毕业设计（论文）-GIS在高层建筑基坑支护设计中的运用.docx

本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：GIS在高层建筑基坑支护设计中的运用学 院：资源与环境工程学院专 业：地理信息系统班 级： 2011级学 号： 学生姓名： 指导教师： 2015年 6 月 3 日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 目录摘要4Abstract5第一章 绪论61.1GIS的概念与发展趋势61.1.1GIS的概念61.1.2GIS的发展趋势61.2高层建筑基坑支护的设计简介61.3论文设计的内容61.3.1论文的研究意义71.3.2论文设计的主要内容71.3.3论文设计的主要框架结构7第二章 工程概况简介8第三章 工程地质条件93.1地形地貌93.2地质构造93.3边坡岩土构成情况93.4水文地质条件10第四章 GIS运用于基坑支护设计实例114.1 GIS软件设计基坑支护整体面钻孔点等值线生成114.2 GIS软件结合影像和基坑支护三维地形数据可视化分析154.3 GIS软件结合Skerchup创建三维立体地层剖面可视化分析模型184.4护设计方案21第五章 GIS设计基坑支护方案的可行性分析和评价265.1GIS设计基坑支护的可行性分析265.2GIS设计基坑支护的评价26结论与建议28参考文献29致谢30GIS在高层建筑基坑支护设计中的运用摘要本文主要是以GIS在高层建筑基坑支护中的运用为主要向导而展开研究的，高层建筑基坑支护设计中有很多影响整个设计的因素，主要有：场地的地形地貌情况、场地的地下岩土体的地质构造情况、场地边坡岩土成分的构成情况和地下水文地质条件等等。本文所选取的是以贵阳北站内生产综合楼为例，该高层建筑的基坑支护工程主要分为五段分别是A-E段、E-H段、H-I段、I-L段、L-M段，其中A-E段和L-M段由于场地有放坡空间，所以不需要支护，需要支护的只有E-H段、H-I段和I-L段需要进行支护。充分的掌握地块的地形情况是影响整个工程设计最为重要的因素，而有效的和全面的对地形情况的了解是基坑支护设计最基本的前提，本文以两个GIS在基坑支护设计中涉及的地形等值线和影像图与三维地形图层面结合的实例，从实际上说明了GIS在高层建筑基坑支护设计中的运用效果。关键词：高层建筑、基坑支护、地理信息系统Application of GIS in the design of foundation pit supporting for tall buildings AbstractThis paper is mainly based on GIS in high-rise building foundation pit supporting the use of for main guide and research, high-rise building foundation pit support design has much effect on the entire design factors, mainly: the composition of the topography, the venue of underground rock and soil geological structure, site slope of rock and soil composition and underground hydrogeological conditions and so on.Is selected in this paper to Guiyang North Station in production complex building as an example, the high-rise building foundation pit branch support project is divided into five sections are A-E, E-H, H-I, I-L, L-M segment, the A-E and L-M segment due to the venue has put the space of slope, so there is no need to support, need to support only the E-H segment, H-I and I-L section