基于BIM技术的边坡支护结构微型抗滑桩群设计方法

裴振伟，年廷凯，万 驰，吴 昊，张彦君，张超锋

（1.大连理工大学土木工程学院，辽宁大连 116024；
2.华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310014；
3.中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北武汉 430205；
4.雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都 610051）

滑坡是山区主要的地质灾害类型，每年会造成大量人员伤亡和财产损失［1-2］，滑坡地质灾害应急处置工程具有时间紧、任务重、场地受限等特点。因此通常采用结构轻型、施工快速、扰动小的处置技术，而具备这些特点的微型抗滑桩（群）相比于传统大截面抗滑桩，在滑坡应急处置工程中具有显著优势，是最为常见且行之有效的新型支挡结构之一。

微型抗滑桩一般指长细比大于30，桩径小于300 mm的柔性钻孔灌注桩，其能够充分利用桩-土相互作用及协调变形机制，实现对边（滑）坡体的有效加固［3-6］。微型抗滑桩（群）的设计计算主要采用解析计算与数值模拟的方法，解析计算主要包括类比法、悬臂桩法和等效替代法［7-9］，而模拟计算主要采用有限差分法、有限单元法围绕桩身参数、布桩位置、土拱效应等方面进行研究［10-12］。尽管微型抗滑桩（群）已广泛应用于边坡治理中［13-15］，但设计计算方法目前尚不成熟，不符合微型抗滑桩（群）的受力特征，且计算过程也较为繁琐［16-17］，设计效率不高，因此亟需探索一种便捷高效的适用于边（滑）坡应急治理的微型抗滑桩群设计方法。

BIM（Building Information Modeling，BIM）技术具有强大信息集成功能，将其应用于滑坡地质灾害应急处置与微型抗滑桩群快速设计是行之有效的方法。目前，BIM技术主要应用于基坑、隧道、地下管线等岩土工程问题中，而在边坡治理工程中鲜有涉及［18-20］。鉴于BIM技术能够实现同一管理平台下的信息实时共享，若边（滑）坡处治工程采用该技术，不仅能够进行前期应急抢险方案的快速设计，更能兼顾永久加固工程的设计，以及实现对施工过程的动态调整和边（滑）坡状态的实时监测，提高设计质量与管理水平，实现效益最大化。此外，相较于工程设计传统方式，基于BIM技术的正向设计思路更符合设计人员的逻辑思维模式，可以通过减少不同专业领域协同工作中的差错提高设计方案准确性，并且能够通过自动生成设计与施工图模型减少大量的重复性工作以提高工作效率。因此，基于BIM技术构建集地质模型信息收集、建模分析一体化和支挡结构优化设计的高效设计平台，将是滑坡地质灾害治理工程领域的研究热点。

文中以微型桩群加固边坡为研究对象，采用平面刚架等假设进行微型抗滑桩群的初步设计；
基于BIM技术，二次开发出适用于边坡加固工程中微型桩群设计的程序，并可进行“精细化”真实地形建模在此基础上，衔接BIM结构设计与有限元数值分析，实现边坡或滑坡治理工程中微型抗滑桩群的高效便捷设计。

1.1 微型抗滑桩群设计基本假定

目前，微型抗滑桩群的设计计算主要采用基于单桩极限抗力的简化计算方法或类比大尺寸抗滑桩的解析方法，但不符合具有柔性特征的微型桩的实际受力特征［21］。因此，以工程中常见的“2×3”微型桩群为例进行受力和计算分析（图1），为微型抗滑桩群模拟计算提拱初始设计方案。

微型桩群受到边坡下滑力和桩前土体抗力的作用将产生较大变形，因此对计算模型做如下合理假定：

（1）微型桩群简化为平面刚架结构，分为受荷段与锚固段，桩群嵌固端的边界条件假定为固定端、自由端和铰支3类；

（2）滑坡推力沿桩身呈梯形分布关系［22-23］；

（3）假定各列、各排桩所受到的滑坡推力分布规律一致且已知，其中各列分配系数相同，各排分配系数为1：α1：α2；

（4）忽略微型桩群受荷段转角，将顶板等效为滑动支座［24-27］；

（5）假定各单桩变形基本一致，且滑面处各桩的位移和转角相同；

（6）假定滑坡推力在不同排微型桩之间的分配关系已知。

1.2 微型抗滑桩群受荷段内力计算

图1 微型桩群平面示意图Fig.1 Plane diagram of micro-piles group

受荷段中（图2），单桩受滑坡推力变形，滑动面处产生初始转角（φ0）和初始位移（y0），其中y0不引起结构产生内力，而φ0将使结构仅产生弯矩，当忽略桩群顶板压缩变形的影响时，依据滑面处桩身转角与滑坡推力，求得滑面之上桩体任意截面的内力与变位［28］，以中桩BE为例，B点的弯矩与剪力为：

