基于BIM技術的邊坡支護結構微型抗滑樁群設計方法

裴振偉，年廷凱，萬 馳，吳 昊，張彥君，張超鋒

（1.大連理工大學土木工程學院，遼寧大連 116024；2.華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州 310014；3.中國地質調查局武漢地質調查中心，湖北武漢 430205；4.雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都 610051）

引言

滑坡是山區主要的地質災害類型，每年會造成大量人員傷亡和財產損失［1-2］，滑坡地質災害應急處置工程具有時間緊、任務重、場地受限等特點。因此通常采用結構輕型、施工快速、擾動小的處置技術，而具備這些特點的微型抗滑樁（群）相比于傳統大截面抗滑樁，在滑坡應急處置工程中具有顯著優勢，是最為常見且行之有效的新型支擋結構之一。

微型抗滑樁一般指長細比大于30，樁徑小于300 mm的柔性鉆孔灌注樁，其能夠充分利用樁-土相互作用及協調變形機制，實現對邊（滑）坡體的有效加固［3-6］。微型抗滑樁（群）的設計計算主要采用解析計算與數值模擬的方法，解析計算主要包括類比法、懸臂樁法和等效替代法［7-9］，而模擬計算主要采用有限差分法、有限單元法圍繞樁身參數、布樁位置、土拱效應等方面進行研究［10-12］。盡管微型抗滑樁（群）已廣泛應用于邊坡治理中［13-15］，但設計計算方法目前尚不成熟，不符合微型抗滑樁（群）的受力特征，且計算過程也較為繁瑣［16-17］，設計效率不高，因此亟需探索一種便捷高效的適用于邊（滑）坡應急治理的微型抗滑樁群設計方法。

BIM（Building Information Modeling，BIM）技術具有強大信息集成功能，將其應用于滑坡地質災害應急處置與微型抗滑樁群快速設計是行之有效的方法。目前，BIM技術主要應用于基坑、隧道、地下管線等巖土工程問題中，而在邊坡治理工程中鮮有涉及［18-20］。鑒于BIM技術能夠實現同一管理平臺下的信息實時共享，若邊（滑）坡處治工程采用該技術，不僅能夠進行前期應急搶險方案的快速設計，更能兼顧永久加固工程的設計，以及實現對施工過程的動態調整和邊（滑）坡狀態的實時監測，提高設計質量與管理水平，實現效益最大化。此外，相較于工程設計傳統方式，基于BIM技術的正向設計思路更符合設計人員的邏輯思維模式，可以通過減少不同專業領域協同工作中的差錯提高設計方案準確性，并且能夠通過自動生成設計與施工圖模型減少大量的重復性工作以提高工作效率。因此，基于BIM技術構建集地質模型信息收集、建模分析一體化和支擋結構優化設計的高效設計平臺，將是滑坡地質災害治理工程領域的研究熱點。

文中以微型樁群加固邊坡為研究對象，采用平面剛架等假設進行微型抗滑樁群的初步設計；基于BIM技術，二次開發出適用于邊坡加固工程中微型樁群設計的程序，并可進行“精細化”真實地形建模在此基礎上，銜接BIM結構設計與有限元數值分析，實現邊坡或滑坡治理工程中微型抗滑樁群的高效便捷設計。

1 微型抗滑樁群設計計算

1.1 微型抗滑樁群設計基本假定

目前，微型抗滑樁群的設計計算主要采用基于單樁極限抗力的簡化計算方法或類比大尺寸抗滑樁的解析方法，但不符合具有柔性特征的微型樁的實際受力特征［21］。因此，以工程中常見的“2×3”微型樁群為例進行受力和計算分析（圖1），為微型抗滑樁群模擬計算提拱初始設計方案。

微型樁群受到邊坡下滑力和樁前土體抗力的作用將產生較大變形，因此對計算模型做如下合理假定：

（1）微型樁群簡化為平面剛架結構，分為受荷段與錨固段，樁群嵌固端的邊界條件假定為固定端、自由端和鉸支3類；

（2）滑坡推力沿樁身呈梯形分布關系［22-23］；

（3）假定各列、各排樁所受到的滑坡推力分布規律一致且已知，其中各列分配系數相同，各排分配系數為1：α1：α2；

（4）忽略微型樁群受荷段轉角，將頂板等效為滑動支座［24-27］；

（5）假定各單樁變形基本一致，且滑面處各樁的位移和轉角相同；

（6）假定滑坡推力在不同排微型樁之間的分配關系已知。

1.2 微型抗滑樁群受荷段內力計算

圖1 微型樁群平面示意圖Fig.1 Plane diagram of micro-piles group

受荷段中（圖2），單樁受滑坡推力變形，滑動面處產生初始轉角（φ0）和初始位移（y0），其中y0不引起結構產生內力，而φ0將使結構僅產生彎矩，當忽略樁群頂板壓縮變形的影響時，依據滑面處樁身轉角與滑坡推力，求得滑面之上樁體任意截面的內力與變位［28］，以中樁BE為例，B點的彎矩與剪力為：

