随着我国城镇化蓬勃建设与发展,山地建筑的开发与应用日益广泛。山地建筑由于其地形地貌条件独特与复杂性,山体地形往往不规则,标高起伏较大,给建筑结构设计尤其山地结构基础设计带来巨大挑战。三维激光扫描技术作为一种全方位的高精度快速测绘手段 ^[1,2],可以快速精确获取山体原始地形地貌,并在BIM中与各种技术措施相融合,在众多复杂工程中得到有效应用,如上海世茂深坑酒店等复杂重大工程 ^[3,4]。尤其面临复杂及恶劣的工程环境条件,三维激光扫描技术在测绘、古建、矿山、地铁等诸多土木工程领域均有广泛应用 ^{[5,6,7,8,9,10,11]}。

　　 本工程山地景观桥的设计实施过程中,采用三维激光扫描技术对景观桥基础位置山体地貌进行精细化扫描,获取准确山体点云信息,通过点云去噪等后处理,快速得到准确的山体地貌三维模型。并进一步与主体建筑结构及基础三维模型进行协同设计,并通过整体三维有限元分析桥墩基础受力及山体稳定性,三维协同设计在本项目中得到了有效应用和拓展。

　　 山东潭溪山人行桥位于山东省淄博市淄川区峨庄乡潭溪山景区,为钢拱桥(无背索斜拉式弧形桥),桥面外弧形,桥面宽度1.8m,通过15道钢索与主拱连接,采用Galfan钢索,抗拉强度为1 670MPa。弧形桥面总长度为126m,横跨悬崖之间,跨度约103m,矢高25m。钢结构主拱为ϕ2 000×30钢管,钢材型号为Q345B。

　　 桥墩基础位于东西两侧山体上,邻近岩壁,岩壁垂直高度约100m,垂直度接近90°。原始地形航拍俯瞰如图1所示,西侧山体岩壁顶面绝对标高约736m,东侧山体岩壁顶面绝对标高约724m,东西两侧山体高差约8m。桥墩基础合理位置的选择以及山体稳定分析是本工程亟需解决的难题。

　　 潭溪山人行桥(简称景观桥)的桥墩基础位于山体西侧与东侧两端位置,桥墩基础周围为山体岩壁临空面。利用点云后处理Cyclone软件进行后处理导入Rhino软件中进行三维协同设计,图2为景观桥基础与山体整体三维模型示意图。桥墩基础为桩筏基础,西侧承台高度为4m,东侧承台高度为2m,结合混凝土支墩与钢柱角连接。根据山体地层及施工设备,采用直径300mm钻孔灌注桩,桩长15m,进入弱风化石灰岩。钢结构拱桥支座承受较大的水平推力,同时由于桥面为外弧形,基础还承受较大的向山体外侧的弯矩。为桥墩基础位置选择及设计分析带来较大难度,桥墩基础需远离岩壁布置,并对桥墩基础受力状况的岩体稳定进行分析。

　　 本工程边坡属岩质边坡,边坡工程安全等级为一级。根据地质勘察工程报告钻孔揭露,山体主要岩层情况如下:②层弱风化泥灰岩和④层弱风化钙质页岩段岩体类型为Ⅳ类,③层弱风化石灰岩和⑤弱风化白云质灰岩段岩体类型为Ⅲ类。下伏基岩地层分布比较均匀稳定,岩层产状近乎一致,向山体内侧缓倾。桥址区岩体节理裂隙结构面与岩层倾向近垂直。裂隙发育程度一般,裂隙闭合度较好,多为泥钙质充填。

　　 西侧桥墩基础处基岩岩层产状为30°∠6°,东侧桥墩处基岩岩层产状为36°∠9°。桥址区两侧岩体X形裂隙一般发育,裂隙结构面抗剪强度较岩石有较大弱化。典型山体地质钻孔如图3所示。ZK为典型钻孔编号,岩石及裂隙结构面抗剪强度见表1。西侧桥墩基础承台位于②层弱风化泥灰岩,东侧桥墩基础清除浅层填土后,基础承台位于③层弱风化泥灰岩。

　　 采用传统测绘手段进行山体等高线测绘存在难度大、周期长、精度低等问题。而三维激光扫描不但提供了快捷的测绘手段,而且连同现场对象的细节特征,如颜色、岩石表面裂隙信息等都能准确地保存,便于后续细化测量、设计、研究计算、场景仿真等进一步应用。

　　 三维激光扫描利用向被测对象发射激光束和接收由被测物发射回的激光信号,获取地形点云信息,点云包含获取被测对象的空间坐标信息及色彩信息。上述三维坐标信息可导入Rhino等三维软件进行协同设计。该技术可将复杂不规则的山体地形地貌三维数据完整地采集,进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据; 同时,它所采集的三维激光点云数据可融入BIM平台进行各种后处理分析工作。

　　 本项目采用徕卡C10三维激光扫描仪,为得到完整的三维模型,从各个角度去对山体进行扫描,因此需要合理的选择站点,每两个将进行拼接的站点之间至少要有 15%以上的重合区域,且重合区域要有比较明显的特点,便于后续的点云数据的有效拼接。针对本项目实际,在山体周边布置6个站点,进行点云拼接、去噪后获得较为完整的山体地貌点云数据。然后通过点云处理,获得山体地貌精准的三维模型。