needs to support. Fully master plots of the terrain is influence of the design of the whole project is most important factor, and effective and comprehensive on the terrain of understanding is foundation pit support design of the most basic premise, this paper to two GIS in foundation pit door design involves the terrain contour and image and three-dimensional topographical map of the level combined with the examples, from the fact that the GIS in the application effect in the design of high-rise building foundation pit shoring.Key words: High rise building, foundation pit supporting, Geographical Information System第一章 绪论1.1GIS的概念与发展趋势1.1.1GIS的概念GIS(地理信息系统）是具备了空间信息分析能力的数据库管理系统，地理信息系统可分为地理信息和系统两个组成部分。地理信息是指地球表面特定位置的形态特征，带有局域性、特定性和空间层次性的特征。系统是指对地理数据库进行处理的计算机技术工具。地理信息系统就是指结合了地理空间数据的特征和现代计算机技术工具而发展起来的一种具备高效、快捷、方便和精确的一种集成系统。1.1.2GIS的发展趋势到目前为止地理信息系统的发展已经经过了四个阶段，创建阶段（1960年-1970年）、发展阶段、地理信息系统的推广及投入开发使用阶段、地理信息系统的现代化阶段。在1960年至1970年这段时期国外的一些研究人员开始着手研究空间地理学数据的技术和方法。在1963年，加拿大的研究学者Roger F.Tomlinson 第一次提出“地理信息系统”这个专业的术语。他和一些研究学者建立了加拿大地理信息系统（CGIS），并使用其来作为自然资源的管理和规划，这就是世界上首个地理信息系统的建立。在此后的十年内，随着计算机科技技术的飞速发展，社会的发展带来的诸多资源和环境的问题，开始把地理信息系统投入实体应用阶段。在很多发达国家，开始进行大批的地理信息系统建立，GIS的发展逐步成熟并走向社会市场。而在近现代，随着人们对GIS的认识程度的不断深入，而用户对GIS的需求量不断的上升，促使GIS运用的范围逐渐的扩大和深化。1.2高层建筑基坑支护的设计简介基坑支护是对基坑周围的地下地形结构进行加固和采取措施进行防护，采取的方法多种多样，主要的形式有：排桩支护、连续墙体支护、水泥挡土墙、钢板桩柱、钢筋混泥土排桩，其主要作用都是保证地上的高层建筑和施工环境得到安全保证。1.3论文设计的内容1.3.1论文的研究意义结合GIS软件与高层建筑基坑支护工程，将GIS软件运用与高层建筑基坑支护设计中，达到对基坑支护工程的地形情况的可视化效果，方便直观的对地形情况进行分析，从而使基坑支护的设计更加优化。1.3.2论文设计的主要内容以贵阳北站的生产综合楼为例，用ArcMap、Arcscene和CAD等软件设计出生产综合楼地质勘察钻孔涉及勘界地块位置的等值线和三维地形图。1.3.3论文设计的主要框架结构主要的设计框架图如下：实地采集数据（钻孔数据地形等值线G I S软件处理导入CAD数据收集影像数据三维地形图图1.1 设计框架图第二章 工程概况简介拟建贵阳站生产综合楼基坑边坡支护工程项目位于贵阳市观山湖区成都铁路局贵阳北站内，贵阳站生产综合楼为框架结构，地上14层，地下2层，长85.20m，宽65.9m，地上建筑面积为39029.26m2，地下建筑面积为6471.08m2，总建筑面积为45500.34m2。拟建建筑四周为规划道路，南西侧通过站西路与黔灵山路相接，相距约60m，交通方便，施工场地环境良好。由于场地地处山边斜坡，工程开挖后将在场地东侧及北侧形成6.3011.25m高人工边坡，因边坡高度较大，均为土质边坡，其边坡稳定性较差。