孫凱強(qiáng)，劉驚灝，蘇 謙，程李娜，牛云彬，李艷東

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

引言

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域重大工程的不斷推進(jìn),建設(shè)難度極大的高邊坡工程也隨之增多。為保證施工和運(yùn)營安全,對高邊坡進(jìn)行自動化健康監(jiān)測已經(jīng)成為趨勢,并已在鐵路、公路、水電等領(lǐng)域的邊坡工程中有大量應(yīng)用[1-5]。針對高邊坡的自動化健康監(jiān)測,通常需要布設(shè)大量傳感器以采集數(shù)據(jù)。當(dāng)前對傳感器的布設(shè)一般采用基于規(guī)范要求與現(xiàn)場實(shí)際情況的主觀布置[6-7]。然而,這種布置方式一方面極易忽視邊坡實(shí)際最不利區(qū)域;另一方面,卻又可能將傳感器集中在邊坡穩(wěn)定區(qū)域,致使耗費(fèi)大量的人力、物力。為解決上述問題,學(xué)者們常以有限元計(jì)算作為主要手段,來分析監(jiān)測對象的最不利位置,為監(jiān)測系統(tǒng)的精細(xì)化布置提供理論依據(jù)。程愛平等對成蘭鐵路路塹邊坡在支護(hù)后的安全性進(jìn)行二維有限元分析,分析了特定斷面處的穩(wěn)定性,并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比[8]。同樣有更多學(xué)者基于二維有限元分析進(jìn)行了類似工作[9-10],但采用二維計(jì)算往往只能對特殊斷面進(jìn)行驗(yàn)算,獲取相應(yīng)斷面處的計(jì)算結(jié)果,指導(dǎo)同一斷面處的監(jiān)測傳感器布置,卻無法保證三維計(jì)算結(jié)果連續(xù)性,從而無法找到最危險(xiǎn)斷面的確切位置;一般地,準(zhǔn)三維檢算是在二維截面基礎(chǔ)上完成拉伸,以實(shí)現(xiàn)三維分析模型的創(chuàng)建,其模型在線路縱向并無實(shí)質(zhì)變化,故計(jì)算結(jié)果無法體現(xiàn)沿線路方向地質(zhì)變化所導(dǎo)致的穩(wěn)定性差異,無法體現(xiàn)出研究區(qū)段內(nèi)的不利情況分布[11-13]。綜上所述,由于邊坡失穩(wěn)為三維空間問題,常用的二維和準(zhǔn)三維分析不一定能夠準(zhǔn)確獲取其最不利位置,因而考慮從有限元模型創(chuàng)建的角度來進(jìn)一步優(yōu)化三維分析模型,以更有效地指導(dǎo)監(jiān)測體系的布置。

BIM技術(shù)憑借強(qiáng)大的幾何造型能力描述結(jié)構(gòu)物幾何形狀,以系統(tǒng)集成化的信息管理手段實(shí)現(xiàn)全生命周期的數(shù)據(jù)流管理,成為了新基建中的數(shù)據(jù)資產(chǎn)載體[14-15]。但其在三維地質(zhì)建模方面功能還并不成熟,導(dǎo)致其在邊坡、隧道等同地質(zhì)情況密切關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性分析應(yīng)用時(shí)存在困難。隨著復(fù)雜地質(zhì)條件下設(shè)計(jì)、施工的深入推進(jìn),傳統(tǒng)二維地質(zhì)成果已經(jīng)不能滿足應(yīng)用需求。GMS、Vulcan、Minexprorer等商業(yè)化三維建模軟件雖具有強(qiáng)大的建模功能,且融合了地質(zhì)專業(yè)分析模塊,但它們同BIM模型之間存在幾何模型轉(zhuǎn)換不精確、非幾何信息無法互通等壁壘,致使高質(zhì)量的地質(zhì)模型無法進(jìn)入BIM工作流程,并造成了數(shù)據(jù)孤島的出現(xiàn)。因此,部分學(xué)者[16-17]基于鉆孔、剖面圖、物探結(jié)果等單一數(shù)據(jù)在BIM環(huán)境中嘗試進(jìn)行建模研究,但其所構(gòu)建地質(zhì)模型精確性仍尚有提升空間。

