CN110866294B - 一种用于岩溶区桥梁桩基设计的辅助分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于岩溶区桥梁桩基设计的辅助分析系统，主要用于实现对岩溶区拟建桥梁区域的物探、钻探、调查、设计等信息的综合分析，帮助确定桥梁建设时的桩长。本发明在开发配套软件时拟采用C/S架构对整个系统进行功能实现，基于AutoCAD平台进行二次开发，系统架构主要分为交互层、功能逻辑层、模型算法层、数据管理层四部分。本发明利用DirectX绘制溶洞形态，应用到岩溶区桥梁桩基设计辅助问题中；在AutoCAD中计算虚拟钻孔，通过数据库中的信息计算虚拟钻孔在地形图中的坐标及深度，同时在CAD图像对应位置画出虚拟钻孔，有利于溶洞形态的绘制，帮助确定桥梁桩长，具有重要的现实意义。

Description

一种用于岩溶区桥梁桩基设计的辅助分析系统

技术领域

本发明属于桥梁桩基设计技术领域，具体设计一种用于岩溶区桥梁桩基设计的辅助分析系统。

背景技术

随着岩溶区大批高速公路及桥梁工程的兴建，工程中将会遇到一系列的岩溶工程地质问题。岩溶地区具有复杂的地质情况，岩溶作用使地下完整的岩石结构遭到破坏、岩体的强度降低且渗透性增强，大大增强了岩溶地区发生大范围地面塌陷、地基不均匀沉降、岩溶地下水突袭的可能性，容易造成安全隐患，对工程建设和安全运营造成不利影响，因此在岩溶区桥梁桩基设计之初对溶区桥梁桩基进行全面地质勘察至关重要。

适用于高速公路及桥梁工程的桥梁桩基建设的岩土工程勘察常用技术有钻探技术和地球物理勘探技术两类：

钻探是目前在工程勘探领域使用最为广泛的一种勘探技术，勘察过程中不受地质条件及地形的限制，具有勘察精度高、深度大、效率高等优点，但其对岩溶区地质情况的勘察准确性大大降低，虽然增加钻探孔的数量可以有效地解决这一问题，但随着钻探孔数量的增加，勘察成本也在不断增加。

地球物理勘探(物探)技术是通过运用专门的勘察仪器来勘探各种地质中物理场的分布情况，并对勘察所得数据进行分析，具有勘探效率高、设备轻便、适用范围广、勘察密度范围大、数据量大的优点，但其在勘测过程中容易受到非勘察对象的干扰产生多个分析结果，所以在使用地球物理勘探的过程中应将勘测的多个数据进行反复对比分析，最终获得正确的地质勘察结论。

目前，利用钻探、物探等综合勘察手段已经广泛应用于公路工程和桥梁工程之中并多有报道，其中《广东省岩溶区桥梁桩基设计，吴满、李锐枫、朱海春；交通世界，2018年第31期94-95》一文中公开了清远市清西大桥及接线工程桥梁桩基勘察设计思路，项目采用了钻探+物探综合勘察方法，勘察出溶洞洞高0.5～38.0m，部分桥梁线岩溶率达到88.4％，并对项目中岩溶区桩基进行了逐桩设计，提出了摩擦-端承复核桩设计，建议岩溶地区嵌岩桩以端承摩擦型桩为主，其端承李和侧摩阻力都占较大比重，可保证桩基设计有足够安全系数的同时最大限度减少桩基施工风险；单桩改群桩避免穿越溶洞，建议当基岩埋深较深、基岩下溶洞发育强烈，桩端没有较好的持力层，可采用摩擦型群桩；桩底在透水层或者持力层较破碎等桩基础采用了桩底压浆处理，在提高了桩基承载力安全系数的同时，因避免穿越溶洞有效减短了设计桩长。该文中利用了详细的地质勘察基础资料并进行了逐桩设计，但是在设计过程中缺乏利用勘探资料对岩溶区溶洞形态的分析，提出的溶洞处置办法、施工工艺和桩基入岩深度难有针对性。