式中：k为分配系数（根据桩位置分别取1，α1，α2）；
EI为与桩身配筋、截面尺寸相关的抗弯刚度；
MFA为固端弯矩；
M1为初始转角φ0引起结构产生的弯矩；
Δ1为位移法基本未知量；
FFQA为固端剪力，均是φ0、y0的相关参数；
MFA，M1，Δ1，FFQA分别如下式可得：

则距离滑动面处任意距离x（0＜x＜l）的剪力、弯矩如下式：

图2 受荷段受力图Fig.2 Stress diagram of load section

图3 锚固段受力图Fig.3 Stress diagram of anchorage section

1.3 微型抗滑桩群锚固段内力计算

在锚固段中（图3），依据土体性质可获取弹性抗力系数，依据k法（m法）原理，建立挠曲微分方程（式（9））；
通过微分方程的相关求解方法计算锚固段任意截面处的变位和内力［28］，如下所示：

式中：β为桩变形系数；
η1，η2，η3，η4为k法的与x，β相关的影响函数；
Q0为滑面处剪力。

依据滑面下土层性质简化出桩底的边界条件，以桩底固定端为例（桩底无转角与位移），联立方程计算出滑动面处的位移和转角（式（14），式（15））：

采用滑面处桩身的位移、转角参数计算受荷段弯矩和剪力，采用滑面处桩体的弯矩和剪力计算嵌固段位移和转角，联立方程组可得到滑动面处桩体结构的内力与变位，进而计算出整个桩体任意位置的内力。在此基础上，依据桩体材料的强度分析出微型桩群的容许荷载，根据滑坡推力制定初步设计方案。

图4 几何建模流程图Fig.4 Flow chart for establishment of geometric model

基于BIM技术的微型抗滑桩群设计插件，要求具备快速建模的能力，但目前商用BIM平台在建模方面通用性有余而专业性欠佳。因此，借助BIM设计平台—Revit开源的应用程序接口（Application Programming Interface，API）和友好的二次开发环境，编译具有特定功能的快速设计插件，扩展BIM的使用范围。

2.1 微型抗滑桩群设计插件开发流程

采用C#语言对Revit进行二次开发，使用WPF技术完成插件界面编辑和前后台逻辑处理。图4所示为微型抗滑桩群自动化建模插件开发过程中几何建模的完整流程。

插件的运行依赖于Revit项目的族文档，首先需判断当前活动文档是否为族文档以及族模板的合理性。插件运行后，用户从程序界面中输入微型抗滑桩群的各项设计参数，程序后台获取数据后执行一系列建模操作，最后生成模型实例并导入Revit项目中。

自动化建模最重要的步骤是为模型添加参数，族参数（Family Parameter）是族文档的核心，用于驱动项目的参数化设计。在微型桩抗滑桩群自动化建模插件的开发中有2类为模型添加材质的方法—基于系统材质库赋值给构件材料属性和创建自定义材料参数。系统材质库能满足大多数的需求，使用前需将目标材质从Revit数据库过滤出来。为了能够对微型桩群结构进行计算，还需获取桩体材料抗压强度、剪切强度和杨氏模量等，可以在系统材质满足需求的情况下，提取材质参数信息，获取步骤如下：