對此,提出一種基于BIM技術(shù)集成地質(zhì)數(shù)據(jù)融合、Kriging算法數(shù)據(jù)加密和地質(zhì)模型實(shí)體創(chuàng)建全過程的方法,充分?jǐn)U展BIM模型對地質(zhì)信息的表達(dá)能力?；凇耙荒６嘤谩崩砟?將高精度邊坡模型導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行真三維有限元穩(wěn)定性分析,以指導(dǎo)精細(xì)化的健康監(jiān)測方案布置,提升智能監(jiān)測的可靠程度與效率。

1 方法概述

針對上述分析,提出基于BIM環(huán)境創(chuàng)建精細(xì)化三維地質(zhì)模型,并應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性分析中,以更加符合邊坡真實(shí)穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)健康監(jiān)測布點(diǎn)。其總體流程如圖1所示,主要包含以下3個(gè)步驟。

圖1 基于三維地質(zhì)BIM模型優(yōu)化邊坡健康監(jiān)測流程

(1)多元數(shù)據(jù)解析與融合

通過開發(fā)Python算法及優(yōu)化Revit軟件,實(shí)現(xiàn)鉆孔數(shù)據(jù)與剖面數(shù)據(jù)解析,基于空間三維坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配融合,使用Kriging算法完成數(shù)據(jù)加密與柵格化處理。

(2)BIM環(huán)境內(nèi)的三維地質(zhì)模型構(gòu)建

基于Dynamo可視化編程開發(fā)算法,實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)、線、面、體”漸進(jìn)式的地質(zhì)實(shí)體模型創(chuàng)建。

(3)邊坡穩(wěn)定性分析與健康監(jiān)測優(yōu)化

基于精細(xì)化的BIM邊坡地質(zhì)實(shí)體,進(jìn)一步優(yōu)化模型細(xì)節(jié);將BIM模型轉(zhuǎn)換為邊坡穩(wěn)定性分析模型,快速實(shí)現(xiàn)有限元前處理,并通過強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性。

2 基于BIM的多元地質(zhì)數(shù)據(jù)解析與融合

2.1 BIM環(huán)境下地質(zhì)數(shù)據(jù)解析融合流程

經(jīng)地質(zhì)勘察,形成懷化西編組站高邊坡工程地質(zhì)資料,包括但不限于:鉆孔數(shù)據(jù)庫、地質(zhì)橫斷面、平縱斷面圖、巖土性能測試等,并基于勘察資料形成了一系列設(shè)計(jì)資料。本文研究基于Revit提取路基橫斷面設(shè)計(jì)圖資料中的地層分界線信息,融合地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行BIM環(huán)境中的三維地質(zhì)模型創(chuàng)建。

本項(xiàng)目于勘察范圍內(nèi)鉆孔467處,孔深總計(jì)19 191.87 m。鉆孔數(shù)據(jù)描述了鉆孔編號、鉆孔點(diǎn)位的空間坐標(biāo)、鉆孔中各地層性質(zhì)及揭露厚度等信息,由地質(zhì)鉆孔施工直接采集而來,對采樣鉆孔處的地質(zhì)情況給予最準(zhǔn)確的描述。但是,限于其采樣密度,用于三維地質(zhì)建模時(shí),鉆孔點(diǎn)之間的地質(zhì)情況存在不確定性;不同里程處路基橫斷面設(shè)計(jì)圖中的地層分界線,即剖面數(shù)據(jù),是人為對基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,在鉆孔離散數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了各個(gè)斷面處的數(shù)據(jù)擬合。但剖面數(shù)據(jù)無法表達(dá)各斷面之間的地質(zhì)情況。