《岩溶强发育区桥梁基础设计研究，谢珲、王德华；铁道标准设计，2013年第6期76-80》一文中公开了南广铁路桂肇段的桥梁根据岩溶地基的不同特点对持力层的稳定性进行数学分析，选择合理的基础类型和岩溶处理措施，确保了桥梁基础安全，同时避免出现施工安全问题，保证施工顺利进行，使工程投资和工期可控。文中对南广铁路典型岩溶发育区桥梁的地基特点进行了统计，并按线岩溶率对岩溶发育程度和地基稳定性进行了评价，提出应根据地基稳定性评价、岩溶发育形态、上覆土层性质、桥墩荷载等诸多因素综合考虑桩基设计，并根据基础类型、岩溶形态、持力层情况等确定岩溶处理辅助措施，估算岩溶处理费用；该文论述了岩溶区岩溶发育的大致划分、基础类型的选择和持力层稳定性分析，但是缺乏对岩溶形态的直观刻画，需要设计人员拥有良好的岩溶知识、丰富经验和判断能力，无疑对设计人员是一种考验。

综上所述，当桥梁基桩不可避免地要跨越岩溶地区时，其涉及的关键问题就是如何确定合理的基础类型和桩长，桩长过长将极大增加施工难度，并直接影响工程进度及工程造价；而由于下伏溶洞的存在，桩长过短是否满足承载力要求及基桩安全要求，亦是工程设计人员必须考虑的问题。因此，实现一个岩溶区桥梁桩基设计辅助软件，对岩溶区拟建桥梁区域的物探、钻探、调查、设计等信息的综合分析，帮助确定桥梁桩长，具有重要的现实意义。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种用于岩溶区桥梁桩基设计的辅助分析系统，能够实现对岩溶区拟建桥梁区域的物探、钻探、调查、设计等信息的综合分析，帮助确定桥梁建设时的桩长。

一种用于岩溶区桥梁桩基设计的辅助分析系统，包括交互层、功能逻辑层、模型算法层以及数据管理层，其中：

所述数据管理层用于对岩溶区桥梁桩基设计所涉及的数据、图表进行统一分类并集中在数据库存储管理；

所述模型算法层包含了桩长计算、三维建模以及数据接口的应用程序；

所述功能逻辑层用于将相关数据、图表从数据管理层中以不同形式进行导出，进而根据物探及钻探数据从模型算法层中调用三维建模应用程序对拟建桥梁区域进行建模，根据相关数据从模型算法层中调用桩长计算应用程序对桥梁桩长进行分析计算，并将相关结果提供给交互层；

所述交互层用于实现前台UI界面的设计、数据图表的页面展示以及人机交互功能；用户在UI界面可对数据图表进行查阅和编辑、对物探及钻探数据进行分析建模、对桩长进行一键计算等系列操作，同时交互层提供三维界面用以对地质模型进行可视化展示。

进一步地，所述功能逻辑层包括：

图表输出模块，用于将相关数据、图表从数据管理层中以不同形式进行导出；

数据图表展示模块，根据需求选择不同数据在交互层UI界面上展示，包括物探及钻探数据、图表等；

桩长计算模块，从数据管理层中读取相关数据并调用桩长计算应用程序对桥梁桩长进行分析计算，得到设计桩长；

二维仿真模块，通过AutoCAD设计插件实现物探及钻探数据辅助作图，并将图数据反馈给三维建模模块；

三维建模模块，从数据管理层中读取相关数据并根据二维仿真模块提供的图数据调用三维建模应用程序对拟建桥梁区域进行建模，实现岩溶形态和地表模型在交互层UI界面上三维可视化展示，并对岩溶信息进行统计。

进一步地，所述数据管理层采用微软发布的关系数据库管理系统MicrosoftOfficeAccess，其结合了Microsoft Jet Database Engine和图形用户界面两项特点，并将土层数据、物探及钻探数据等存储在数据库中，数据库中还包含描述钻孔、地表、溶洞的特性数据，以便桩长计算模块、二维仿真模块和三维建模模块调用读取。

进一步地，所述桩长计算模块通过计算单桩轴向受压承载力容许值以确定设计桩长；对于摩擦桩，其单桩轴向受压承载力容许值的计算表达式如下：

对于支承桩或嵌岩桩，其单桩轴向受压承载力容许值的计算表达式如下：

其中：[R_a]为单桩轴向受压承载力容许值，μ为桩身周长，A_p为桩端截面面积，n为承台底面或局部冲刷线以下的土层数，l_i为承台底面或局部冲刷线以下第i层土的厚度，q_ik为承台底面或局部冲刷线以下第i层土与桩侧的摩阻力标准值，q_r为桩端处土的承载力容许值，c₁为根据清孔情况及岩石破碎程度而定的端阻发挥系数，f_rk为桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值，f_rkj为第j层岩层饱和单轴抗压强度标准值，c_2j为根据清孔情况及岩石破碎程度而定的第j层岩层侧阻发挥系数，h_j为桩嵌入第j层岩层的厚度，m为岩层的层数，ξ_s为覆盖层土的侧阻力发挥系数。

