CAD技术、三维建模在深基坑大孔径嵌岩桩施工现场管理中的应用

沈汉东1 陈维理2

1.珠海市建筑设计院监理部；2.珠海城市开发监理有限公司

摘要：随着计算机技术的迅猛发展，CAD技术、三维建模已广泛运用国民经济的各个领域，在建筑工程领域使用CAD技术、三维建模对工程监管和施工指导发挥了重要的作用。

关键词：三维建模；大孔径嵌岩桩；深基坑

本文介绍笔者在深基坑项目施工中使用CAD技术、三维建模对工程监管和施工的具体指导作用。

一、项目概况

本项目是一集办公、住宅、商业于一体的综合性建筑群，用地面积15146㎡，总建筑面积79638㎡（地上面积：56536 ㎡；地下面积：23102㎡），包括办公楼A座、B座、住宅A座、B座等，地上建筑最高层数38层，高度为166m，地下室4层，平均开挖深度19.5m，局部挖深达25m。

本工程办公楼A座采用冲击成孔灌注桩基础，桩基施工于地下室土方开挖前，从室外自然地面开始施打，预留18m空桩，从-19.5m开始灌注钢筋砼实桩，桩承台厚度2.8m，局部承台加厚为5.9 ～6.9m，结构采用现浇钢筋砼框筒结构，部分柱采用型钢砼柱；住宅楼 A 座、B 座采用天然地基筏板基础，筏板厚度分别为1.3m～1.8m，采用现浇钢筋砼框架剪力墙结构；办公楼B及裙房采用天然地基柱下独立基础，现浇钢筋砼框架结构。

地下室施工为土方大开挖，基坑长度124m，宽度45～65m，平均挖深19m，土方量约为130000 m3。其支护形式为：基坑周边采用259条D=1200@1400平均桩长约26m的旋挖灌注桩，桩间加D=800@1400平均长度约22m的三重管高压旋喷桩作为止水帷幕，坑内由31条钢立柱和4道钢筋砼水平支撑梁、3道腰梁及1道压顶冠梁组成的内支撑体系。

上述工程概况的描述，对现场施工管理人员和施工人员依然不能形成三维空间概念，用于保证施工安全的支护体系到底是个什么样子？基坑支护体系与主体工程桩和大承台几何尺寸、建筑标高是怎样的关系？哪些因素是施工过程中应重点监控的？利用现有CAD软件的三维建模功能和设计单位提供的CAD施工图建立三维动画，对解决各种疑问无疑提供了一个非常直观的方法。（下面的几张附图是三维建模中使用的基本素材和动画截屏）

二、使用CAD三维图对49桩大承台施打大孔径工程桩的标高控制

随着高层、超高层建筑的日益增多，大孔径嵌岩桩因其竖向承载力特征值大被广泛的应用于建筑工程之中，本工程属超高层建筑，主楼地上38层，地下4层，根据建筑物自重大的特点，所以选用了竖向承载力大的大孔径嵌岩桩49条和平均厚度2.8m的大承台（36m×17m）来承受上部荷载。该承台位于主楼的核心筒部位，且布置了直下负四层的生活电梯和消防电梯共6部，本工程超高层生活电梯的缓冲井道为3.1m、消防电梯的缓冲井道兼集水井坑深为4.1m，这样承台底部就有相对2.8m标高加深3.1m和加深4.1m的坑中坑。

鉴于49桩大承台基底的多种标高和大孔径嵌岩工程桩的具体施工特点以及大孔径嵌岩工程桩的受力特点，所以，本工程多桩大承台施工中控制大孔径嵌岩工程桩桩顶标高就显得十分重要。

、大孔径嵌岩工程桩的施工特点：由于地下室土方开挖后基坑内支护形式采用了钢筋砼内支撑体系，基坑内纵横交错的钢筋砼内支撑梁和钢立柱组成了立体空间支撑体系，如果大孔径嵌岩工程桩的施工设备在基坑底内支撑体系中施工，第一，受场地所限，设备无法回转，约30%的桩位施工设备无法就位；第二，受成樁工艺所限，施打过程中，基底土层必然受到护壁泥浆和桩孔溢出的孔隙水所破坏；第三，受大孔径嵌岩工程桩桩位与支撑体系钢立柱柱位距离所限，冲孔施工振动会严重威胁内支撑的安全，进而影响整个基坑的施工安全。所以，大孔径嵌岩工程桩必须在地下室土方开挖前自然地面之上施打；