（1）根据材质ID获取材质对象；

（2）获取材质AppearanceAssetID属性；

（3）提取出AppearanceAssetElement属性；

（4）进一步提取出PropertySetElement属性；

（5）遍历PropertySetElement属性，提取材质信息中的物理参数数据。

2.2 微型抗滑桩群建模设计

依据初始设计方案对微型抗滑桩群进行快速建模，以六桩单元的微型抗滑桩群的设计为例，将设计参数输入自动化建模插件界面（图5），执行强度计算，即程序后台从输入参数中获取数据并根据前文中的解析法计算单桩和桩群单元的强度和容许荷载，作为桩群初步选型设计参考；
执行生成功能，程序从系统材质库获取材质并给模型赋予材质及桩群的各项族参数，采用后台逻辑取代手动计算和参数重复设置的方法，大大提高了效率（图6）。

图5 微型抗滑桩群族自动生成工具界面Fig.5 Tool interface for automatic generation of micro-piles group

图6 自动化工具建模的建模成果和桩群参数信息Fig.6 Modeling results of automatic tool modeling and pile group parameter information

2.3 地质建模与模型转换

微型桩（群）的数值模拟计算主要是对坡体与桩体相互作用进行模拟及对设计方案验证优化。因此，采用真实地层数据进行边坡精细化建模，是微型桩群设计应用的基础。在Revit中，包含地层信息的形体建模功能比较单一，在处理复杂空间曲面类结构方面，其建模功能难以达到预期效果，因此，利用边坡典型断面图数据，结合Revit API开发出三维地质建模插件，实现对复杂地形边坡的建模。

Revit API提供的处理空间曲面的相应算法如下：

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

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

通过封闭轮廓间的放样融合，插值计算融合后的集合体的曲面轮廓，创建空间曲面，模拟真实的土层分界面（图7）。

Revit软件缺少有限元计算软件的接口，无法直接进行微型抗滑桩群加固边坡有限元分析。需开发涉及数据格式转换的接口，进行数据提取与分析，故将Revit模型导出为ACIS（.STA）文件作为中转文件，再将其导入到ABAQUS有限元软件，对转换模型进行网格划分（图8）。采用中转文件的办法同样能实现微型桩群模型向有限元模型的转化。

图7 Revit创建的边坡地质模型Fig.7 Geological model of slope created by Revit

图8 边坡地质模型转化为ABAQUS模型Fig.8 Transformation of slope geological model to ABAQUS model

前文对微型桩群的计算方法做了说明并针对BIM建模做二次开发，本节以广巴高速某路堑边坡治理案例为例，遵循BIM设计思路，利用微型抗滑桩群建模插件及数值计算对边坡进行加固设计。

3.1 工程概况

广巴高速公路某路堑边坡，位于四川省东北部旺苍县一山地剥蚀构造区，地貌陡缓不均，边坡下层岩土体为侏罗系中统沙溪庙组粉砂质泥岩J2s，坡体为含有角砾的低液限黏土Q4，边坡表层为崩坡积和洪积物。考虑路基面标高和路线设计，需挖方150 m形成路堑边坡，路基面设计宽24.5 m，路面标高为500～502 m，最大开挖深度为11.9 m，岩土材料参数如表1所示。采用微型抗滑桩群对该路堑边坡进行加固，加固断面如图9所示，微型桩群布设于开挖平台处。

表1 岩土体材料参数Table 1 Geotechnical material parameters

图9 微型抗滑桩加固边坡断面Fig.9 Section of slope reinforced by micro-piles group

采用传递系数法将边坡滑体分为若干土条，计算该边坡在设计安全系数为1.35情况下各土条的下滑力与抗滑力。如图10所示设桩位置的滑坡推力约为350 kN/m。

图10 传递系数法计算滑坡推力Fig.10 Calculation of landslide thrust by transfer coefficient method

图11 微型抗滑桩群族自动生成工具界面Fig.11 Interface for automatic generation of micro-piles group

3.2 加固设计方案

根据滑坡推力进行初步设计，当采用3×3承台式微型桩群的布设方式，沿道路走向每间隔6 m布置微型

图12 自动化工具建模成果和桩群参数Fig.12 Automatic tool modeling results and pile group parameter

图13 边坡及微型抗滑桩有限元模型Fig.13 Finite element model of slope and micro-piles group

图14 边坡最大位移云图Fig.14 The maximum displacement cloud map of slope

图15 边坡安全系数计算Fig.15 Calculation of slope safety factor

抗滑桩群加固单元，单桩桩径0.15 m，桩群内列桩间距为0.5 m，排间距为0.8 m，桩长为15 m，嵌固段桩长为7 m，桩内加筋体为3根直径32 mm的HRB400螺纹钢，桩顶与使用C30混凝土浇筑而成的刚性承台连结，截面尺寸为1.5 m×2 m×0.4 m。使用二次开发的Revit插件对微型桩群进行建模，如图11和图12所示。