兩者數(shù)據(jù)表現(xiàn)為異構(gòu)形式數(shù)據(jù),但其在空間坐標(biāo)層面存在明確的關(guān)聯(lián)性,即剖面數(shù)據(jù)雖然以圖片形式呈現(xiàn),其本質(zhì)上是專業(yè)人員在不同斷面上繪制了地層線信息,這些幾何信息在斷面圖內(nèi)存在相互制約關(guān)系。通過確定斷面在三維空間內(nèi)的位置,即可進(jìn)一步推算出各地層分界線控制點(diǎn)在三維空間內(nèi)的具體坐標(biāo)表達(dá),將圖像信息解析轉(zhuǎn)換為點(diǎn)云數(shù)據(jù),其流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)融合整體流程

2.2 數(shù)據(jù)解析與融合實(shí)現(xiàn)

Revit作為使用率極高的BIM軟件,其通過項(xiàng)目基點(diǎn)、項(xiàng)目觀測點(diǎn)及草圖局部空間坐標(biāo)系進(jìn)行復(fù)雜BIM模型的綜合坐標(biāo)體系搭建,能夠?yàn)槠拭鏀?shù)據(jù)與鉆孔數(shù)據(jù)解析融合提供統(tǒng)一空間坐標(biāo)體系。Dynamo是一款用于擴(kuò)展Revit軟件功能的可視化編程工具,其對Revit API所提供的接口進(jìn)行了二次封裝,通過可視化代碼塊將不同函數(shù)、方法進(jìn)行自由組合,以實(shí)現(xiàn)程序化功能。將原本需要用戶采用人機(jī)交互進(jìn)行模型構(gòu)建的方式轉(zhuǎn)化為了使用可視化代碼自動建模,真正實(shí)現(xiàn)BIM模型生成的參數(shù)化、自動化。

采用“點(diǎn)、線、面、體”逐層構(gòu)建的模式生成三維地質(zhì)模型,將剖面數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為空間點(diǎn)數(shù)據(jù),可為后續(xù)建模工作打下基礎(chǔ),以實(shí)例數(shù)據(jù)分析剖面解析與融合的步驟如下。

(1)剖面空間配準(zhǔn)

將地質(zhì)建模區(qū)域附近某一點(diǎn)的空間坐標(biāo)設(shè)置為Revit觀測點(diǎn)坐標(biāo),根據(jù)實(shí)際線路中線控制點(diǎn)三維坐標(biāo)在Revit中繪制線路中線。路基邊坡橫斷面設(shè)計(jì)圖中包含了地質(zhì)分層線,同時(shí)其標(biāo)注了線路中線位置,將其導(dǎo)入Revit中,使其與Revit中的線路中線位置對齊,并垂直于對應(yīng)中線處的法線方向,即可實(shí)現(xiàn)剖面上各個(gè)位置與實(shí)際三維空間定位坐標(biāo)相匹配,如圖3所示,在Revit中基于線路中線導(dǎo)入了懷化西編組站高邊坡GDK1+810～GDK1+890間5個(gè)斷面的路基斷面設(shè)計(jì)CAD圖,其比例尺均為1∶1。

圖3 基于線路中心線的圖層配準(zhǔn)

(2)CAD圖紙解析為BIM內(nèi)線條對象

使用Dynamo中CurvesFromCADLayers節(jié)點(diǎn),此節(jié)點(diǎn)可通過輸入一個(gè)已導(dǎo)入Revit中的CAD圖紙的圖層名進(jìn)行圖紙線段篩選,進(jìn)而將CAD圖紙中的地層分界線轉(zhuǎn)換為Dynamo中可以操作的Curve線。

(3)剖面線關(guān)鍵控制點(diǎn)數(shù)據(jù)提取并導(dǎo)出

使用Curve.PointAtParameter(t)節(jié)點(diǎn),其中t為起點(diǎn)到所獲取點(diǎn)的距離占曲線總長度的百分比,每間隔一定數(shù)值輸入t,間隔值越小則控制點(diǎn)越密集。獲取剖面上各控制點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)及其包含的地質(zhì)信息,即完成剖面數(shù)據(jù)解析,可將解析結(jié)果以.csv格式進(jìn)行存儲。線型解析及控制點(diǎn)解析過程與解析效果如圖4所示。