进一步地，所述桩端处土的承载力容许值通过以下公式计算得到；

q_r＝m₀λ([f_a0]+k₂γ₂(h-3))

其中：[f_a0]为桩端处土的承载力基本容许值，h为桩端的埋置深度，λ为修正系数，m₀为清底系数，k₂为容许承载力随深度的修正系数，γ₂为桩端以上各土层的加权平均重度。

进一步地，所述二维仿真模块采用AutoCAD软件自带的VBA语言设计开发出相应的插件并以添加菜单栏的方式显示在AutoCAD软件中，通过在菜单栏下添加子菜单项提供各种操作(如打开钻探图、平移放缩后达到重合的效果、连接数据库、添加虚拟钻孔等)，所述插件通过数据库中的相关信息计算虚拟钻孔在地形图中的二维坐标及深度，同时在CAD图像对应位置画出虚拟钻孔，方便用户根据钻孔位置及物探图对土层线及溶洞线进行修改，求出虚拟钻孔与溶洞线相交的点位置信息后，经过换算后以溶洞深度及厚度等信息存入数据库中。

进一步地，所述三维建模模块采用多媒体编程接口DirectX，读取数据库中的钻孔坐标、钻孔编号等数据绘制钻孔，以圆柱形态绘制，灰色颜色表示；同时读取数据库中的溶洞信息对应绘制溶洞，以圆柱形态绘制，黑色颜色表示；进而根据岩溶发育程度以及岩溶坐标绘制岩溶体，在显示时可选择显示包围网格、或选择显示岩溶体、或选择显示岩溶的连线截面。

进一步地，所述三维建模模块利用距离幂次反比法(Inverse DistanceWeighted，IDW)对地表数据和中风化岩层数据插值。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益技术效果：

1.本发明以刻画岩溶形态、建议设计桩长为目标，根据溶洞形态复杂的特点，细致考察了各类溶洞的特点，不同岩溶体的扩展情况由岩溶发育情况决定，采用DirectX对钻孔和溶洞进行三维仿真，实现岩溶形态和地表模型的三维可视化展示，实现基于综合勘察资料的地层信息初判及桥梁桩长计算机辅助设计。

2.由于实际地质调查中钻孔数据较少，本发明通过数据库中的信息计算虚拟钻孔在地形图中的坐标及深度，同时利用VBA语言开发插件在CAD图像对应位置绘制虚拟钻孔，有利于溶洞形态的绘制，帮助确定桥梁桩长，具有重要的现实意义。

附图说明

图1为本发明岩溶区桥梁桩基设计辅助分析系统的总体架构示意图。

图2为本发明岩溶区桥梁桩基设计辅助分析系统功能逻辑层中各模块的关系示意图。

图3为数据库管理架构示意图。

图4为桩长计算的流程示意图。

图5为二维仿真的流程示意图。

图6为三维建模的流程示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本实例在开发配套软件时拟采用C/S架构对整个系统进行功能实现，基于AutoCAD平台进行二次开发，系统架构主要分为交互层、功能逻辑层、模型算法层、数据管理层四部分，具体架构如图1所示：

交互层，主要实现前台UI界面的设计和数据、图表的页面展示与人机的交互部分；用户在UI界面可进行对数据的查阅、编辑等、对物探、钻探数据分析建模、对桩长进行一键计算等一系列操作，同时提供三维界面的展示，对地质模型等进行可视化展示。

功能逻辑层，主要包括数据图表的查阅(对相关表单、CAD图等进行显示供用户查阅)、CAD图显示(包括从外界导入CAD图显示和生成横断面显示)、三维仿真(通过提取相关物探、钻探等数据对拟建桥梁区域进行建模)、桩长计算(利用相关数据对桥梁桩长进行分析计算)四大功能。