根据建筑边坡工程技术规范表3.2.2条，该边坡安全等级为二级，破坏后果严重。第三章 工程地质条件3.1地形地貌场地地处斜坡地带，场地高差较大。总体北高南低，地面高程为1236.481257.12m，最大高差20.64m，周围无不良地质现象危害场地，第四系覆盖土层厚度分布不均，场地稳定性较好。3.2地质构造拟建场地位于阳关背斜东翼，场区内多见基岩出露。根据区域地质资料和场地周围的露头分析，区内构造较简单，岩层呈单斜产出，岩层产状12048。场地内无大断层通过，节理裂隙不发育。3.3边坡岩土构成情况场地上覆土层主要为杂填土（ml）、红粘土（el+dl）及下伏基岩为中三叠统花溪组（T2h）地层，岩土分布、性状及厚度大小如下：（1）杂填土（Qml）：出露于场地北、西南侧回填部位，厚度在0.008.00m。主要由贵阳北站平场弃土组成，混有少量建筑弃渣及生活垃圾，主要由岩石碎石、碎块和回填粘土等组成；颜色较为混杂，以褐黄色为主。其中碎石含量大于60%，杂填土层层次不清，结构较松散。（2）残坡积红粘土（Qe l+dl）：位于场地杂填土层之下，呈褐黄色。质地较纯,含少量铁锰质；厚0.007.70m，分布较不均匀。红粘土按状态可分为硬塑、可塑两个单元。其中硬塑红粘土厚0.005.00m，一般2.503.70m；可塑红粘土厚0.003.40m，一般2.102.90m。（3）基岩（T2h）：中三叠统花溪组白云岩，中至厚层状，分布于整个场区，岩面起伏较大，钻探揭露，基岩可划分为强风化、中风化两个岩质单元，强风化岩质单元：钻探钻进较快，岩芯采取困难，部分干烧取芯均为砂状，已揭露厚度0.02.40m；中风化岩质单元：钻探岩芯多呈块状、短柱状及砂状，岩芯采取率一般在2070%之间。已探明厚度5.7010.30m。中风化基岩呈灰灰白色，岩体节理裂隙发育，较破碎，岩芯呈块状、短柱状及砂状，其饱和单轴抗压强度标准植为24.2Mpa，属较软岩类，根据GB50021-2001表3.2.2-3，岩体基本质量等级为类。3.4水文地质条件场地位于山边斜坡地段，在钻探过程中，未见地下水位；终孔24小时后测量其水位，埋藏深度为地面以下8.4022.40m。这些孔中水位标高变化不大，为1233.70m左右，为场地潜水面。第四章 GIS运用于基坑支护设计实例4.1 GIS软件设计基坑支护整体面钻孔点等值线生成利用ArcGis软件根据钻孔的坐标数据生成地形表面的等值线，从而直观的表现出该地形的大概情况。主要的操作步骤如下：1. 基坑支护设计前期进行地质勘查而进行打的钻孔，根据其分布的坐标数据将其导入CAD中生成对应的点如图4.1.1所示。图4.1.1基坑支护钻孔2. 在ArcMap中建立对应的点要素图层，再将CAD钻孔点的数据导入到ArcMap中建立的点要素土层中，如图4.1.2所示。图4.1.2 ArcMap钻孔点3. 在ArcMap中选择ArcToolbox工具，再选择3D Analyst工具下的TIN管理中的创建TIN，如图4.1.3所示。图4.1.3创建钻孔点的TIN数据4. 创建钻孔点的TIN数据后会生成如图4.1.4所示的效果。图4.1.4 钻孔点的TIN效果图5. 在钻孔点的TIN效果图生成后，再把钻孔点的TIN数据图转栅格图，在ArcMap中选择ArcToolbox工具，再选择3D Analyst工具下的转换中的TIN转栅格，如图4.1.5所示。图4.1.5钻孔TIN转栅格数据6. 钻孔TIN转栅格数据后生成如图4.1.6所示的效果图。图4.1.6 钻孔TIN转栅格数据效果图7. 钻孔TIN转栅格数据效果图生成后，将钻孔TIN转栅格数据转为地形等值线图层，在ArcMap中选择ArcToolbox工具，再选择3D Analyst工具下的栅格表面中的等值线，如图4.1.7所示。图4.1.7地形等值线设置数据8. 地形等值线生成后等到如图4.1.8的效果图。图4.1.8等值线效果图。到此为止完成了基坑支护的钻孔点的地形等值线的生成，由图上可清晰的看出该地块的地形情况和需要设立边坡支护的位置，这样就方便了设计人员对边坡情况的了解，比较直观的对其作出分析。4.2 GIS软件结合影像和基坑支护三维地形数据可视化分析基坑支护设计需要对其涉及地块的地形进行全面的了解，一种将影像和等值线数据结合起来从而形成三维的视图，可以更加直观的对地形全面的了解和分析，用ArcMap软件和Arcscene软件相互结合将基坑支护涉及地块的地形处理为三维模式，全方位的对其进行直观的分析，主要操作步骤如下：1. 将上面设计的钻孔的地形等值线在ArcMap中打开，如图4.2.1所示。