圖4 剖面線與控制點(diǎn)提取

剖面數(shù)據(jù)經(jīng)上述處理后,即完成了圖片信息向空間三維控制點(diǎn)信息的轉(zhuǎn)換。為實(shí)現(xiàn)空間三維控制點(diǎn)數(shù)據(jù)與地質(zhì)鉆孔csv數(shù)據(jù)的格式統(tǒng)一,將其導(dǎo)出為包含經(jīng)距X、緯距Y、高程Z及控制點(diǎn)所在地層名信息的csv文件。上述兩csv文件進(jìn)行合并,形成由剖面數(shù)據(jù)及鉆孔數(shù)據(jù)聯(lián)合控制的地質(zhì)建模混合數(shù)據(jù),部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。其中,地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)為地質(zhì)勘察鉆孔采樣后,按照建模需要進(jìn)行整理所得。

表1 融合剖面及鉆孔數(shù)據(jù)的部分控制點(diǎn)

3 BIM環(huán)境中三維地質(zhì)模型創(chuàng)建

3.1 地質(zhì)融合數(shù)據(jù)增強(qiáng)

剖面與地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)融合之后,已經(jīng)在數(shù)據(jù)源的層次上實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)建模數(shù)據(jù)的增強(qiáng),但是上述數(shù)據(jù)在各剖面之間的控制點(diǎn)仍較稀疏,具有進(jìn)一步優(yōu)化空間。因此,需要使用空間插值算法對既有數(shù)據(jù)進(jìn)行插值補(bǔ)充,以提升數(shù)據(jù)點(diǎn)密度。

克里金插值法基于變異函數(shù)和結(jié)構(gòu)分析,可以實(shí)現(xiàn)對一定空間范圍內(nèi)未采樣點(diǎn)的取值進(jìn)行無偏最優(yōu)估計(jì),其關(guān)鍵公式如下[18]

(1)

其中,通過變異函數(shù)在無偏性和最小方差等條件約束下計(jì)算得到權(quán)重系數(shù)λi,使得計(jì)算結(jié)果更加符合真實(shí)環(huán)境。

研究者們基于各種假設(shè)條件發(fā)展了不同的克里金算法[19]。在地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)中,認(rèn)為區(qū)域化變量隨機(jī)二階平穩(wěn),即變量的均值是常量,且變量間的協(xié)方差僅與距離有關(guān)。因此,基于Python語言,使用Pykrige庫的OrdinaryKriging模塊搭建普通Kriging插值增強(qiáng)算法,將前文生成的地質(zhì)混合數(shù)據(jù)導(dǎo)入算法之中,以估計(jì)出建模范圍內(nèi)各個(gè)柵格點(diǎn)處高程值,實(shí)現(xiàn)建模數(shù)據(jù)加密與柵格化處理。

3.2 地質(zhì)模型創(chuàng)建

基于Dynamo的地質(zhì)實(shí)體創(chuàng)建,總體流程如圖5所示。

圖5 基于Dynamo的地質(zhì)實(shí)體創(chuàng)建流程

地質(zhì)融合數(shù)據(jù)經(jīng)前文Kriging算法處理后,形成柵格化的空間點(diǎn)陣,采用“點(diǎn)、線、面、體”逐步處理建模數(shù)據(jù),使用Dynamo可視化編程生成地質(zhì)模型實(shí)體,主要有以下幾個(gè)步驟:(1)NurbsCurve對每一列點(diǎn)進(jìn)行擬合生成曲線;(2)將同一層面所有曲線輸入Surface.Byloft節(jié)點(diǎn)中,生成地質(zhì)層面,將表層地層面與某一高程處的投影面進(jìn)行Solid.Byloft處理,即可生成符合地質(zhì)表面形狀但不包含地質(zhì)內(nèi)部分層信息的地質(zhì)實(shí)體;(3)最后使用地質(zhì)體內(nèi)部每一層地質(zhì)層面對地質(zhì)實(shí)體進(jìn)行切割,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)實(shí)體的劃分。