模型算法层，主要包括三维仿真的模型库以及桩长计算、建模等算法库。

数据管理层，主要利用数据库对所有涉及的数据进行统一分类的集中管理。

功能逻辑层主要包括数据图表展示模块、桩长计算模块、二维仿真模块、三维仿真模块、图表输出模块五个模块，各模块功能如图2所示：数据图表展示模块根据需求选择不同数据在界面展示，包括物探、钻探数据、图表等；桩长计算模块读取相关数据调用桩长计算对应的算法库进行计算，得出设计桩长；二维仿真模块通过设计AutoCAD插件实现物探钻探数据辅助作图，将数据反馈给三维仿真模块；三维仿真模块读取数据库实现岩溶形态和地表模型的三维可视化展示，并对岩溶信息进行统计；图表输出模块将所有相关数据、图、表等以不同形式进行数据的导出。

数据管理层采用微软发布的关系数据库管理系统Microsoft Office Access，Microsoft Office Access是由微软发布的关系数据库管理系统，它结合了Microsoft JetDatabase Engine和图形用户界面两项特点，是Microsoft Office的系统程序之一。Access的用途体现在两个方面：

1.用来进行数据分析：Access有强大的数据处理、统计分析能力，利用Access的查询功能，可以方便地进行各类汇总、平均等统计，并可灵活设置统计的条件；比如在统计分析上万条记录、十几万条记录及以上的数据时速度快且操作方便，这一点是Excel无法与之相比的，Access提高了工作效率和工作能力。

2.用来开发软件：Access用来开发软件，比如生产管理、销售管理、库存管理等各类企业管理软件。

如图3所示，在本实例中将钻孔数据、土层数据等存储在数据库中，用于后面的桩长计算模块、二维仿真模块和三维仿真模块。

在桩长计算模块中首先需要进行桩类型的选择，接着输入计算需要的相应参数，或从数据库中读取数据进行计算，具体参数参见《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63-2007，其中摩擦桩单桩轴向受压承载力容许值根据式(1)计算，支承桩或嵌岩桩根据式(2)计算，桩长计算流程如图4所示。

对于摩擦桩：

q_r＝m₀λ[[f_a0]+k₂γ₂(h-3)] (1)

式中：[R_a]-单桩轴向受压承载力容许值(kN)，桩身自重与置换土重(当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力)的差值作为荷载考虑；μ-桩身周长(m)；A_p-桩端截面面积(m²)，对于扩底桩，取扩底截面面积；n-土的层数；l_i-承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度(m)，扩孔部分不计；q_ik-与对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值(kPa)，宜采用单桩摩阻力试验确定，当无试验条件时按规范中表5.3.3-1选用；q_r-桩端处土的承载力容许值(kPa)，当持力层为砂土、碎石土时，若计算值超过下列值，宜按下列值采用：粉砂1000kPa，细砂1150kPa，中砂、粗砂、砾砂1450kPa，碎石土2750kPa；[f_a0]-桩端处土的承载力基本容许值(kPa)，按规范中第3.3.3条确定；h-桩端的埋置深度(m)，对于有冲刷的桩基，埋深由一般冲刷线起算；对无冲刷的桩基，埋深由天然地面线或实际开挖后的地面线起算；h的计算值不大于40m，当大于40m时，按40m计算；k₂-容许承载力随深度的修正系数，根据桩端处持力层土类按规范中表3.3.4选用；γ₂-桩端以上各土层的加权平均重度(kN/m³)，若持力层在水位以下且不透水时，不论桩端以上土层的透水性如何，一律取饱和重度；当持力层透水时则水中部分土层取浮重度；λ-修正系数，按规范中表5.3.3-2选用；m₀-清底系数，按规范中表5.3.3-3选用。

对于支承桩或嵌岩桩：

式中：[R_a]-单桩轴向受压承载力容许值(kN)，桩身自重与置换土重(当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力)的差值作为荷载考虑；c₁-根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的端阻发挥系数，按规范中表5.3.4采用；A_p-桩端截面面积(m²)，对于扩底桩，取扩底截面面积；f_rk-桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值(kPa)，黏土质岩取天然湿度单轴抗压强度标准值，当f_rk小于2MPa时按摩擦桩计算，f_rki为第i层的f_rk值；c_2j-根据清孔情况、岩石破碎程度等因素而定的第i层岩层的侧阻发挥系数，按规范中表5.3.4采用；μ-各土层或各岩层部分的桩身周长(m)；h_i-桩嵌入各岩层部分的厚度(m)，不包括强风化层和全风化层；m-岩层的层数，不包括强风化层和全风化层；ξ_s-覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端f_rk确定：当2MPa≤f_rk＜15MPa时，ξ_s＝0.8；当15MPa≤f_rk＜30MPa时，ξ_s＝0.5；当f_rk＞30MPa时，ξ_s＝0.2；l_i-各土层的厚度(m)；q_ik-桩侧第i层土的侧阻力标准值(kPa)，宜采用单桩摩阻力试验值，当无试验条件时，对于钻(挖)孔桩按规范中表5.3.3-1选用，对于沉桩按规范中表5.3.3-4选用；n-土层的层数，强风化和全风化岩层按土层考虑。

