基于Civil 3D平臺的欽州港大欖坪港區地基處理精細化設計

喬 梁，廖晨彥，高 寧，萬浩然

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

Civil 3D是AUTODESK公司研發的一款用于3D建模的軟件[1]，是面向土木工程設計的建筑信息模型(BIM)解決方案。目前廣泛應用于勘測、場地平整設計、道路建模、土石方計算等土木工程領域，具有實時性強、關聯性好、準確性高的特點。

李家華等[2]利用Civil 3D建立了某大型填海工程的三維地質模型，可以快速創建地質剖面圖，并實現模型的任意剖切，用于輔助設計。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算，實現模擬堆載和卸載的過程，并根據建立的曲面和實體等數據得到較為準確的各區堆載和卸載工程量。

對于軟土厚薄不一、分布不均的軟土地基，精細化方案設計和工程量計算一直是一個難點，采用保守型的地基處理方案勢必造成投資的浪費，Civil 3D軟件在三維地質和實體建模等方面具有建?？焖?、計算精確等優勢，是一種地基處理精細化設計的有效工具。本文以欽州港大欖坪港區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算結果，細化地基處理分區，并計算堆載和卸載工程量，計算結果更加精細、準確。

1 項目背景

欽州港大欖坪港區自動化碼頭工程9#、10#泊位位于欽州保稅港區內的南端，建設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地帶、自動化集裝箱堆場及港區道路、預留堆場發展區和生產輔助區。

根據地形測量資料，場地可分為已回填區(陸域)和未回填區(水域)2個部分，已回填區面積約38.0萬 m2，未回填區面積約25.2萬 m2。根據鉆孔資料揭示，陸域軟土層時空分布不均勻。從時間上看，已回填和未回填區由于回填時間相差數年，導致軟土層前期固結壓力不一致，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，在進行場地大面積陸域形成和地基處理設計過程中，選擇合理、經濟的地基處理方案是兼顧場地工后沉降和工程造價的關鍵。

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

結合規范要求[4]，確定后方陸域地基處理標準如下：

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 三維地質建模及分析

三維地質建模是直觀化、信息化研究場地地質信息的基礎?；贑ivil 3D平臺建立各地層XML曲面及CSV數據庫，在Civil 3D軟件的地質模塊中搭建出本工程的三維地質模型，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，通過輔助設計提高設計精度；模型中的曲面和實體還可用于地基處理方案的精確建模和算量。后續還可以通過添加新的地層曲面數據，實現地質模型的動態更新，尤其是分階段勘察模式下，隨著錄入更多地鉆孔地層數據，不斷提高模型的精度。

圖1 三維地質模型

統計各鉆孔軟土厚度并導入Civil 3D軟件中，創建軟土厚度曲面，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)

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

3 地基處理平面分區劃分

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行沉降計算和分析，然后針對不同厚度的軟土層采取不同的地基處理方案，以期設計方案既達到處理效果要求，又不過度處理。典型鉆孔沉降計算結果見表1。

表1 典型鉆孔沉降計算結果

根據表1數據分析，軟土厚度超過2.5 m時，后續使用期主固結殘余沉降約為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沉降及砂層蠕變等，預計會超過25.0 cm，因此按保守考慮，將對軟土層不進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，后續使用期主固結殘余沉降約為18.8 cm，接近最大允許工后沉降25.0 cm，同樣按保守考慮，將對軟土層進行插板堆載預壓的下限厚度定為3.5 m，即軟土厚度超過3.5 m需進行插打塑料排水板和堆載預壓處理。當軟土層厚度介于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行預壓，不再增加堆載預壓，后續對砂層進行強夯密實也可加速軟土層排水效果。

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

根據上述分析，確定地基處理平面分區原則如下：1)軟土厚度2.0 m以下，強夯或振沖密實處理；2)軟土厚度2.0～3.5 m范圍，采用插板+強夯/振沖密實方案；3)軟土厚度3.5 m以上，采用堆載預壓+強夯/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化出各地基處理平面分區，見圖3。

圖3 地基處理平面分區(單位：m)

4 堆載模型及工程量計算

本項目場地軟土厚度變化大、分布極不均勻，造成各個堆載分區邊界轉角較多，采用傳統斷面法計算堆載工程量時，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，且計算過程較為繁瑣。在計算卸載工程量時，大面積堆載區域中沉降是不均勻的，沉降后的堆載頂面不再是一個平面，采用傳統斷面法計算時，往往根據計算區域內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，但如果計算區域內鉆孔布置不均勻的情況，勢必造成平均沉降量計算存在較大的偏差，導致卸載工程量計算誤差，且同樣面臨計算過程復雜、交叉部位計算精度差的問題。

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

圖4 局部堆載模型

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

表2 堆載、 卸載工程量計算結果對比

5 結語

1)Civil 3D軟件在三維地質建模、等值線圖構件、快速剖切斷面、土方工程量計算等方面具有明顯的優勢，是一種高效的地基處理精細化輔助設計工具。

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

3)通過Civil 3D創建堆載實體模型和沉降曲面，并用于堆載和工程量計算，比傳統斷面法具有更高的精度，兩者偏差在5%以內，驗證了堆載模型計算工程量結果的可靠性，解決了傳統斷面法存在的計算過程復雜、交界部位計算精度差的問題。

4)后期各鉆孔的沉降計算結果亦可以利用Civil 3D的曲面創建形成沉降云圖，云圖中可顯示鉆孔位置及對應的工后沉降，比數字的呈現方式更加直觀。

5)地基處理往往涉及到土石方平衡和調配，對工程總投資有很大的影響，尤其是堆載預壓工程，在目前土石方價格持續處于高位的階段，堆載料費用往往在地基處理造價中占到較大的比重，甚至關系到方案的可行與否，精細化堆載分區旨在保證滿足處理效果的同時，盡可能較少項目投資，節約造價。

6)Civil 3D軟件能夠實現數據信息的模型化和可視化，但目前與巖土計算的結合還不夠緊密，因此未來將模型與計算、監測數據相結合，提高模型數據的流通和利用效率將是必然趨勢。