《Developments in the Built Environment》：Integrating 3D geotechnical characterization and Geo-BIM for geohazard assessment in soft ground
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本研究针对海岸智慧城市建设中软土地基的复杂地质灾害评估难题，提出了一套决策支持框架。该研究整合了高密度岩土勘察数据与地统计建模，构建了高分辨率3D地基模型，实现了对沉降、液化及地震放大的区域化评估，并生成2D/3D灾害分区图嵌入Geo-BIM平台，为堤防设计、地基改良和风险缓解提供了数据驱动的决策依据，有力推动了岩土工程的数字化与智慧城市的数据驱动建设。
在当今全球城市化的浪潮中，沿海地区因其经济和战略价值，正成为智慧城市建设的热点区域。然而，这些地区往往面临着复杂的岩土工程挑战，特别是广泛分布的软土地基。软土具有强度低、压缩性高、易变形等特点，在荷载作用下极易产生过大的沉降；同时，在强震作用下，饱和的粉细砂或粉土地层又可能发生液化，导致地基承载力瞬间丧失，引发建筑物倾斜、开裂甚至倒塌等灾难性后果。2016年韩国庆州和2017年浦项发生的地震，就曾因区域特定的岩土不确定性而导致多种地质灾害现象同时发生，凸显了对城市地区地震诱发复杂地质灾害进行综合评估的迫切需求。
传统的岩土工程设计与灾害评估方法，往往依赖于有限的钻孔勘察数据和简化的二维剖面模型，难以精确捕捉复杂三维地层结构及其物理力学性质的空间变异性。这种“只见树木，不见森林”的局限，使得工程师在设计阶段难以对场地整体的灾害风险形成全局性、高精度的认识。与此同时，建筑信息模型（BIM）技术正在引领工程建设行业的数字化革命。将地理信息与BIM结合的Geo-BIM概念应运而生，为在统一数字平台上整合、管理和应用多源空间数据提供了可能。然而，如何将区域尺度的、高精度的地下空间三维模型与面向具体工程设计的Geo-BIM工作流有效衔接，仍然存在巨大的鸿沟。
为了解决这一挑战，韩国东国大学的Han-Saem Kim和Taek-Kyu Chung研究团队在《Developments in the Built Environment》上发表了一项创新性研究。他们提出并实践了一个用于海岸智慧城市的、基于场地特异性三维岩土表征的决策框架。该研究的核心目标在于识别沿海智慧城市建设场地的岩土脆弱性，并通过整合高密度场地调查数据、先进的地统计建模和一系列的岩土工程分析，将评估结果直接转化为可用于Geo-BIM平台的设计输入信息，从而实现从“区域模型”到“可操作设计数据”的无缝对接。
为了开展这项研究，研究人员采用了几个关键的技术方法。首先，他们在韩国西部一个经过疏浚和填海造地的海岸智慧城市规划区建立了研究试验场，通过多阶段（基础、实施和提案设计阶段）的密集场地调查，构建了一个包含多元岩土特性的地理数据库（Geo-database）。这套数据体系涵盖了268个钻孔/标准贯入试验（SPT）、28个孔压静力触探试验（CPTu）、45个井下地震测试、20个悬浮PS测井以及大量的室内共振柱和循环三轴试验等。其次，他们运用了被称为“纳米分区”（Nanozonation）的高分辨率三维地空间建模方法。该方法通过变差函数模型分析岩土特性的水平和垂直空间相关性，并利用场地特异性的最优地统计方法（本研究通过留一交叉验证选定为序贯高斯模拟，SGS）生成了5米×5米×1米网格精度的三维地基模型。最后，基于这个三维网格模型，他们利用岩土有限元分析软件ZSoil，分别进行了区域场地表征、固结沉降分析以及场地反应分析和相关的液化灾害分析，最终生成了可直接用于Geo-BIM的2D/3D灾害分区图和处理模块。
1. 多元岩土特性的地理数据库与3D地质空间表征
研究团队首先系统梳理并整合了所有勘察数据，构建了一个标准化的、具有元数据互操作性的地理数据库。该数据库基于空间数据库模式、关系数据库管理系统（RDBMS）和地理信息系统（GIS），有效管理了钻孔数据集、现场地震调查和其他现场/实验室测试信息。对于缺乏直接测量的区域，他们采用了层次化的数据选择程序，优先使用现场测试数据（如下孔测试的剪切波速VS），其次利用标准贯入试验击数N值等经验关系进行估算，确保了整个三维模型数据基础的连续性和可靠性。
