(jì)算一直是一個難點(diǎn)，采用保守型的地基處理方案勢必造成投資的浪費(fèi)，Civil 3D軟件在三維地質(zhì)和實(shí)體建模等方面具有建模快速、計(jì)算精確等優(yōu)勢，是一種地基處理精細(xì)化設(shè)計(jì)的有效工具。本文以欽州港大欖坪港區(qū)自動化碼頭工程為例，利用Civil 3D軟件和不同軟土厚度的典型鉆孔沉降計(jì)算結(jié)果，細(xì)化地基處理分區(qū)，并計(jì)算堆載和卸載工程量，計(jì)算結(jié)果更加精細(xì)、準(zhǔn)確。

1 項(xiàng)目背景

欽州港大欖坪港區(qū)自動化碼頭工程9#、10#泊位位于欽州保稅港區(qū)內(nèi)的南端，建設(shè)10萬噸級集裝箱泊位2個，岸線總長783 m，后方陸域縱深807.5 m，陸域總面積約63.2萬 m2。陸域按照使用功能劃分為碼頭前沿作業(yè)地帶、自動化集裝箱堆場及港區(qū)道路、預(yù)留堆場發(fā)展區(qū)和生產(chǎn)輔助區(qū)。

根據(jù)地形測量資料，場地可分為已回填區(qū)(陸域)和未回填區(qū)(水域)2個部分，已回填區(qū)面積約38.0萬 m2，未回填區(qū)面積約25.2萬 m2。根據(jù)鉆孔資料揭示，陸域軟土層時空分布不均勻。從時間上看，已回填和未回填區(qū)由于回填時間相差數(shù)年，導(dǎo)致軟土層前期固結(jié)壓力不一致，軟土性狀不同；從空間上看，場地軟土層厚度0～12.1 m不等，且分布極為不均。因此，在進(jìn)行場地大面積陸域形成和地基處理設(shè)計(jì)過程中，選擇合理、經(jīng)濟(jì)的地基處理方案是兼顧場地工后沉降和工程造價(jià)的關(guān)鍵。

根據(jù)本項(xiàng)目地質(zhì)勘察資料，場地巖土層自上而下依次為①填土(主要為中砂)、②1淤泥、②2淤泥質(zhì)土、②3砂混淤泥(或細(xì)砂)、③黏性土、④中粗砂、④1細(xì)砂，侏羅系基巖層。

結(jié)合規(guī)范要求[4]，確定后方陸域地基處理標(biāo)準(zhǔn)如下：

1)地基處理后交工面處地基承載力特征值不小于150 kPa。

2)地基頂面回彈模量不小于60 MPa。

3)工后沉降不大于25 cm，堆場和道路差異沉降小于0.2%。

2 三維地質(zhì)建模及分析

三維地質(zhì)建模是直觀化、信息化研究場地地質(zhì)信息的基礎(chǔ)。基于Civil 3D平臺建立各地層XML曲面及CSV數(shù)據(jù)庫，在Civil 3D軟件的地質(zhì)模塊中搭建出本工程的三維地質(zhì)模型，見圖1。該模型包含了鉆孔編號、地層名稱、高程等信息，能最大限度地還原場地地質(zhì)情況，并且可以通過快速剖切生成任一想要的斷面，通過輔助設(shè)計(jì)提高設(shè)計(jì)精度；模型中的曲面和實(shí)體還可用于地基處理方案的精確建模和算量。后續(xù)還可以通過添加新的地層曲面數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型的動態(tài)更新，尤其是分階段勘察模式下，隨著錄入更多地鉆孔地層數(shù)據(jù)，不斷提高模型的精度。

圖1 三維地質(zhì)模型

統(tǒng)計(jì)各鉆孔軟土厚度并導(dǎo)入Civil 3D軟件中，創(chuàng)建軟土厚度曲面，添加等值線和厚度等信息，生成場地軟土厚度等值線圖，見圖2。