3.3 精細(xì)化邊坡模型創(chuàng)建與分析模型傳遞

在生成地質(zhì)模型基礎(chǔ)上,完成邊坡開挖,并根據(jù)設(shè)計(jì)方案在Revit中利用預(yù)置族庫創(chuàng)建邊坡支護(hù)設(shè)施等模型,具體建模過程不再贅述,如圖6所示。

圖6 精細(xì)化三維地質(zhì)邊坡BIM模型

基于“一模多用”理念,可將BIM模型直接用于邊坡有限元分析[20]。邊坡本體、框架梁、樁板墻等結(jié)構(gòu)可導(dǎo)出為*.sat格式文件,錨桿等受力特性在有限元分析模型可作簡化的模型可提取為起終點(diǎn)坐標(biāo),進(jìn)而在Abaqus中快速實(shí)現(xiàn)模型重建與前處理工作,快速轉(zhuǎn)換為有限元分析模型,模型轉(zhuǎn)換流程如圖7所示。在Revit中,選中實(shí)體單元后,可直接導(dǎo)出相關(guān)模型為*.sat文件;基于Revit API中的模型操作接口,開發(fā)特征點(diǎn)提取算法,提取所選中模型的兩端點(diǎn)截面中心坐標(biāo),并通過代碼操作Excel表,按格式生成*.csv文件。

圖7 BIM模型與有限元分析模型轉(zhuǎn)換流程

生成中間文件后,在ABAQUS中通過導(dǎo)入實(shí)體部件方式,導(dǎo)入*.sat文件;編寫python script腳本,讀取起、終點(diǎn)坐標(biāo)方式創(chuàng)建桿單元,實(shí)現(xiàn)批量生成。模型導(dǎo)入后,可按照有限元分析步驟進(jìn)行部件裝配、材質(zhì)賦予、網(wǎng)格劃分等操作,形成與BIM模型相對應(yīng)的有限元分析模型,如圖8所示。

校長憑借什么領(lǐng)導(dǎo)學(xué)校？對這個(gè)問題，很多校長包括我自己在內(nèi)，都很難準(zhǔn)確回答出來，我們雖然每天都在管理學(xué)校，但很少去認(rèn)真思考，具備哪些能力，校長才是合格的。

圖8 ABAQUS處理的邊坡有限元分析模型

區(qū)別于傳統(tǒng)準(zhǔn)三維有限元模型,上述模型可真實(shí)體現(xiàn)實(shí)際地質(zhì)情況,為計(jì)算出符合工程實(shí)際穩(wěn)定性分布狀態(tài)的結(jié)果與指導(dǎo)健康監(jiān)測方案布置打下基礎(chǔ)。

4 精細(xì)化模型在高邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

4.1 工程背景

渝懷鐵路梅江至懷化段增建第二線引入懷化樞紐工程,其中超高邊坡里程為GDK1+125～GDK2+362,邊坡共14級,垂直最大高度124 m,此邊坡因其建設(shè)在地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū),存在高度大、級數(shù)多、支護(hù)措施復(fù)雜等特點(diǎn),建設(shè)區(qū)段于2020年12月建成投入運(yùn)營。為保障邊坡運(yùn)營期整體穩(wěn)定性,并驗(yàn)證其支護(hù)效果,需對其進(jìn)行系統(tǒng)性的健康監(jiān)測,以掌控其穩(wěn)定性變化情況。

4.2 監(jiān)測方案優(yōu)化

高邊坡區(qū)段巖土性質(zhì)本身較為穩(wěn)定,邊坡坡面以粉質(zhì)黏土為主,下臥砂巖和灰?guī)r,表層的硬塑狀粉質(zhì)黏土相對軟弱,但承載力較高。根據(jù)設(shè)計(jì)資料可知,為了保證巖土體開挖的施工安全,高邊坡全段采用坡面框架梁錨桿、分級設(shè)置寬平臺、重點(diǎn)區(qū)域設(shè)抗滑樁、坡腳樁板墻等多種防護(hù)措施相結(jié)合的方案進(jìn)行加固,經(jīng)二維傳統(tǒng)極限平衡法和有限元極限平衡法檢算,建設(shè)完成后所有斷面邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.422～5.813,整體穩(wěn)定性較佳。