对于岩土层复杂的边坡，使用二次开发的空间曲面外部命令提取剖面数据点，融合生成可模拟真实地层分界面的边坡体模型，将其导入ABAQUS并划分四面体网格，如图13所示。

3.3 边坡数值分析

采用强度折减法计算微型桩加固后的边坡整体稳定性，边坡体和抗滑桩的参数均按前文所述参数取值，微型抗滑桩单桩弹性模量为钢筋混凝土弯曲刚度相同时的等效弹性模量，取32 GPa，泊松比取0.3。边坡的最大位移云图如图14所示。提取边坡表面特征节点的位移数据，得出折减系数与节点位移的变化关系（图15）。

折减系数增加至1.16时，桩后坡体特征点的位移没有明显变化，桩前坡体上特征点的位移产生突变，坡体发生失稳，即可得此加固方案条件下边坡安全系数为1.16，此时微型抗滑桩的应力应变云图如图16所示，经过计算，微型抗滑桩群单元内单桩（中桩）的弯矩与剪力如图17所示。

微型桩群单元内各排桩的弯矩随深度变化规律基本一致，最大弯矩处位于桩顶，桩底由于边界条件设定为铰支的缘故，弯矩为零；
微型桩所受到的剪力有较大差别，第一排桩的峰值剪力最大，第二排峰值剪力最小，最大幅值相差一倍，各桩的峰值剪力处均位于滑面附近。弯矩与剪力结果上的差异，反映出微型抗滑桩群设计时需要重点考虑单桩抗剪切上的差异。

图16 微型抗滑桩的应力与应变Fig.16 Stress and strain of micro-piles

图17 微型抗滑桩的弯矩与剪力Fig.17 Bending moment and shear force of micro-piles

3.4 修正设计

《建筑边坡工程技术规范》［29］中对安全等级为一级的边坡做出规定：Fst≥1.35。采用初步加固方案后边坡的安全系数提高到1.2，但仍无法满足《建筑边坡工程技术规范》对边坡安全系数的要求，因此，需对加固方案进行修正设计。在不改变桩群间距的前提下增大桩径，增加筋体材料：微型抗滑桩群间距6 m，每单元由3×3根微型抗滑桩组成，桩径增加至200 mm，桩间距增加至为0.6 m，排距增加至为0.8 m，桩长15 m不变，桩内加筋体为5根直径32 mm的HRB400螺纹钢，桩顶使用C30混凝土浇筑而成的刚性承台连结，截面尺寸为1.8 m×2.2 m×0.5 m。

图18 修正方案下加固边坡稳定性安全系数Fig.18 Slope safety factor under the modified scheme

重复建模、文件中转、网格划分、稳定性分析等流程，采用强度折减法对边坡加固模型进行有限元计算。修正方案下的折减系数如图18所示。随着折减系数的增大，桩后坡体上特征节点A的位移变化不明显，桩前坡体上的特征节点B、C、D的位移在折减系数约为1.4时发生突变。可以认为此时坡体的安全系数为1.4，达到《规范》中对一类边坡安全系数的要求，说明增大桩径方案可有效增强坡体稳定性。经过重复参数化建模与试算，可高效率完成对微型抗滑桩群的设计计算。

（1）基于RevitAPI对微型抗滑桩群自定义快速参数化建模插件进行开发，实现微型桩群结构在BIM平台上快速自定义建模以及复杂地层分界面的模拟，并将适用于微型抗滑桩群内力计算的公式整合进建模插件，为BIM模型赋值相关力学参数，为工程设计提供了理论支撑，大大降低设计过程中试算的工作量。

（2）采用中转文件的办法将真实边坡模型转化为有限元模型，建立了BIM设计方法与有限元数值分析的内在联系。

（3）以广川高速一路堑边坡为例，基于BIM平台与有限元模拟，对具有复杂分界面的工程边坡进行建模、导入，并进行反复试算完成微型抗滑桩群设计计算，为边坡加固提供合理的桩群设计方案。

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