地質資料管理在地基基礎設計中的應用

黃建城，徐 昆，王少寧，任治軍，黃小玲

(中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102)

地質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場地地基土的分布規律和設計參數等內容，是地基基礎設計的重要依據。采用PKPM結構分析軟件的JCCAD模塊進行地基沉降計算時，需要提供勘探點平面布置圖、工程地質剖面圖、地質柱狀圖、勘測報告，并手工輸入建筑物場地各勘探點的平面坐標、土層標高和各個土層的巖土設計參數等信息。由于這種做法費時費力，設計人員通常僅輸入幾個典型的勘探孔數據進行地基基礎計算，導致計算結果與實際不符。

隨著巖土工程勘測系統(簡稱GESSED系統)的投入使用，巖土工程專業在工程項目的標準化、流程化、信息化、協同設計等方面的工作效率均得到了大幅提升。為了將GESSED系統的地質數據準確、有效地提供給結構專業，同時兼顧外單位提供的勘測報告及試樁資料的數據采集、管理和查詢，并按PKPM結構分析軟件的要求生成地基基礎設計所需要的地質資料數據文件(*.dz，簡稱DZ文件)，筆者自主研發了地質資料管理系統GIMS。

本文從系統總體架構設計出發，闡述了地質資料管理系統的功能需求及其實現，以期為實現巖土工程專業與結構專業的數據交互與集成應用提供新的思路。

1 系統架構及數據可移植性

地質資料管理系統采用面向對象和模塊化的設計方法，根據用戶的功能需求采用不同模塊，降低程序復雜度，便于系統設計和實現。本著“高內聚，低耦合”的原則，系統采用三層客戶機/服務器(C/S)架構，由邏輯上相互獨立的表示層(User Interface Layer)、業務邏輯層(Business Logic Layer)和數據訪問層(Data Access Layer)組成，見圖1。表示層通過用戶界面顯示信息，接受用戶業務請求和返回數據結果；業務邏輯層是系統架構的核心，處理數據業務邏輯，調用數據訪問層對數據庫進行操作；數據訪問層與數據庫直接進行交互，完成數據的查找、增加、修改和刪除等操作。

圖1 三層C/S架構

本系統采用.NET框架中的NHibernate作為數據訪問層的底層持久框架，實現面向對象框架到傳統關系數據庫的映射。通過NHibernate實現數據訪問層對關系數據庫進行映射，使關系數據庫的變化不會影響源代碼，應用程序無須知道關系數據庫的模式，甚至不必知道數據庫中所存儲的對象，從而實現了數據訪問的重用性、靈活性和可移植性。

2 系統功能需求

將GESSED系統輸出的XML地質數據文件按工程項目導入地質資料數據庫，或將非XML格式的地質數據文件通過窗體界面按工程項目交互錄入地質資料數據庫，采用數據庫對地質數據進行分階段(初勘、試樁、詳勘階段)、分區域(如主廠房區域、輸煤系統區域、化學水區域等)存儲管理，能按權限編輯/查詢勘探點地質數據，能自動生成該區域的勘探孔平面布置圖、地質剖面圖、巖土設計參數取用表，能自動生成采用JCCAD進行地基基礎設計所需要的DZ文件。

3 系統功能實現

地質資料管理系統以64位Windows 7專業版為操作平臺，基于.NET Framework 4.5采用C#語言在Visual Studio 2010平臺上開發，后臺數據庫管理系統采用SQL Server 2008。該系統的主要功能模塊包括后臺管理、工程管理、地質數據采集、內業整理、成果管理等。

3.1 后臺管理

系統提供了崗位管理、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計簽署權相關的設計人、校核人、主設人、專業審核人等成員管理，這些信息可通過對接我公司的生產管理信息系統EMIS獲取，也可通過本系統交互輸入、修改；角色管理是指專業數據管理員、工程數據管理員、普通用戶等成員管理與功能授權；巖土管理是指維護勘探點巖土名稱與JCCAD巖土編碼的映射關系，若勘探點巖土名稱沒有對應的JCCAD編碼時，可由系統管理員在此指定相應的巖土編碼。

默認情況下，專業數據管理員負責工程新建/修改/關閉/啟用/刪除、工程數據管理員指定，以及后臺管理；工程數據管理員負責工程卷冊執行人指定、XML地質數據文件導入、巖土提資文件掛接(用于保存巖土專業提資文件)、巖土參數查詢/交互錄入、勘探孔管理、巖土設計參數表管理、卷冊巖土設計參數表指定；普通用戶負責工程地質剖面管理、CAD自動繪圖(包括勘探點平面布置圖、工程地質剖面圖)、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，實現了工程新建/修改/關閉/啟用/刪除、工程組成員(包括工程數據管理員、工程卷冊執行人)指定、XML地質數據文件導入，以及巖土提資文件掛接等功能。其中，XML地質數據文件可由GESSED系統自動生成，內容包括工程編號和工程名稱、勘探點編號和平面坐標、土層序號和名稱、土層標高、巖土設計參數等。