式中：k為分配系數（根據樁位置分別取1，α1，α2）；EI為與樁身配筋、截面尺寸相關的抗彎剛度；MFA為固端彎矩；M1為初始轉角φ0引起結構產生的彎矩；Δ1為位移法基本未知量；FFQA為固端剪力，均是φ0、y0的相關參數；MFA，M1，Δ1，FFQA分別如下式可得：

則距離滑動面處任意距離x（0＜x＜l）的剪力、彎矩如下式：

圖2 受荷段受力圖Fig.2 Stress diagram of load section

圖3 錨固段受力圖Fig.3 Stress diagram of anchorage section

1.3 微型抗滑樁群錨固段內力計算

在錨固段中（圖3），依據土體性質可獲取彈性抗力系數，依據k法（m法）原理，建立撓曲微分方程（式（9））；通過微分方程的相關求解方法計算錨固段任意截面處的變位和內力［28］，如下所示：

式中：β為樁變形系數；η1，η2，η3，η4為k法的與x，β相關的影響函數；Q0為滑面處剪力。

依據滑面下土層性質簡化出樁底的邊界條件，以樁底固定端為例（樁底無轉角與位移），聯立方程計算出滑動面處的位移和轉角（式（14），式（15））：

采用滑面處樁身的位移、轉角參數計算受荷段彎矩和剪力，采用滑面處樁體的彎矩和剪力計算嵌固段位移和轉角，聯立方程組可得到滑動面處樁體結構的內力與變位，進而計算出整個樁體任意位置的內力。在此基礎上，依據樁體材料的強度分析出微型樁群的容許荷載，根據滑坡推力制定初步設計方案。

2 基于BIM技術的微型樁群插件開發

圖4 幾何建模流程圖Fig.4 Flow chart for establishment of geometric model

基于BIM技術的微型抗滑樁群設計插件，要求具備快速建模的能力，但目前商用BIM平臺在建模方面通用性有余而專業性欠佳。因此，借助BIM設計平臺—Revit開源的應用程序接口（Application Programming Interface，API）和友好的二次開發環境，編譯具有特定功能的快速設計插件，擴展BIM的使用范圍。

2.1 微型抗滑樁群設計插件開發流程

采用C#語言對Revit進行二次開發，使用WPF技術完成插件界面編輯和前后臺邏輯處理。圖4所示為微型抗滑樁群自動化建模插件開發過程中幾何建模的完整流程。

插件的運行依賴于Revit項目的族文檔，首先需判斷當前活動文檔是否為族文檔以及族模板的合理性。插件運行后，用戶從程序界面中輸入微型抗滑樁群的各項設計參數，程序后臺獲取數據后執行一系列建模操作，最后生成模型實例并導入Revit項目中。

自動化建模最重要的步驟是為模型添加參數，族參數（Family Parameter）是族文檔的核心，用于驅動項目的參數化設計。在微型樁抗滑樁群自動化建模插件的開發中有2類為模型添加材質的方法—基于系統材質庫賦值給構件材料屬性和創建自定義材料參數。系統材質庫能滿足大多數的需求，使用前需將目標材質從Revit數據庫過濾出來。為了能夠對微型樁群結構進行計算，還需獲取樁體材料抗壓強度、剪切強度和楊氏模量等，可以在系統材質滿足需求的情況下，提取材質參數信息，獲取步驟如下：

（1）根據材質ID獲取材質對象；

（2）獲取材質AppearanceAssetID屬性；

（3）提取出AppearanceAssetElement屬性；

（4）進一步提取出PropertySetElement屬性；

（5）遍歷PropertySetElement屬性，提取材質信息中的物理參數數據。

2.2 微型抗滑樁群建模設計

依據初始設計方案對微型抗滑樁群進行快速建模，以六樁單元的微型抗滑樁群的設計為例，將設計參數輸入自動化建模插件界面（圖5），執行強度計算，即程序后臺從輸入參數中獲取數據并根據前文中的解析法計算單樁和樁群單元的強度和容許荷載，作為樁群初步選型設計參考；執行生成功能，程序從系統材質庫獲取材質并給模型賦予材質及樁群的各項族參數，采用后臺邏輯取代手動計算和參數重復設置的方法，大大提高了效率（圖6）。