二维仿真模块中插件的设计开发采用AutoCAD软件自带的VBA语言，VBA语言作为开发相关软件辅助功能的一门语言，提供了许多和软件交互的函数，并且可以直接用call语句调用CAD命令，极大方便了CAD的二次开发过程，但是语言的整体结构不够严谨，函数的模块及变量的作用域不够清晰，变量声明没有限制，容易出现命名的各种错误及对象未定义等问题。

插件以添加菜单栏的方式显示在CAD软件中，通过在菜单栏下添加子菜单项提供各种操作，如打开钻探图、平移放缩后达到重合的效果、连接数据库、添加虚拟钻孔等，可以根据用户输入查找数据库中是否已有相应钻孔，获取数据库中的钻孔信息，再通过用户在CAD文件中选中钻孔进行CAD文件与数据库在钻孔信息上的对应。

通过数据库中的信息计算虚拟钻孔在地形图中的XY坐标及深度，同时在CAD图像对应位置画出虚拟钻孔，方便用户根据钻孔位置及物探图对土层线及溶洞线进行修改，求出虚拟钻孔与溶洞线相交的点位置信息后，经过换算后以溶洞深度及厚度等信息存入数据库。对插入数据库的虚拟钻孔进行命名，根据横纵断面的不同命名也不同，使插入的虚拟钻孔进过排序后能处于正确位置，从而使三维仿真能够正确读取数据并显示，同时还要考虑各种获取输入时可能导致代码崩溃的输入错误或操作不当，提前设置好相应的检错纠错模块。

为了实现AutoCAD软件与数据库数据的结合，必须通过某一个确定的钻孔进行对应，如图5所示，在软件中选中该钻孔并以钻孔编号(zkbh)为信息在数据库中查找相应数据，然后经过计算得到AutoCAD软件与数据库内数据的转换关系，从而使得在CAD中求解出的交点信息能够成功转换成数据库信息存入，保持数据的一致性，以便三维仿真模块的调用。

首先需要在软件中选中钻孔，通过比较发现用户提供的钻探图中表示钻孔的实体类型为AcadLWPolyline，而三维仿真模块导出的钻探图中表示钻孔的实体类型为IAcadLine，因此对获取到的实体进行筛选，只有上述两种实体才能被选中，在选中后先对实体类型进行判断以区分钻探图是用户提供还是软件生成。对于AcadLWPolyline类型，有属性Coordinates存储钻孔两端坐标，获取该属性以确定钻孔在CAD图中的位置；对于IAcadLine类型，有属性StartPoint和EndPoint存储两端坐标，同样可以获取该属性以确定钻孔在CAD图中的位置。

其次需要判断钻探图是横断面还是纵断面，由于不同断面上显示的钻孔排列次序不同，生成虚拟钻孔的命名规则也要做出调整，使虚拟钻孔能够正确插入数据库对应位置。

最后是找到虚拟钻孔与土层线的交点，由用户指定需要求解与虚拟钻孔相交的土层线所在图层，然后在CAD中找到该图层，将图层内所有实体全部保存至选择集中，然后遍历该选择集利用函数IntersectWith求出与虚拟钻孔的所有交点，由于选择集内顺序不定，所以生成的交点顺序也不定，利用自定义的排序算法将交点排序后保存至该虚拟钻孔的数据库信息中。

三维建模模块操作流程如图6所示，主要包括钻孔显示、岩溶体显示、生成断面、地表形态及中风化岩层显示、岩溶信息统计、桩长设计六部分，其中：

1.钻孔显示；利用DirectX(Direct eXtension，简称DX)，即由微软公司创建的多媒体编程接口，由C++编程语言实现，遵循COM；DirectX具备完全可编程的架构，能对纹理效果即时演算、动态纹理贴图，还不占用显存。