图4.2.1钻孔的地形等值线图2. 在ArcMap中选择ArcToolbox工具，再选择3D Analyst工具下的TIN管理中的创建TIN，为钻孔的地形等值线图创建TIN，如图4.2.2所示。图4.2.2 钻孔的地形等值线图创建TIN图3. 生成钻孔的地形TIN数据层后，得到如图4.2.3所示的三维效果图。图4.2.3钻孔的地形等值线图创建TIN三维效果图4. 打开软件ArcScene，然后添加贵阳北站影像数据图，如图4.2.4所示。4.2.4贵阳北站影像数据图5. .在ArcScene软件中添加数据层“钻孔的地形等值线图创建TIN三维效果图”，得到如图4.2.5立体三维效果图。图4.2.5立体三维效果图6. 在ArcScene中添加钻孔点数据层，在对其进行拉伸后，得到如图4.2.6所示效果图。图4.2.6钻孔点位效果图到此就完成了用用ArcMap软件和Arcscene软件相互结合将基坑支护涉及地块的地形处理为三维图形模式，达到了全方位的对边坡体的地形结构三维可视化观察的目的。4.3 GIS软件结合Skerchup创建三维立体地层剖面可视化分析模型1. 打开Skerchup软件导入基坑支护CAD地形矢量图，如图4.3.1所示。图4.3.1Sketchup加载CAD地形图2. 利用Skerchup软件根据所得的数据对其进行模拟模型的建立，使其达到基本模型的建立效果，如图4.3.2所示。图4.3.2基本设计模拟模型图3. 选择其地形的一个切面进行解剖，并根据图4.3.3所示的图纸信息进行模拟设计，并使其达到如图4.3.4所示的效果图4.3.3基坑支护设计断面图 图4.3.4基坑支护断面三维可视化剖面图4. 完成了三维立体地层剖面可视化分析模型的设计，将文件导出为Esri Multipatch.mdb文件，如图4.3.5所示。 图4.3.5保存为GIS软件的MDB文件到此为止就完成了基坑支护设计三维立体地层剖面可视化分析模型的设计，可以用Arcscene打开该模型，并结合影像图作为三维参考分析模型。4.4护设计方案鉴于拟建贵阳站生产综合楼基坑边坡支护工程边坡较长，设计分段进行支护，按边长20m设置一段，分段间设置沉降缝。1. AE段场地边坡高度为1.26.7m，如图4.4.1所示，边坡体由杂填土及红粘土构成，由于场地有放坡空间，按1：1放坡开挖，不需要进行支护。图4.4.1A-E段边坡平面图2. EH段场地边坡高度为6.711.25m，如图4.4.2所示，边坡体由杂填土及红粘土构成，按57放坡开挖，高程1250.20m以上采用土钉+挂网喷射砼支护体系，土钉水平间距1.5m，竖向间距1.5m，土钉长度8.0m，钻孔直径90mm，倾角15，土钉钢筋采用25mm级螺纹钢筋，孔内灌注M20水泥砂浆，在坡面上挂8150150mm钢筋网，喷射100mm厚25砼,并在坡面上按20002000mm间距梅花形布置泄水管；高程1243.451250.20m段采用框架梁+预应力锚索支护体系，锚索水平间距为2.5m，垂直间距为2.5m，预应力锚索钻孔直径为130mm，锚索倾角15，灌注M30水泥砂浆 ，张拉锁定后进行封锚，整个坡面挂6.5200200mm双向钢筋网，喷射C25砼进行护面，厚度不小于100mm。其支护立面图如图4.4.3所示。图4.4.2E-H段边坡平面图图4.4.3E-H段支护立面图3. HI段场地边坡高度为11.25m，如图4.4.4所示，边坡体由杂填土及红粘土构成，按57放坡开挖，高程1250.20m以上采用土钉+挂网喷射砼支护体系，土钉水平间距1.5m，竖向间距1.5m，土钉长度8.0m，钻孔直径90mm，倾角15，土钉钢筋采用25mm级螺纹钢筋，孔内灌注M20水泥砂浆，在坡面上挂8150150mm钢筋网，喷射100mm厚25砼,并在坡面上按20002000mm间距梅花形布置泄水管；高程1243.451250.20m段采用框架梁+预应力锚索支护体系，锚索水平间距为2.5m，垂直间距为2.5m，预应力锚索钻孔直径为130mm，锚索倾角15，灌注M30水泥砂浆 ，张拉锁定后进行封锚，整个坡面挂6.5200200mm双向钢筋网，喷射C25砼进行护面，厚度不小于100mm。其支护立面图如图4.4.5所示。