圖2 場地軟土厚度等值線(單位：m)

地基處理精細(xì)化設(shè)計(jì)以直觀化的三維地質(zhì)模型和軟土厚度等值線圖為基礎(chǔ)，通過對軟土空間分布、平面分布情況的分析，結(jié)合典型鉆孔沉降計(jì)算結(jié)果，制定地基處理方案，細(xì)化平面分區(qū)。另外，基于三維地質(zhì)模型還可以較為精確地確定插打排水板打設(shè)深度、建立開挖模型等[5]。

3 地基處理平面分區(qū)劃分

本工程地基處理的主要對象是原狀軟土層和人工回填砂層。軟土層主要是淤泥和淤泥質(zhì)土，厚0～11.6 m，平均厚度3.5 m，其中軟土厚度小于3.5 m的鉆孔數(shù)量約占50%；人工回填砂層厚度較大，約7.0～12.0 m，主要為中粗砂，含泥量小于10%。

對于軟土層，排水固結(jié)法是最常用的地基處理方式，考慮到場地回填砂層厚度較大，考慮采用以堆載預(yù)壓方案為主的地基處理方法，但鑒于軟土層分布的不均勻性，首先選取不同軟土厚度的典型鉆孔進(jìn)行沉降計(jì)算和分析，然后針對不同厚度的軟土層采取不同的地基處理方案，以期設(shè)計(jì)方案既達(dá)到處理效果要求，又不過度處理。典型鉆孔沉降計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 典型鉆孔沉降計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析，軟土厚度超過2.5 m時，后續(xù)使用期主固結(jié)殘余沉降約為24.7 cm，已接近最大允許工后沉降25.0 cm，考慮到使用期間的次固結(jié)沉降及砂層蠕變等，預(yù)計(jì)會超過25.0 cm，因此按保守考慮，將對軟土層不進(jìn)行地基處理的上限厚度定為2.0 m；同理，軟土厚度超過4.0 m時，后續(xù)使用期主固結(jié)殘余沉降約為18.8 cm，接近最大允許工后沉降25.0 cm，同樣按保守考慮，將對軟土層進(jìn)行插板堆載預(yù)壓的下限厚度定為3.5 m，即軟土厚度超過3.5 m需進(jìn)行插打塑料排水板和堆載預(yù)壓處理。當(dāng)軟土層厚度介于2.0～3.5 m之間時，僅考慮插打塑料排水板，利用回填砂層自重進(jìn)行預(yù)壓，不再增加堆載預(yù)壓，后續(xù)對砂層進(jìn)行強(qiáng)夯密實(shí)也可加速軟土層排水效果。

對于上部回填砂層，主要采取強(qiáng)夯法進(jìn)行密實(shí)，但在與已建建構(gòu)物交界、靠近碼頭和護(hù)岸等對振動作用比較敏感的部位，考慮采用振沖密實(shí)方案。

根據(jù)上述分析，確定地基處理平面分區(qū)原則如下：1)軟土厚度2.0 m以下，強(qiáng)夯或振沖密實(shí)處理；2)軟土厚度2.0～3.5 m范圍，采用插板+強(qiáng)夯/振沖密實(shí)方案；3)軟土厚度3.5 m以上，采用堆載預(yù)壓+強(qiáng)夯/振沖方案。

利用Civil 3D繪制淤泥厚度等值線圖，在平面圖上可以非常直觀地細(xì)化出各地基處理平面分區(qū)，見圖3。

圖3 地基處理平面分區(qū)(單位：m)