主要用到了DirectX中的DrawIndexedUserPrimitives函数，但是绘制圆柱的函数需要自己实现。读取数据库的z_ZuanKong表的ZKBH、ZKX、ZKY、ZKBG数据绘制钻孔，以圆柱形态绘制，灰色颜色表示；读取数据库的z_g_TuCeng表的ZKBH、TCLM对应z_ZuanKong表的信息绘制溶洞，以圆柱形态绘制，黑色颜色表示，其中圆柱的半径可在后台进行改变，每个钻孔上方显示钻孔对应的钻孔编号。

2.岩溶体显示；岩溶体的左右扩展可以由岩溶发育情况决定，其中溶洞的总长度大于10米时为岩溶极强发育，溶洞的总长度大于5米并且小于10米时为岩溶强发育，溶洞的总长度大于3米并且小于5米时为岩溶中等发育，溶洞的总长度小于3米时为溶洞弱发育；在不同发育情况下，向X轴两边扩展的长度不同，扩展的长度可以在后台进行修改，当溶洞两边没有可以连得溶洞时视为单个溶洞，以溶洞长度的1/2作为半径画球。在显示时可以选择显示包围网格，可以选择显示岩溶体或者显示岩溶的连线截面。

3.生成断面；在三维建模模块中使用CadLib将CAD功能添加到.NET应用程序，CadLib使得它非常容易在C#，VB.NET或任何其他.NET语言中与DWG和DXF文件进行接口，绘制和打印。由于需要将本模块生成的断面重新导入AutoCAD中，所以主要用到了CadLib的相关接口，绘制出钻孔号编号、钻孔、溶洞深度和溶洞的连线，可以选择任意钻孔显示岩溶体的二维断面，根据三维岩溶体的数据生成CAD格式的断面，生成后可以将断面导入到AutoCAD中进行查看和修改。

4.地表形态及中风化岩层显示；由于区域内地表数据和中风化岩层数据不多，所以需要通过插值方法对地表数据进行插值。

距离幂次反比法(IDW)和地质统计学的插值方法一样，其方法原理是建立在区域化变量理论的基本原理基础之上的，即假设待插值的空间点属性值在一定的研究范围内具有相关性。IDW法的基本原理就是：假定区域化变量之间存在相关性并且这种相关性可以定量地表示为样点与待估点之间的距离的幂次成反比，IDW法用于插值的基本公式为：

式中：Z^*(B)为待估点的属性值；Z(x_i)为已知的采样点的属性值；λ_i为已知点的权重。依据IDW法的基本思想，确定权重λ_i的方法为：

式中：d_i为待估点与已知点之间的距离；k作为d_i的幂指数，其取值由具体的研究情况确定，通常它可以取1、2、3等整数。

IDW法还有一个重要的特点就是：各样点的权重之和为1，即有下式成立：所以，IDW法对于未采样点的估计值是未采样点属性真值的无偏估计，这也是IDW法在多数情况下都能给出一个较合理的估计值的原因。

5.岩溶信息统计；可统计某个区域溶洞个数、钻孔坐标、岩溶体坐标、岩溶体顶板坐标、岩溶体底板坐标、岩溶体厚度、有无充填物、完整中风化基岩厚度，并可以将信息导出到Excel。

6.桩长设计；最小桩长为10米，当周围没有岩溶时，显示10米的最小桩长，周围岩溶发育时，根据岩溶的底板高度计算桩长，提供两种功能：

(1)手动输入桩参数计算桩长；

(2)批量导入桩参数：通过Excel批量导入桩的X、Y坐标、半径和桩基标高，一键生成所有的桩长。

当桥梁基桩不可避免地要跨越岩溶地区时，其涉及的关键问题就是如何确定合理的桩长，本发明利用DirectX绘制溶洞形态，应用到岩溶区桥梁桩基设计辅助问题中。由于在实际地质调查中钻孔数据较少，本发明在AutoCAD中计算虚拟钻孔，通过数据库中的信息计算虚拟钻孔在地形图中的坐标及深度，同时在CAD图像对应位置画出虚拟钻孔，有利于溶洞形态的绘制，帮助确定桥梁桩长，具有重要的现实意义。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于岩溶区桥梁桩基设计的辅助分析系统，其特征在于，包括交互层、功能逻辑层、模型算法层以及数据管理层，其中：

