基于Civil3d的桩基参考长度精确动态计算及可视化研究

关键字：Civil 3d; 桩基础；参考长度；持力层；高差调整；动态计算；可视化

前言

桩支承于坚硬的（基岩、密实的卵砾石层）或较硬的（硬塑粘性土、中密砂等）持力层，具有很高的竖向单桩承载力或群桩承载力，足以承担建筑的全部竖向荷载（包括偏心荷载）。桩基础施工是土木结构施工的先行过程，桩长的确定对施工至关重要，然而，施工图纸中一般只会明确持力层、嵌岩深度、桩顶标高、刚性角等要求，并不会明确桩长，需施工方自行深化设计。传统的桩长确定方法需大量繁复的计算，耗时耗力，且存在精度缺陷，动态关联性较差等问题。Civil 3D 是专门为土木工程开发的软件，其不但包含了 AutoCAD 的全部内容，而且增加了很多土木工程行业的专业功能，具有较强的专业性和针对性。它为土木工程提供了更为出色的测量、设计、分析及文档处理解决方案。通过文档自动更新功能，让使用该软件的工作人员能更快、更高质量地完成设计及施工相关文件，使用人员的工作效率得以显著提高。

1 确定桩基参考长度方法对比

传统做法的繁复之处在于持力层在桩心处的确定和刚性角调整。桩心点的持力层标高确定一般采用插值法和划区域法。插值法利用桩心点在两个勘探点的位置，按距离比例计算高差，从而得出桩心点在持力层的标高，计算结果人为因素干扰较大，且计算量大，在桩数量大时，尤其耗时，出错率高。划区域法是某一区域内所有桩都参照一个地勘孔的中风化标高，适用于基岩面坡度不大，较为平整的中风化岩层，不具普适性，且人为因素影响大。相邻基础间高差调整的传统做法则是从标高最低的桩开始发散逐次计算验证调整，不断迭代，费时费力。

利用Civil 3d 确定桩长的关键步骤是确定持力层曲面，根据软件生成曲面的方式和施工图提供的数据信息特点，提取持力层曲面所需数据，再将基础图合进持力层曲面，提取桩心坐标在持力层的标高，进一步根据嵌岩深度要求初步确定桩底标高，最后根据最小桩长、刚性角及装配筋要求精细调整桩长，完成深化设计。

图 1 Civil 3d 确定桩长的关键步骤

2 应用案例

2.1 项目概况

实际应用项目为某住宅小区，占地面积约67344 平方米，建筑面积约13.7 万平方米（地上约 10.1 万平方米，地下约 3.6 万平方米），本工程基础形式采用独立基础、机械成孔桩、筏形基础及墙下条形基础。桩基327 根，桩身直径 5m 不等，设计对桩长要求如下：

1.本工程基础持力层为中风化泥岩

2.总桩长按“桩配筋大样”所示确定，且 >5.0m

3.相邻基础间、基础与挡墙间高差处理分别如图2、图3 所示。

图2 相邻基础间高差处理图3 基础与挡墙间高差处理

施工图中未明确给出桩长，需结合地勘资料和设计要求进行深化设计，本项目布置地质勘探点 470 个，各勘探点间距在之间，桩间间距，根据单个勘探点确定出的桩基参考长度精度较低，经分析，本文决定采用Civil 3d 结合EXCEL 宏计算综合确立桩基参考长度。

2.2 数据准备

利用地勘报告中“勘探点数据一览表”，剔除不必要数据，留下钻孔坐标 X、Y、持力层中风化泥岩顶高程三列，并删除标签行，即构成持力层点文件源数据，将数据导出为逗号分隔的.CSV 格式，存为文件“持力层.csv”。

从 CAD 图纸中导出桩心坐标信息，留下桩心 X 坐标、桩心 Y 坐标两列，构成桩心定位源数据，存为“桩心定位.csv“

生成持力层曲面

Civil 3d 中曲面分为两种类型，三角网曲面和栅格曲面。栅格曲面在地形平坦的地方，存在大量的数据冗余，在不改变栅格大小情况下，难以表达复杂地形的突变现象。三角网曲面使用不规则三角网（TIN）来模拟真实地形，能随地形起伏变化的复杂性而改变采样点的密度和决定采样点的位置，能够避免地形起伏平坦时的数据冗余，又能按地形特征点如山脊、山谷线，地形变化线等表示数字高程特征。本项目位于山区，红线内地形较为复杂，采用三角网曲面。

