港口工程地基計算系統(tǒng)（2008版）

喻志發(fā)，黃傳志，楊京方，苗中海

（中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222）

0 引言

“港口工程地基計算系統(tǒng)”軟件于1986年首次推出應(yīng)用，1989年根據(jù)《港口工程技術(shù)規(guī)范》（1987）（以下簡稱“87規(guī)范”）規(guī)定的計算原則及有關(guān)土工計算原理，對軟件進行了規(guī)范化的改編，推出第二版，1990年經(jīng)交通部審定后開始在港口工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用；1998年，按交通部新發(fā)布的相關(guān)規(guī)范（簡稱“98規(guī)范”）進行較大地改編、擴充，推出98版軟件。該版軟件在港口工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，已成為最常用的工具性軟件之一。

目前，新一輪的港口工程相關(guān)規(guī)范已經(jīng)或即將頒布實施，有的計算方法在規(guī)范中有了較大地改變；計算機在工程界的應(yīng)用水平大大提高，工程師們對計算系統(tǒng)提出了更高的要求；原計算系統(tǒng)也存在一些不完善的地方，需要進一步改進、完善。

基于以上原因，對“地基計算系統(tǒng)（98版）”進行了改版和升級，推出了“港口工程地基計算系統(tǒng)（2008版）”。2009年12月，獲得了國家版權(quán)局頒發(fā)的軟件著作權(quán)登記證書；2010年2月，通過了天津市軟件評測中心的測評；2010年9月，通過了中國水運建設(shè)行業(yè)協(xié)會的鑒定，認為該技術(shù)成果達到了國際先進水平，可以在工程中廣泛應(yīng)用。

目前，新版軟件所依托的主要規(guī)范JTS 147-1-2010《港口工程地基規(guī)范》已于2010年9月1日正式實施，作為該規(guī)范的主編單位，緊密結(jié)合規(guī)范的修訂，港口工程地基計算系統(tǒng)軟件也隨之更新推出，希望能給各設(shè)計院所提供幫助。

1 軟件的主要計算功能

1.1 土壓力計算

按JTB 167-2-2009《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》計算：

1）后填料等永久作用產(chǎn)生的土壓力及其對計算底面前趾的力矩；

2）碼頭面可變作用產(chǎn)生的土壓力及其對計算底面前趾的力矩。

1.2 抗傾、抗滑穩(wěn)定性計算

按《重力式碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》、JTJ 298-98《防波堤設(shè)計與施工規(guī)范》計算：

1）對墻（堤）底面的計算面前趾的抗傾穩(wěn)定性；2）對墻（堤）底面、基床底面的抗滑穩(wěn)定性。

1.3 地基承載力計算

1）按《港口工程地基規(guī)范》方法計算地基承載力豎向合力及抗力分項系數(shù)，其中，均質(zhì)土地基、均布邊載的情況，極限承載力豎向應(yīng)力計算方法與98規(guī)范方法相同；非均質(zhì)土的一般地基的極限承載力豎向應(yīng)力計算方法為螺旋面計算模式（同樣適用于均質(zhì)土地基、均布邊載的情況）。

2）按廣義極限平衡法（螺旋面—螺旋面—平面計算模式）計算地基極限承載力豎向應(yīng)力（適用于均質(zhì)土地基、均布邊載，成層土地基、一般形式的邊載情況），并按規(guī)范方法計算地基承載力豎向合力及抗力分項系數(shù)。

3）按98規(guī)范確定的基礎(chǔ)底面有效寬度，并按1）、2）計算的極限承載力豎向合力作為地基承載力豎向合力及抗力分項系數(shù)；以便與98規(guī)范方法的計算結(jié)果比較參考。

1.4 地基附加應(yīng)力

按《港口工程地基規(guī)范》計算，結(jié)果為各級加荷及總荷載下的地基附加應(yīng)力。

外荷載以建筑物的頂面為荷載作用面。施工中逐級增加的自重荷載，按斷面的尺寸及材料容重計算，且以本級加荷的實際底面作為荷載作用面。但對于剛性基礎(chǔ)（如重力式碼頭、直立堤），在其結(jié)構(gòu)寬度內(nèi)的所有荷載，均按作用于基底考慮（如基床應(yīng)力計算所述）。水平荷載按作用于指定的位置計算。當(dāng)?shù)鼗虚_挖情況時，荷載計算要去掉挖去部分的自重。邊載按工程斷面全部計入。

1.5 沉降計算

按《港口工程地基規(guī)范》計算，計算結(jié)果為各級加荷及總荷載下的地基最終沉降量，若干時刻的沉降量及其固結(jié)度（按沉降量加權(quán)平均的固結(jié)度）。

對永久作用按給出的標(biāo)準(zhǔn)值計算，對可變作用按其準(zhǔn)永久值計算。按e-p曲線計算時，e-p曲線以若干個離散點的形式給出，由程序自動處理。按e-log p曲線計算時，可以考慮先期固結(jié)壓力的影響。