所述数据管理层用于对岩溶区桥梁桩基设计所涉及的数据、图表进行统一分类并集中在数据库存储管理；

所述模型算法层包含了桩长计算、三维建模以及数据接口的应用程序；

所述功能逻辑层用于将相关数据、图表从数据管理层中以不同形式进行导出，进而根据物探及钻探数据从模型算法层中调用三维建模应用程序对拟建桥梁区域进行建模，根据相关数据从模型算法层中调用桩长计算应用程序对桥梁桩长进行分析计算，并将相关结果提供给交互层；

所述交互层用于实现前台UI界面的设计、数据图表的页面展示以及人机交互功能；用户在UI界面可对数据图表进行查阅和编辑、对物探及钻探数据进行分析建模、对桩长进行一键计算操作，同时交互层提供三维界面用以对地质模型进行可视化展示；

所述功能逻辑层包括：

图表输出模块，用于将相关数据、图表从数据管理层中以不同形式进行导出；

数据图表展示模块，根据需求选择不同数据在交互层UI界面上展示，包括物探及钻探数据、图表；

桩长计算模块，从数据管理层中读取相关数据并调用桩长计算应用程序对桥梁桩长进行分析计算，得到设计桩长；

二维仿真模块，通过AutoCAD设计插件实现物探及钻探数据辅助作图，并将图数据反馈给三维建模模块；

三维建模模块，从数据管理层中读取相关数据并根据二维仿真模块提供的图数据调用三维建模应用程序对拟建桥梁区域进行建模，实现岩溶形态和地表模型在交互层UI界面上三维可视化展示，并对岩溶信息进行统计；

所述数据管理层采用微软发布的关系数据库管理系统Microsoft Office Access，其结合了Microsoft Jet Database Engine和图形用户界面两项特点，并将土层数据、物探及钻探数据存储在数据库中，数据库中还包含描述钻孔、地表、溶洞的特性数据，以便桩长计算模块、二维仿真模块和三维建模模块调用读取；

所述桩长计算模块通过计算单桩轴向受压承载力容许值以确定设计桩长；对于摩擦桩，其单桩轴向受压承载力容许值的计算表达式如下：

对于支承桩或嵌岩桩，其单桩轴向受压承载力容许值的计算表达式如下：

其中：[R_a]为单桩轴向受压承载力容许值，μ为桩身周长，A_p为桩端截面面积，n为承台底面或局部冲刷线以下的土层数，l_i为承台底面或局部冲刷线以下第i层土的厚度，q_ik为承台底面或局部冲刷线以下第i层土与桩侧的摩阻力标准值，q_r为桩端处土的承载力容许值，c₁为根据清孔情况及岩石破碎程度而定的端阻发挥系数，f_rk为桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值，f_rkj为第j层岩层饱和单轴抗压强度标准值，c_2j为根据清孔情况及岩石破碎程度而定的第j层岩层侧阻发挥系数，h_j为桩嵌入第j层岩层的厚度，m为岩层的层数，ξ_s为覆盖层土的侧阻力发挥系数；

所述桩端处土的承载力容许值通过以下公式计算得到；

q_r＝m₀λ([f_a0]+k₂γ₂(h-3))

其中：[f_a0]为桩端处土的承载力基本容许值，h为桩端的埋置深度，λ为修正系数，m₀为清底系数，k₂为容许承载力随深度的修正系数，γ₂为桩端以上各土层的加权平均重度；

所述二维仿真模块采用AutoCAD软件自带的VBA语言设计开发出相应的插件并以添加菜单栏的方式显示在AutoCAD软件中，通过在菜单栏下添加子菜单项提供各种操作，所述插件通过数据库中的相关信息计算虚拟钻孔在地形图中的二维坐标及深度，同时在CAD图像对应位置画出虚拟钻孔，方便用户根据钻孔位置及物探图对土层线及溶洞线进行修改，求出虚拟钻孔与溶洞线相交的点位置信息后，经过换算后以溶洞深度及厚度信息存入数据库中；

所述三维建模模块采用多媒体编程接口DirectX，读取数据库中的钻孔坐标、钻孔编号数据绘制钻孔，以圆柱形态绘制，灰色颜色表示；同时读取数据库中的溶洞信息对应绘制溶洞，以圆柱形态绘制，黑色颜色表示；进而根据岩溶发育程度以及岩溶坐标绘制岩溶体，在显示时可选择显示包围网格、或选择显示岩溶体、或选择显示岩溶的连线截面。

2.根据权利要求1所述的辅助分析系统，其特征在于：所述三维建模模块利用距离幂次反比法对地表数据和中风化岩层数据插值。