4 堆載模型及工程量計(jì)算

本項(xiàng)目場地軟土厚度變化大、分布極不均勻，造成各個堆載分區(qū)邊界轉(zhuǎn)角較多，采用傳統(tǒng)斷面法計(jì)算堆載工程量時，堆載放坡段勢必存在重合、交叉的情況，造成堆載工程量多算的情況，且計(jì)算過程較為繁瑣。在計(jì)算卸載工程量時，大面積堆載區(qū)域中沉降是不均勻的，沉降后的堆載頂面不再是一個平面，采用傳統(tǒng)斷面法計(jì)算時，往往根據(jù)計(jì)算區(qū)域內(nèi)堆載頂面減去各鉆孔的平均沉降量作為沉降后的堆載頂面，但如果計(jì)算區(qū)域內(nèi)鉆孔布置不均勻的情況，勢必造成平均沉降量計(jì)算存在較大的偏差，導(dǎo)致卸載工程量計(jì)算誤差，且同樣面臨計(jì)算過程復(fù)雜、交叉部位計(jì)算精度差的問題。

采用Civil 3D的曲面和放坡等工具，通過考慮場地內(nèi)所有鉆孔的計(jì)算沉降情況，實(shí)際模擬堆載和卸載的過程，并根據(jù)過程中建立的曲面(堆載曲面、沉降曲面等)、三維實(shí)體等數(shù)據(jù)可得到較為準(zhǔn)確的各區(qū)堆載和卸載工程量。其中局部堆載模型見圖4。

圖4 局部堆載模型

堆載模型計(jì)算得到的堆載、卸載工程量與傳統(tǒng)斷面法所得結(jié)果對比見表2。對比2種方法計(jì)算結(jié)果得出：模型計(jì)算結(jié)果比傳統(tǒng)斷面法略偏小，計(jì)算偏差率在2.5%～4.7%，這也符合前述傳統(tǒng)斷面法在轉(zhuǎn)角部位存在重復(fù)導(dǎo)致計(jì)算量偏大的情況。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，可以通過2種方式相互對比驗(yàn)證工程量計(jì)算的準(zhǔn)確性，在確保建模無誤的前提下，采用堆載模型計(jì)算工程量的結(jié)果較為可靠。

表2 堆載、 卸載工程量計(jì)算結(jié)果對比

5 結(jié)語

1)Civil 3D軟件在三維地質(zhì)建模、等值線圖構(gòu)件、快速剖切斷面、土方工程量計(jì)算等方面具有明顯的優(yōu)勢，是一種高效的地基處理精細(xì)化輔助設(shè)計(jì)工具。

2)在Civil 3D平臺中建立的三維地質(zhì)模型可以通過快速剖切生成任一斷面，通過輔助設(shè)計(jì)提高設(shè)計(jì)精度。

3)通過Civil 3D創(chuàng)建堆載實(shí)體模型和沉降曲面，并用于堆載和工程量計(jì)算，比傳統(tǒng)斷面法具有更高的精度，兩者偏差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了堆載模型計(jì)算工程量結(jié)果的可靠性，解決了傳統(tǒng)斷面法存在的計(jì)算過程復(fù)雜、交界部位計(jì)算精度差的問題。

4)后期各鉆孔的沉降計(jì)算結(jié)果亦可以利用Civil 3D的曲面創(chuàng)建形成沉降云圖，云圖中可顯示鉆孔位置及對應(yīng)的工后沉降，比數(shù)字的呈現(xiàn)方式更加直觀。

5)地基處理往往涉及到土石方平衡和調(diào)配，對工程總投資有很大的影響，尤其是堆載預(yù)壓工程，在目前土石方價(jià)格持續(xù)處于高位的階段，堆載料費(fèi)用往往在地基處理造價(jià)中占到較大的比重，甚至關(guān)系到方案的可行與否，精細(xì)化堆載分區(qū)旨在保證滿足處理效果的同時，盡可能較少項(xiàng)目投資，節(jié)約造價(jià)。

6)Civil 3D軟件能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的模型化和可視化，但目前與巖土計(jì)算的結(jié)合還不夠緊密，因此未來將模型與計(jì)算、監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合，提高模型數(shù)據(jù)的流通和利用效率將是必然趨勢。