在构建三维模型时，研究面临的关键挑战是如何从离散、不均匀分布的钻孔点数据中推演出连续的空间岩土特性。他们遵循了一套严谨的程序：1）基于三维空间坐标实现地层分类和土壤特性的空间信息化；2）基于变差函数建模和交叉验证选择最优空间插值技术；3）考虑空间密度和预测精度确定网格间距。通过对比反距离加权（IDW）、普通克里金法（OK）和序贯高斯模拟（SGS）三种插值方法在预测土层厚度上的表现，SGS因具有最低的均方根误差（0.3米）而被选为核心三维空间插值技术。进一步的独立验证（使用预留的15个钻孔数据）也证实了SGS框架能更有效地捕捉填海软土地基中的局部空间异质性。最终，他们构建了一个5米×5米×1米（X-Y-Z方向）、最大建模深度60米的三维网格网络，并为每个网格单元赋予了地层类型、标准贯入试验N值、剪切波速VS以及相关的岩土设计参数（如重度、粘聚力、内摩擦角）和动态特性参数（动态剪切模量Gd、动态杨氏模量Ed、动态体积模量Kd）。基于此模型生成的二维空间分布图清晰显示，研究区东北部区域存在较厚的软土层（最大厚度超过10米），这主要是由疏浚海湾淤泥回填所致。
2. 基于三维网格的固结沉降分析
基于上述高分辨率三维模型，研究得以可视化软土地基的脆弱性特征。他们首先根据N值小于10、锥尖阻力小于800 kN/m2的标准识别了软土区域的空间分布格局。随后，利用ZSoil软件，结合从三维网格中提取的各土层的固结参数（如固结系数Cv、压缩指数Cc等），对研究区进行了区域性的固结沉降分析。分析综合考虑了主固结、次压缩以及总沉降。结果显示，沉降分布与软土层厚度趋势一致，最大总沉降预测达96.2厘米，同样集中在由北至中的区域。根据总沉降计算结果，研究人员进一步估算了所需的预压堆载填土厚度，范围在0到2米之间，为软土地基改良（如采用塑料排水板PBD）的优化设计提供了定量依据。
3. 场地地震反应分析与液化灾害分区图绘制
这是本研究的另一大核心。为了高效处理海量的三维网格数据，研究团队开发了与ZSoil软件配套的前后处理模块。前处理模块将每个5米×5米的平面网格位置视为一个独立的一维土柱，自动从三维网格网络中提取场地特异的地层和属性，并生成一维有限元模型。分析采用了能捕捉应变相关刚度退化和滞回阻尼的硬化土小应变（HSS）模型，并将从小应变剪切模量Gmax(= ρVS2) 计算得到的初始刚度作为非线性分析的关键输入。
研究选取了七种具有不同震源和频率特征的地震动输入，包括板缘区的短周期波（八户波）和长周期波（大船渡波）、板内区地震波（浦项、庆州、塔巴斯、纳汉尼地震）以及一个人工波，以进行鲁棒的、基于情景的分析。基于三维网格网络，研究人员计算了每个网格位置在不同地震动下的最大加速度、循环应力比（CSR）以及抗液化安全系数（FSliq）。分析表明，约12%的地基在3-5米深度范围内存在FSliq小于等于1.0的液化脆弱层，且这些液化层集中分布在土层较厚、地震放大效应明显的东北部区域。
为了评估液化可能引发的地表灾害程度，研究进一步引入了液化潜力指数（LPI）和液化严重性指数（LSN）两种灾害指标。LPI反映了液化对地表的影响程度，而LSN则考虑了地震引起的体积应变率。通过对每个单元网格垂直方向上的FSliq和体积应变函数进行积分，生成了研究区5米×5米网格精度的LPI和LSN二维分布图。根据不同输入地震动的计算结果，所有地震动一致地将北部和南部的填海区域识别为最脆弱地带。研究人员还将基于三维网格灾害图提取的FSliq值与在独立预留钻孔处进行的特定场地一维分析结果进行了定量验证。对比显示，所有七种地震动下，预测值与独立分析值高度吻合，决定系数R2均超过0.92，证明了该三维表征与灾害分区框架的可靠性与决策相关性。
研究结论与意义
本研究成功开发并验证了一个集成的决策框架，用于海岸智慧城市建设中的场地特异性三维岩土表征与地质灾害评估。其核心创新在于提出了“纳米分区”方法，并实现了高保真三维地理数据库、场地特异性岩土分析套件与Geo-BIM工作流在一个单一流程中的整体集成。通过该框架，研究人员在一个韩国西部的填海试验区构建了高分辨率（5米网格）的三维地基模型，并系统开展了区域场地表征、固结沉降分析及地震液化灾害分析。
研究得出结论：1）高密度的场地调查数据与先进的地统计建模（尤其是序贯高斯模拟SGS）相结合，能够可靠地构建反映复杂空间变异性的高分辨率三维岩土地下模型。2）基于此类三维模型，可以精准识别软土深厚区、大沉降风险区以及地震液化高风险区（如研究区东北部），其预测结果通过了独立数据的验证。3）通过开发自动化的前后处理模块，能够高效地将三维分析结果转化为工程可直接使用的2D/3D灾害分区图（如沉降等值线图、LPI/LSN液化灾害分区图）。4）这些分区图和模块能够为初步土方工程、软土地基改良设计（如确定预压荷载、排水板布置）以及抗液化地基加固方法的设计提供直接的、面向设计的输入信息，并可无缝嵌入Geo-BIM平台，指导堤防设计、地面改进规划和风险缓解。
这项研究的重要意义在于，它有效弥合了区域尺度地下表征与场地特异性工程设计之间的鸿沟，将传统的岩土工程分析提升至数字化、可视化和定量化的新阶段。所提出的框架不仅提高了地质灾害预测的可靠性和风险缓解策略的有效性，而且通过Geo-BIM的整合，为智慧城市发展和数字建造中的数据驱动决策提供了强有力的技术支持，标志着岩土工程数字化转型迈出了关键一步。