圖5 微型抗滑樁群族自動生成工具界面Fig.5 Tool interface for automatic generation of micro-piles group

圖6 自動化工具建模的建模成果和樁群參數信息Fig.6 Modeling results of automatic tool modeling and pile group parameter information

2.3 地質建模與模型轉換

微型樁（群）的數值模擬計算主要是對坡體與樁體相互作用進行模擬及對設計方案驗證優化。因此，采用真實地層數據進行邊坡精細化建模，是微型樁群設計應用的基礎。在Revit中，包含地層信息的形體建模功能比較單一，在處理復雜空間曲面類結構方面，其建模功能難以達到預期效果，因此，利用邊坡典型斷面圖數據，結合Revit API開發出三維地質建模插件，實現對復雜地形邊坡的建模。

Revit API提供的處理空間曲面的相應算法如下：

（1）Form NewFormByCap（bool isSolid，Referen-ceArray profile）；

（2）Form NewLoftForm（bool isSolid，ReferenceA-rrayArray profiles）。

通過封閉輪廓間的放樣融合，插值計算融合后的集合體的曲面輪廓，創建空間曲面，模擬真實的土層分界面（圖7）。

Revit軟件缺少有限元計算軟件的接口，無法直接進行微型抗滑樁群加固邊坡有限元分析。需開發涉及數據格式轉換的接口，進行數據提取與分析，故將Revit模型導出為ACIS（.STA）文件作為中轉文件，再將其導入到ABAQUS有限元軟件，對轉換模型進行網格劃分（圖8）。采用中轉文件的辦法同樣能實現微型樁群模型向有限元模型的轉化。

圖7 Revit創建的邊坡地質模型Fig.7 Geological model of slope created by Revit

圖8 邊坡地質模型轉化為ABAQUS模型Fig.8 Transformation of slope geological model to ABAQUS model

3 案例分析

前文對微型樁群的計算方法做了說明并針對BIM建模做二次開發，本節以廣巴高速某路塹邊坡治理案例為例，遵循BIM設計思路，利用微型抗滑樁群建模插件及數值計算對邊坡進行加固設計。

3.1 工程概況

廣巴高速公路某路塹邊坡，位于四川省東北部旺蒼縣一山地剝蝕構造區，地貌陡緩不均，邊坡下層巖土體為侏羅系中統沙溪廟組粉砂質泥巖J2s，坡體為含有角礫的低液限黏土Q4，邊坡表層為崩坡積和洪積物。考慮路基面標高和路線設計，需挖方150 m形成路塹邊坡，路基面設計寬24.5 m，路面標高為500～502 m，最大開挖深度為11.9 m，巖土材料參數如表1所示。采用微型抗滑樁群對該路塹邊坡進行加固，加固斷面如圖9所示，微型樁群布設于開挖平臺處。

表1 巖土體材料參數Table 1 Geotechnical material parameters

圖9 微型抗滑樁加固邊坡斷面Fig.9 Section of slope reinforced by micro-piles group

采用傳遞系數法將邊坡滑體分為若干土條，計算該邊坡在設計安全系數為1.35情況下各土條的下滑力與抗滑力。如圖10所示設樁位置的滑坡推力約為350 kN/m。

圖10 傳遞系數法計算滑坡推力Fig.10 Calculation of landslide thrust by transfer coefficient method

圖11 微型抗滑樁群族自動生成工具界面Fig.11 Interface for automatic generation of micro-piles group

3.2 加固設計方案

根據滑坡推力進行初步設計，當采用3×3承臺式微型樁群的布設方式，沿道路走向每間隔6 m布置微型

圖12 自動化工具建模成果和樁群參數Fig.12 Automatic tool modeling results and pile group parameter

圖13 邊坡及微型抗滑樁有限元模型Fig.13 Finite element model of slope and micro-piles group

圖14 邊坡最大位移云圖Fig.14 The maximum displacement cloud map of slope

圖15 邊坡安全系數計算Fig.15 Calculation of slope safety factor

抗滑樁群加固單元，單樁樁徑0.15 m，樁群內列樁間距為0.5 m，排間距為0.8 m，樁長為15 m，嵌固段樁長為7 m，樁內加筋體為3根直徑32 mm的HRB400螺紋鋼，樁頂與使用C30混凝土澆筑而成的剛性承臺連結，截面尺寸為1.5 m×2 m×0.4 m。使用二次開發的Revit插件對微型樁群進行建模，如圖11和圖12所示。