打开Civil 3d，点击“创建曲面”，创建名为“持力层“的空曲面，在浏览菜单中选择“曲面”选项卡下拉菜单中持力层“定义”，选中“点文件“，”将”持力层.csv”添加到曲面定义，如图4 所示，即生成持力层三角网曲面，高程分析热力图如图 5，高程范围与探勘数据图6 吻合且无尖点出现，曲面正确。以用地红线作为曲面边界进行约束后，地块内持力层高程分析如图7 所示，图8 为持力层三维视图，可以形象展示持力层的高低起伏变化。

图4 创建持力层曲面

图5 持力层曲面高程分析图

图6 勘孔高程原始数据统计图

图7 红线范围内持力层高程分析图8 持力层三维视图

图2.3 初步确定桩底标高

初步获取桩底标高即获取桩心平面坐标在持力层曲面的高程信息，在 Civil 3d 工具栏中选择“插入“，点击”从文件导入点“，由于软件预设没有符合要求的点文件格式，此处需新建点文件格式，编辑相关参数，加载“桩心定位.csv”解析正确后点击确定，如图9 所示。

编辑完点文件格式后，选定“桩心坐标.csv”，勾选“将点添加到点编组”，新建点编组“桩自编号”，点击确定，即生成带桩自编号的桩心定位，将持力层显示样式调整为边界和等高线模式，如图10 所示。

图10 桩自编号图

选择点编组“桩自编号”所有点，右键选择“从曲面获取高程”，然后选择曲面“持力层”，即得到所有桩的持力层标高，查看点编组特性可统计所有桩的持力层标高，如图 11、图 12所示。右键点编组“桩自编号”选择导出点，生成带桩自编号、桩心 X 坐标、桩心 Y 坐标、持力层标高四列信息的EXCEL 表格，命名为“桩信息表”。

图11 获取桩持力层标高图12 桩持力层标高统计

2.4 调整最小长度

将表 1 所示“桩信息表”根据图纸补充桩顶标高、平场标高、嵌岩深度三列，计算出孔底标高和预估孔深，编辑最小桩长条件函数自动调整不满足最小桩长条件的桩长值，得到调整孔深，继而计算出调整孔底标高。

H=H 平场-H 孔底

其中， H_∓↓↓∗ 为孔底标高， H_PP 为持力层标高，h 嵌岩为嵌岩深度，H 为预估孔深， H_∗∗ 为平场标高，H 孔底为孔底标高。

表1 初始桩信息表

2.5 调整相邻基础间高差

将桩心 X 坐标、桩心 Y 坐标、调整孔底标高三列去掉标签行导出为“高差调整.csv”文件，在Civl 3d 生成新曲面“高差调整”。如图13。

图13 曲面“高差调整”

右键曲面“高差调整”选择“曲面特性”，选择“分析”，分析类型为坡度，用默认梯度阶数方案可查看曲面的最小最大坡度，因为桩基高差只调整角度大于 45^∘ 的桩，即识别角度45°以上的相邻桩即可，所以修改设置范围编号为 2，临界坡度为 100%，最后设置相应坡度梯度颜色，点击确定，如图13 所示。调整曲面显示样式，打开坡度显示，红色区域为角度大于45°三角网，三角网定点即为需调整的桩长，识别能力快捷形象直观，如图14 所示。

图14 坡度分析设置

图15 坡度识别结果

在识别出需调整区域，即红色部分，标注出相邻桩间坡度，水平距离和高差，坡度正负号表示方向，分析需调整的桩，视情况调整幅度。以图 15 区域为例，需要调整的桩为 138、139，标注两桩高程，优先调整较高者 139 号，编辑曲面“高程调整”，选择修改点修改高程后，曲面动态变化，标注的坡度、水平距离、高差、高程和坡度分析也动态变化，直观验证调整是否合理。选中139 号点，将高程修改为300.5 米，坡度动态变化，小于 100% ，即调整完成。当某些桩调整至合理角度后，所在三角网仍表现为坡度在 100%以上的红色，是因为坡度分析包含三角网所在面任意方向的坡度，若存在桩心连线方向以外的大于 100%坡度，仍表现为红色，此时只需观察桩心连线的坡度标注符合要求即可，如图 19（a）、（b）、（c）、（d）局部放大图和（e）整体图所示。