然而,二維斷面的檢算結(jié)果沿線路縱向不具備連續(xù)性,并不能準(zhǔn)確判斷出整體最危險(xiǎn)斷面,為保證自動化監(jiān)測系統(tǒng)可采集最不利位置信息,同時(shí)保證方案經(jīng)濟(jì)性,需針對不利工點(diǎn)建立精細(xì)化BIM模型,進(jìn)行三維有限元計(jì)算,為監(jiān)測方案優(yōu)化提供初步指導(dǎo)。區(qū)段內(nèi)主要包括如下2種不利工況。

(1)超高邊坡

GDK1+810～GDK1+890區(qū)段高邊坡達(dá)到14級,總高度達(dá)124 m,需重點(diǎn)監(jiān)測其運(yùn)營期狀態(tài)。

(2)斷層復(fù)雜地質(zhì)

在GDK2+150附近受盈口斷層影響,區(qū)段內(nèi)地層巖性局部發(fā)生倒轉(zhuǎn),灰?guī)r地層在上,砂巖地層在下部,巖體較破碎,地質(zhì)條件極為復(fù)雜,故是高邊坡中需重點(diǎn)監(jiān)測的區(qū)段。

4.3 有限元分析與監(jiān)測方案布置

按照前文所述精細(xì)化BIM模型構(gòu)建流程,分別構(gòu)建2個(gè)重點(diǎn)區(qū)段BIM模型,并轉(zhuǎn)為有限元分析模型,超高邊坡段模型見圖6、圖8,斷層復(fù)雜地質(zhì)段BIM模型及有限元轉(zhuǎn)換后模型如圖9所示。

圖9 斷層復(fù)雜地質(zhì)BIM模型與有限元分析模型

三維有限元分析可得到邊坡整體安全系數(shù)和潛在滑動面。為判斷出最危險(xiǎn)的斷面,將位移云圖進(jìn)行切片,如圖10所示。14級高邊坡區(qū)段穩(wěn)定性系數(shù)為1.604,由于區(qū)段內(nèi)的巖層較平整,各斷面的邊坡破壞形式相近,故可在最高處即GDK1+850處斷面附近增加監(jiān)測點(diǎn);斷層區(qū)間邊坡失穩(wěn)主體為開挖揭露的泥質(zhì)砂巖,穩(wěn)定性較高(安全系數(shù)為2.048),但弱風(fēng)化的泥質(zhì)砂巖與灰?guī)r的接觸面很不規(guī)則,邊坡易沿著砂巖與灰?guī)r的交界面發(fā)生滑動,可在砂巖較厚的GDK2+110和GDK2+200斷面處加強(qiáng)監(jiān)測。

對高邊坡全段進(jìn)行自動化監(jiān)測系統(tǒng)布置,其典型監(jiān)測設(shè)備布置斷面如圖11所示。高邊坡段(6級)里程編號為GDK1+325～GDK2+225,里程長度總計(jì)900 m,邊坡共14級,垂直最大高度124 m,普通區(qū)段每80 m布置1個(gè)斷面,重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域斷面設(shè)置在有限元分析結(jié)果所確定的最不利斷面處,即GDK1+850、GDK2+110和GDK2+200。

圖11 監(jiān)測方案布設(shè)典型斷面(單位:m)

4.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

上述高邊坡于2020年12月竣工投入運(yùn)營使用,同時(shí)按照前文所提出的自動化健康監(jiān)測方案進(jìn)行監(jiān)測實(shí)施。監(jiān)測至2022年2月,邊坡累計(jì)位移及位移速率均未超過預(yù)警閥值,邊坡安全狀況良好。下文選取超高邊坡區(qū)段及復(fù)雜斷層地質(zhì)區(qū)段,重點(diǎn)分析區(qū)段內(nèi)各最不利斷面監(jiān)測最大累計(jì)位移數(shù)據(jù),如圖12所示。

圖12 最不利區(qū)段現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)