3.3 地質數據采集

3.3.1 地質數據

在地質數據子模塊中，若已導入巖土專業提供的XML地質數據文件，則可以直接查看巖土設計參數。這些參數包括含水率、重力密度、孔隙比、液限、塑性指標、液性指標、滲透系數、壓縮系數、壓縮模量、黏聚力、內摩擦角、單軸抗壓強度、標貫擊數、地基承載力特征值、樁的極限側阻力標準值和極限端阻力標準值等。對于外單位提供的非XML格式的地質數據文件或勘測報告，可以通過窗體界面按工程項目交互錄入巖土設計參數，也可以在Excel中將數據整理好直接復制粘貼到窗體界面，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，可以根據需要選擇按勘測區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地質數據文件導入的勘探孔基本信息，包括勘探孔號、勘探孔類型、坐標、孔口高程、勘探孔深、設計水位、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 內業整理

3.4.1 參數表管理

從XML地質數據文件導入的巖土設計參數值有可能不完整，工程數據管理員可在參數表管理子模塊中根據DZ文件的數據需求補全缺失的巖土設計參數值；DZ文件所需要的建筑物±0.00對應的地質資料標高也在此設定；另外，還可根據場地平整情況插入或取消回填土層，并設定相應的巖土設計參數。編輯調整好土層分布和巖土設計參數后，可生成巖土設計參數取用表。

3.4.2 參數表指定

系統可按卷冊所處的勘測區段分別指定相應的巖土設計參數取用表。

3.5 成果管理

3.5.1 地質剖面管理

在地質剖面管理子模塊中，可以根據地基基礎設計需要新增、修改、刪除、自定義工程地質剖面，而不必拘泥于巖土專業提供的工程地質剖面。系統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行點選或框選；三是從后側列表點選勘探孔。

3.5.2 CAD自動成圖

系統可以自動生成勘探點平面布置圖和工程地質剖面圖。勘測報告中最核心的“三圖一表”都可以在系統中進行查詢、展示和使用，設計人員可以不用再去翻閱紙質的勘測報告獲取相關的巖土數據。

3.5.3 DZ文件管理

DZ文件管理界面。在該界面中，可以進行地平高程設置、設計參數指定和生成DZ文件。地基土層的壓縮模量、黏聚力、內摩擦角等參數在巖土設計參數取用表中一般有多個參數值，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的參數值。其中，地基土層的壓縮模量是地基變形計算重要的參數，該參數值的選取與壓力段范圍有關，應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的壓縮模量。黏聚力、內摩擦角的選擇，應根據場地土層的結構構造、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。完成了參數表指定、地平高程設置、設計參數指定后，只需要在CAD界面中選擇與地基基礎設計相關的勘探點，系統便可自動生成DZ文件。

4 工程實例

某2×400 MW燃機熱電聯產工程的汽機房、燃機房樁基整體沉降采用兩種方式進行：一種假定地基土層均勻分布，在樁基周圍布置數個典型勘探點進行沉降計算，見圖3，這也是目前設計人員常用的計算方法；另一種是采用地質資料管理系統自動生成的DZ文件導入JCCAD生成的完整勘探點地質模型進行沉降計算，見圖4。典型勘探點的沉降計算結果、完整勘探點的沉降計算結果見圖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果

圖6 完整勘探點的沉降計算結果

從計算結果來看，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果顯示沉降峰值發生在廠房的四個邊角，但完整勘探點的計算結果顯示沉降峰值發生在廠房中下部。可見，如果地基土層起伏較大或存在大量的透鏡體夾層，采用典型勘探點進行沉降計算誤差較大。

5 結論

本文從系統總體架構設計出發，闡述了地質資料管理系統的功能需求及其實現。通過樁基整體沉降計算的工程實例對系統自動生成的DZ文件進行了驗證。通過研究，可以得出以下結論：

(1)系統采用.NET框架中的NHibernate作為數據訪問層的底層持久框架，實現了面向對象框架到傳統關系數據庫的映射。

(2)系統實現了以工程項目為核心的地質數據采集、管理和查詢，將傳統的專業間的文檔資料互提變為結構化數據集成交互。

(3)系統自動生成的地質資料數據文件可直接用于地基基礎沉降計算，提高了地基基礎設計的質量和效率。