對于巖土層復雜的邊坡，使用二次開發的空間曲面外部命令提取剖面數據點，融合生成可模擬真實地層分界面的邊坡體模型，將其導入ABAQUS并劃分四面體網格，如圖13所示。

3.3 邊坡數值分析

采用強度折減法計算微型樁加固后的邊坡整體穩定性，邊坡體和抗滑樁的參數均按前文所述參數取值，微型抗滑樁單樁彈性模量為鋼筋混凝土彎曲剛度相同時的等效彈性模量，取32 GPa，泊松比取0.3。邊坡的最大位移云圖如圖14所示。提取邊坡表面特征節點的位移數據，得出折減系數與節點位移的變化關系（圖15）。

折減系數增加至1.16時，樁后坡體特征點的位移沒有明顯變化，樁前坡體上特征點的位移產生突變，坡體發生失穩，即可得此加固方案條件下邊坡安全系數為1.16，此時微型抗滑樁的應力應變云圖如圖16所示，經過計算，微型抗滑樁群單元內單樁（中樁）的彎矩與剪力如圖17所示。

微型樁群單元內各排樁的彎矩隨深度變化規律基本一致，最大彎矩處位于樁頂，樁底由于邊界條件設定為鉸支的緣故，彎矩為零；微型樁所受到的剪力有較大差別，第一排樁的峰值剪力最大，第二排峰值剪力最小，最大幅值相差一倍，各樁的峰值剪力處均位于滑面附近。彎矩與剪力結果上的差異，反映出微型抗滑樁群設計時需要重點考慮單樁抗剪切上的差異。

圖16 微型抗滑樁的應力與應變Fig.16 Stress and strain of micro-piles

圖17 微型抗滑樁的彎矩與剪力Fig.17 Bending moment and shear force of micro-piles

3.4 修正設計

《建筑邊坡工程技術規范》［29］中對安全等級為一級的邊坡做出規定：Fst≥1.35。采用初步加固方案后邊坡的安全系數提高到1.2，但仍無法滿足《建筑邊坡工程技術規范》對邊坡安全系數的要求，因此，需對加固方案進行修正設計。在不改變樁群間距的前提下增大樁徑，增加筋體材料：微型抗滑樁群間距6 m，每單元由3×3根微型抗滑樁組成，樁徑增加至200 mm，樁間距增加至為0.6 m，排距增加至為0.8 m，樁長15 m不變，樁內加筋體為5根直徑32 mm的HRB400螺紋鋼，樁頂使用C30混凝土澆筑而成的剛性承臺連結，截面尺寸為1.8 m×2.2 m×0.5 m。

圖18 修正方案下加固邊坡穩定性安全系數Fig.18 Slope safety factor under the modified scheme

重復建模、文件中轉、網格劃分、穩定性分析等流程，采用強度折減法對邊坡加固模型進行有限元計算。修正方案下的折減系數如圖18所示。隨著折減系數的增大，樁后坡體上特征節點A的位移變化不明顯，樁前坡體上的特征節點B、C、D的位移在折減系數約為1.4時發生突變。可以認為此時坡體的安全系數為1.4，達到《規范》中對一類邊坡安全系數的要求，說明增大樁徑方案可有效增強坡體穩定性。經過重復參數化建模與試算，可高效率完成對微型抗滑樁群的設計計算。

4 結論

（1）基于RevitAPI對微型抗滑樁群自定義快速參數化建模插件進行開發，實現微型樁群結構在BIM平臺上快速自定義建模以及復雜地層分界面的模擬，并將適用于微型抗滑樁群內力計算的公式整合進建模插件，為BIM模型賦值相關力學參數，為工程設計提供了理論支撐，大大降低設計過程中試算的工作量。

（2）采用中轉文件的辦法將真實邊坡模型轉化為有限元模型，建立了BIM設計方法與有限元數值分析的內在聯系。

（3）以廣川高速一路塹邊坡為例，基于BIM平臺與有限元模擬，對具有復雜分界面的工程邊坡進行建模、導入，并進行反復試算完成微型抗滑樁群設計計算，為邊坡加固提供合理的樁群設計方案。