、大孔径嵌岩工程桩的受力特点：根据广东省《建筑地基基础设计规范》DBJ15-31-2003规定：大孔径嵌岩桩单桩的竖向承载力特征值Ra的确定由以下三部分组成，桩周土总侧阻力Rsa、嵌岩段桩总侧阻力Rra、嵌岩段桩总端阻力Rpa。即 Ra=Rsa+Rra+Rpa 其中：Rsa=u∑qsiali；Rra=uC2 frc hr；Rpa=C1frcAp，式中frc=μ-1.645σ（u为桩周长，qsia为第i层土的侧阻力，li为第i层土中的桩长，C1、C2 为系数，frc 岩石饱和单轴抗压强度标准值，hr为桩身嵌岩深度，Ap为桩端截面积，μ为岩石单轴极限抗压强度平均值，σ为岩石极限抗压强度标准差。）从上述计算公式可以看出，桩的竖向承载力特征值Ra与li（第i层土中的桩长）和hr（桩身嵌岩深度）密切相关。

以本工程为例，工程桩施工过程中要求工程桩进入中风化3.5m，有效桩长控制11m～14m，按特例推演，当工程桩满足“进入中风化3.5m”要求，即可认为：公式 Ra=Rsa+Rra+Rpa 中的后两项 Rra和Rpa为定值，影响桩的竖向承载力特征值Ra的主要因素则为桩周土总侧阻力Rsa，从本工程地质报告给出的表-1、表-2数据不难看出，工程桩有效长度除保证3.5m桩长在中风化岩内以外，其余有效桩长均在⑤号粘性土、⑥号强风化岩土层内。

表-1

层号 土类名称 层厚（m） 重度（kN/m3） 浮重度（kN/m3） 粘聚力（kPa） 内摩擦角（度）

1 杂填土 3.30 18.0 8.0 10.00 10.00

2 淤泥 3.20 16.0 6.0 6.00 4.00

3 砾砂 1.10 18.0 8.0 5.00 25.00

4 粘性土 5.90 18.5 8.5 21.50 24.00

5 粘性土 6.20 18.5 8.5 23.50 24.00

6 强风化岩 10.00 20.0 10.0 35.00 25.00

表-2

层号 摩擦阻力（kPa） 粘聚力水下（kPa） 内摩擦角水下（度） m，c，K值 抗剪强度（kPa）

1 30.0 10.00 10.00 2.00 50.00

2 20.0 6.00 4.00 0.52 50.00

3 100.0 5.00 25.00 10.50 50.00

4 75.0 21.50 24.50 11.70 50.00

5 80.0 23.50 24.00 11.47 50.00

6 80.0 35.00 25.00 13.50 50.00

从49桩大筏板三维图可以看出，如果工程桩施工时，对三个标高控制不好，错把35、42、49、56、63号桩的桩顶标高按28号桩的桩顶标高控制，则工程桩的实际竖向承载力和理论计算的竖向承载力会产生偏差，按公式：Rsa=u∑qsiali计算，查表2，则⑤号粘性土、⑥号强风化岩的qsia均为80（kPa），竖向承载力的偏差约为：3.14×1.2×80×（3.1～4.1）=935～1236（kN），若按本工程“单桩竖向承载力特征值为9800（kN）”计，则单桩竖向承载力特征值会下降10%～13%，这将会严重影响工程桩的使用安全，给整个建筑带来安全隐患。基于上述考虑，在本工程的施工监管过程中，在工程桩施打前，利用CAD技术、三维建模初步确定桩顶标高，同时也就确定了空桩、实桩桩长，对后续工序，如实桩和空桩的钢筋笼绑扎长度、工程桩检测声测管和后注浆工艺注浆管布设长度、工程桩砼运输和浇筑方量的确定都起到非常直观的指导作用。同時也降低了因施工管理人员和施工人员对图纸理解的偏差给工程造成隐患和损失的几率。

（由于4-3岩层距施工面较薄，且与强风化岩层4-2交界，故在施工中采用机械凿岩方式开挖，从而避免了爆破施工对岩基的挠动，避免了爆破对基坑周边建筑物安全的影响。）（图中深色的岩层即为三维图中描述的中风化岩层4-3）

三、结束语

本文主要讲述了CAD三维图技术的特点，通过此特点对深基坑大孔径嵌岩桩施工过程进行相结合，展现了CAD三维建模技术的在工程深基坑工程设计施工时的可行性优势，为深基坑大孔径嵌岩桩工程提供了有价值的参考。

参考文献：

[1]邢广君，周志琦.CAD三维建模技术在渐变段模板设计中的应用[J].黄河水利职业技术学院学报，2014（2）：95-96.

[2]于翠芳，于春战.三维CAD建模技术在工程图学中的应用[J].煤炭技术，2012（1）：52-53.

[3]林伟健.基于CAD三维技术的《工程制图》课堂教学设计[J].产业与科技论坛，2013（3）：28-29.