從整體上看,最不利區(qū)段在X方向及Y方向的位移均在±5 mm以內(nèi),最大位移一般發(fā)生在土體淺層位置。邊坡絕大多數(shù)監(jiān)測點(diǎn)處于穩(wěn)定蠕變、減速蠕變甚至是穩(wěn)定波動階段,截止至數(shù)據(jù)分析日期,最不利區(qū)段邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。重點(diǎn)區(qū)域以外監(jiān)測點(diǎn)位,表現(xiàn)形式均與此區(qū)段類似。

其中,GDK2+110斷面一級邊坡深度0 m處的Y方向累計(jì)位移從監(jiān)測開始至今一直處于增加狀況,X方向累計(jì)位移處于波動上升階段,其位移增加緩慢,但暫未呈現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài),需在后期持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測,確保結(jié)構(gòu)物安全。綜合全部監(jiān)測數(shù)據(jù),邊坡累計(jì)位移及單日位移速率均未超過GB50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中所設(shè)限值,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)有限元計(jì)算確定的最不利監(jiān)測斷面累計(jì)位移數(shù)據(jù),大于同區(qū)段內(nèi)其他監(jiān)測斷面。基于精細(xì)化地質(zhì)BIM模型及強(qiáng)度折減法的真三維穩(wěn)定性分析,可以有效地對邊坡監(jiān)測布置進(jìn)行優(yōu)化。

4.5 基于BIM模型的監(jiān)測可視化管理

通過重點(diǎn)區(qū)段監(jiān)測數(shù)據(jù)圖表達(dá)方式可以看出,圖表模式對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)效果不佳,難以展示監(jiān)測體系整體狀態(tài)。因此,基于Cesium引擎,開發(fā)可供監(jiān)測預(yù)警信息可視化的云平臺。將各監(jiān)測設(shè)備的BIM模型放置在邊坡中對應(yīng)位置,并實(shí)現(xiàn)監(jiān)測傳感器模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)連接,以數(shù)據(jù)驅(qū)動模型色彩屬性發(fā)生變化。展示監(jiān)測情況,如圖13所示,所有傳感器均處于綠色(穩(wěn)定)狀態(tài)。若監(jiān)測指標(biāo)超過預(yù)警值,則表現(xiàn)為黃色與紅色。在平臺中對眾多監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化管理,提升了監(jiān)測數(shù)據(jù)的使用效率。

圖13 監(jiān)測BIM模型在云平臺中可視化效果

5 結(jié)語

(1)提出一套在BIM環(huán)境中實(shí)現(xiàn)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)與剖面數(shù)據(jù)的融合方法,在Revit內(nèi)完成剖面數(shù)據(jù)向三維空間控制點(diǎn)數(shù)據(jù)的解析,并基于三維空間坐標(biāo)系配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)剖面與鉆孔數(shù)據(jù)的融合,為多元地質(zhì)數(shù)據(jù)融合提供了新思路。在BIM環(huán)境中引入多元地質(zhì)數(shù)據(jù),為基于BIM技術(shù)的三維地質(zhì)建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)基于Nurbs曲線及曲面建模方法,運(yùn)用“點(diǎn)、線、面、體”模式,漸進(jìn)式流程,實(shí)現(xiàn)在BIM環(huán)境內(nèi)創(chuàng)建三維地質(zhì)模型,所創(chuàng)建的模型分層準(zhǔn)確、過渡均勻。將精細(xì)化的BIM地質(zhì)模型轉(zhuǎn)換為相關(guān)有限元分析模型,有效提高分析模型精度,為邊坡健康監(jiān)測中最不利位置的判釋提供新方法。

(3)基于精細(xì)化BIM地質(zhì)模型,采用強(qiáng)度折減法對懷化西編組站高邊坡2處特殊工況的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,成功提取出邊坡最不利位置,并指導(dǎo)健康監(jiān)測點(diǎn)位布置。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證,該邊坡總體處于穩(wěn)定狀態(tài),且其最不利位置的累積位移普遍大于同區(qū)段一般測點(diǎn),該優(yōu)化監(jiān)測方案布設(shè)合理,拓寬了BIM技術(shù)在指導(dǎo)邊坡健康監(jiān)測方面的應(yīng)用。