图4.4.4H-I段边坡平面图图4.4.5H-I段支护立面图4. IL段场地边坡高度为7.311.25m，如图4.4.6所示，边坡体由杂填土及红粘土构成，按62放坡开挖，高程1250.20m以上采用土钉+挂网喷射砼支护体系，土钉水平间距1.5m，竖向间距1.5m，土钉长度8.0m，钻孔直径90mm，倾角15，土钉钢筋采用25mm级螺纹钢筋，孔内灌注M20水泥砂浆，在坡面上挂8150150mm钢筋网，喷射100mm厚25砼,并在坡面上按20002000mm间距梅花形布置泄水管；高程1243.451250.20m段采用框架梁+预应力锚索支护体系，锚索水平间距为2.5m，垂直间距为2.5m，预应力锚索钻孔直径为130mm，锚索倾角15，灌注M30水泥砂浆 ，张拉锁定后进行封锚，整个坡面挂6.5200200mm双向钢筋网，喷射C25砼进行护面，厚度不小于100mm。其支护立面图如图4.4.7所示。图4.4.6I-L段边坡平面图图4.4.7I-L段支护立面图5. LM段场地边坡高度为3.87.3m，如图4.4.8所示，边坡体由杂填土及红粘土构成，由于场地有放坡空间，按1 ：1放坡开挖，不需要进行支护。图4.4.8L-M段边坡平面图第五章 GIS设计基坑支护方案的可行性分析和评价 5.1GIS设计基坑支护的可行性分析高层建筑基坑支护设计必须要根据该地块的地形情况和地质环境做出合理的设计，所以充分的了解地块项目所涉及区域地形情况是很有必要性的，然而GIS软件对地形处理的功能强大，特别在对于地形的处理方面能很好的设计出直观方面的地形矢量图数据层，GIS运用于基坑支护设计的可行性有如下几点：l 技术可行性GIS拥有强大的空间处理功能和对图形的处理功能，在数据分析、数据的采集、数据的编辑、数据的存储和管理、空间的查询和空间分析方面也比较的方便快速，而且准确性高。故GIS运用于高层建筑基坑支护设计中的技术可行性是可行的。l 经济可行性 运用GIS设计基坑支护地块的地形情况，能便于设计人员更加直观和准确的设计出相应的实施方案，能减少在实施工程中因设计错误而造成的不必要的损失，而且运用GIS设计基坑支护地形数据耗时和耗资小，除了专业的技术人员的工作费用外，几乎无其他耗资。所以GIS运用于高层建筑基坑支护设计中的经济可行性是可行的 。l 实用可行性 GIS三维空间信息的展示更为直观，空间的数据信息的存在形式主要是图像，这样更能方便人们通过最直观的视觉观察形式来了解空间的信息。GIS运用于高层建筑基坑支护三维设计，将基坑支护的地形抽象的数据处理成形象逼真的三维数据，提高信息的可视化和直观化，从而使设计人员做出更加准确而快速的判断。所以GIS运用于高层建筑基坑支护设计的实用可行性是可行的。5.2GIS设计基坑支护的评价高层建筑基坑支护设计是一项复杂而又很有灵活性的技术工作，一个完善的方案不仅可以提高工程的安全质量还能节约大量的资金投入，充分的利用GIS的技术，运用于高层建筑基坑支护设计中，为基坑支护设计提供准确地形数据和高效的参考。结合地形和实地影像直观的了解实地的地形情况，对地形的坡度起伏和周边环境可以全面的掌控，所以GIS技术在高层建筑基坑支护设计方面应用未来的发展是很有前景的。相对来说，可以减少设计人员的工作量，提高数据的处理效率，也同时提高了数据的准确性。从技术方面来说，GIS软件功能强大，包含了二维数据和三维数据的空间分析和数据的处理，完全可以满足高层建筑基坑支护设计技术所需求的功能，而却GIS软件可支持二次开发，如有不能实现的功能，可以再做软件的二次开发实现想要用的功能。从经济方面来说，节省了人力和物力，也能够相应的减少在实施工程中因设计错误而造成的不必要的损失，提高了高层建筑基坑支护设计项目的安全质量，相应的就降低了后期维护和治理的成本。从实用方面来说，GIS软件的操作简单，运用起来方便快捷。其数据处理速度快，而且准确性高，能有效的减少数据的处理错误和判断的失误，可以使设计更优质化和设计更精确化。这样就提高了工程的安全性，保障了使用者的人身安全，降低使用者的财产受威胁的风险。结论与建议高层建筑基坑支护设计是一项很复杂的工程，在其涉及的地形方面的技术问题可以运用GIS软件来进行处理和解决，本文就以GIS在高层建筑基坑支护设计中的地形数据处理方面展开设计，以贵阳北站内生产综合楼的基坑支护地形数据为实例，根据起钻孔数据设计出该地块所在区域内的地形面三维数据层面，通过以上的研究和设计，得到了以下的结论：1. 利用软件ArcMap软件技术是可以根据钻孔点数据处理成为等值线图层数据，并且可以直观的对其地形情况作分析，也能为高层建筑基坑支护设计提供数据和模型的参考。2. 利用ArcMap和Arcscene软件技术可以将实地钻孔数据生成的等值线数据层处理成为三维的地形面数据层，提供更加清晰的三维数据模型。综上所述GIS在高层建筑基坑支护设计中的地形数据处理的应用中，能很方面和很准确的生成需