　　 基于三维扫描点云,建立山体三维模型,引入桥梁基础模型,基于桥墩基础远离岩壁控制条件,对不同标高承台基础进行切片分析,确保桥墩承台及桩基础远离岩壁。

　　 桥墩基础竖向标高位置根据东西两侧山体高度,按照挖填最小原则确定。初期方案桥面高度约738m,如图4所示; 西侧桥墩基础深埋于岩层约6m,带来很大的岩体爆破工作,并且岩体爆破施工对岩石结构面及裂隙发展有不利影响。综合考虑桥面使用高度,并按照桥墩基础施工中山体岩体挖填方量最小原则,对桥位竖向高度调整,西侧基础承台顶面埋入山体为基准,东侧通过阶梯型变阶承台与柱角连接。调整后桥面高度为741m,如图5所示。

　　 从景观桥使用功能角度来看,希望桥体能尽可能靠近岩壁,达到良好的建筑景观效果。然而由于桥墩基础承受较大的水平力及向山体外弯矩,桥墩基础应远离岩壁布置。最初方案桥墩基础按照远离岩壁布置,如图6所示,同时为达到桥体邻近岩壁的使用需求,桥墩基础承台通过大尺度悬挑与桥墩连接,承台桩基形心与桥墩作用点有较大的偏心,承台水平力与偏心距导致承台群桩承受较大的扭矩,进一步增加了基础的复杂受力状态。

　　 采用两种方案进行比选,两种方案如下。方案一:桩基础远离山体临面,采用悬挑承台; 方案二:桩基础邻近山体临空面,桥墩位于承台形心。

　　 考虑景观桥使用需求与基础承台合理平面位置,景观桥整体向山体内调整,同时按照桥墩基础承台受力作用点与承台桩基形心一致原则布置。

　　 由于桥梁基础邻近岩体临空面,为确保承台及桩基础远离岩壁,方案二的基础布置方式对承台基础竖向不同标高切片分析,经过多次调整,西侧及东侧典型标高承台桩基础与山体岩壁关系如图7、图8所示。山体-景观桥模型俯视图如图9所示。

　　 通过三维激光扫描获取山体准确地形,同时考虑桥台基础定位,建立山体及桥墩基础的整体三维模型(图10),将模型导入有限元分析软件ANSYS,进行受力分析。岩体分层根据地勘钻孔资料进行划分,桥墩及山体采用四面体实体单元模拟。邻近承台及桩基础周边单元网格尺寸约20cm,远离桥墩基础单元网格尺寸逐步加大,网格尺寸约50～100cm。

　　 岩体由包含软弱结构面的各类岩石所组成的具有不连续性、非均质性和各向异性的地质体。其破坏力学行为较为复杂,与岩体裂隙、节理发育情况密切相关。有限元分析中,岩石简化为连续均匀的介质材料,岩体与基础有限元模型的参数如表2所示。

　　 按照不利岩体结构面抗剪强度指标进行分析,采用摩尔-库伦准则判断岩石稳定,根据摩尔圆与破坏包络线的距离作为自定义变量来评估岩石稳定,当自定义变量小于0,岩石局部破坏。西侧承台底面以下深度1m以内的范围中局部存在自定义变量小于0的区域,东侧承台底面以下深度2m以内的范围中局部存在自定义变量小于0的区域,以上局部区域在山体边缘范围以内,未出现破坏贯通区域。深层岩石状态稳定。

　　 岩石往往具有较好的抗压强度,而抗拉强度较低。为评估桥墩基础荷载作用下岩体应力分布情况,分析了单工况受力状态下西侧、东侧桥墩基础的第一主应力分布情况。从第一主应力分析结果可以看出,基础承台浅层深度范围内桩基周围岩石存在拉应力,拉应力约75～80kPa。岩体应力水平远离桩基岩体及沿深度方向,应力水平迅速衰减。

　　 考虑不同的工况位置,对山体-桥墩三维有限元整体模型的桥墩基础受力及岩石稳定性进行整体有限元分析计算,分析表明,按照摩尔-库伦准则,桥墩基础受荷状态下,均未出现破坏贯通区域,岩石状态稳定,并根据承台与崖壁关系位置为基础合理定位提供参考和依据。

　　 目前项目已经施工完成,图11为项目完成后实景照片。

　　 本文以淄博某景观桥项目为背景,应用三维激光扫描获取精确的岩石山体地貌,与桥墩基础进行三维协同建模有限元稳定性分析,确定合理的桥墩位置。基于三维激光扫描点云,建立山体-桥墩三维有限元整体模型,为桥墩基础受力及岩石稳定性提供参考。

　　 岩体破坏力学行为是一种复杂力学本构关系,本文分析将岩石简化为连续均匀的介质材料,采用相对不利结构面抗剪强度指标进行分析,工程上具有一定参考意义。考虑岩体裂隙等复杂状态下岩体力学分析有待进一步研究。