1.6 固結(jié)計算

按《港口工程地基規(guī)范》計算，結(jié)果為若干時刻的分級加荷平均固結(jié)度（應(yīng)力固結(jié)度）。

對地基中夾有透水層問題，程序?qū)⒎殖蓛蓚€固結(jié)層處理：上固結(jié)層為頂部透水面至透水層頂面，按雙面排水計算；下固結(jié)層為透水層底面至底部透水或不透水面（給定），按給出的單面或雙面排水計算。

當(dāng)?shù)鼗蛟O(shè)砂井（塑料板）時，則在砂井區(qū)域內(nèi)計入輻射向固結(jié)度，且允許在不同的土層中采用不同的輻射向固結(jié)系數(shù)進行計算。

1.7 岸坡整體穩(wěn)定計算

按《港口工程地基規(guī)范》的方法（復(fù)合滑動面法、簡單條分法）計算，保留了簡化畢肖普法。

1）復(fù)合滑動面法，當(dāng)按固結(jié)快剪強度指標(biāo)或有效剪強度指標(biāo)計算時，可考慮地基土中孔隙水壓力的變化。當(dāng)采用十字板剪或其它不排水剪強度指標(biāo)計算時，可考慮因土體固結(jié)所引起的強度增長。

滑動面采用以下5種：圓弧面、螺旋面、平面—圓弧面—平面、平面—螺旋面—平面、給定的滑動面。

其中當(dāng)不易給定危險的滑動面時，可給定危險滑動面所可能通過的軟弱夾層（其中的若干段），自動形成螺旋面—軟弱夾層的某一段—螺旋面、圓弧面—軟弱夾層的某一段—圓弧面作為滑動面。

2）對于簡單條分法，當(dāng)按十字板剪或其它不排水剪強度指標(biāo)計算時，可考慮因土體固結(jié)所引起的強度增長。按固結(jié)快剪強度指標(biāo)，不考慮地基土中孔隙水壓力的變化；可以考慮偶然作用（地震）的影響。

對鋪設(shè)土工織物加筋墊層的工程，可按JTJ 239-2005《水運工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》方法考慮土工織物加筋墊層的抗滑作用。

3）簡化畢肖普法，當(dāng)按固結(jié)快剪強度指標(biāo)或有效剪強度指標(biāo)計算時，可考慮地基土中孔隙水壓力的變化。

以上各種方法均可按每級加荷完成后的斷面進行計算，也可以有選擇地取某幾級加荷的情況來計算；對于堤壩，可完成兩面邊坡的計算；可以考慮滲流作用的影響；可按要求計入水平力的影響；對有板樁的情況可不計算切過板樁的滑弧。

為了考慮不利荷載組合，程序中采用了兩條措施：其一是在計算強度增長時可以采用與計算穩(wěn)定所不同的水位，如按平均水位計算強度增長，按低水位計算穩(wěn)定；其二是外荷載可以是臨時性的，并僅在穩(wěn)定計算中計入。

2 軟件的前、后處理功能

為方便應(yīng)用，系統(tǒng)專門開發(fā)了前、后處理功能。

2.1 前處理功能

新版軟件工作界面有了比較大的變化，其前處理功能更直接、更簡單、更方便，例如：用表格形式在漢字提示下鍵入數(shù)據(jù)。改版后的功能主要包括項目管理、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)管理等功能，工程斷面信息的輸入、修改輔以圖形方式，實現(xiàn)了從AutoCAD環(huán)境下輸入斷面數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)計算所需的數(shù)據(jù)文件，可按老版的輸入方式（在文本文件中輸入），也可在新版軟件的輸入界面中輸入，新版軟件界面如圖1所示。數(shù)據(jù)共分成“斷面數(shù)據(jù)”、“開挖斷面”、“外部荷載”、“地基應(yīng)力”、“工程結(jié)構(gòu)”、“沉降數(shù)據(jù)”、“固結(jié)數(shù)據(jù)”、“穩(wěn)定數(shù)據(jù)”、“承載力數(shù)據(jù)”共9個數(shù)據(jù)塊。

圖1 新版軟件界面圖

在新版軟件中，增加了斷面數(shù)據(jù)的AutoCAD輸入（見圖2），用戶可以在AutoCAD環(huán)境下繪圖或調(diào)入已繪制好的斷面圖按軟件設(shè)定的原則，自動生成工程塊，然后再進行每個塊的參數(shù)設(shè)置（見圖3），或者根據(jù)需要進行分割塊、合并塊、添加塊等操作，再進入系統(tǒng)主界面，系統(tǒng)會自動把AutoCAD里的斷面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計算需要的數(shù)據(jù)格式。這項功能的推出大大節(jié)約了斷面數(shù)據(jù)的輸入時間，方便了用戶。

圖2 AutoCAD環(huán)境下的斷面數(shù)據(jù)輸入

圖3 AutoCAD環(huán)境下的塊參數(shù)設(shè)置

為了滿足各用戶的習(xí)慣，每個塊的參數(shù)設(shè)置可以在AutoCAD環(huán)境下輸入，也可以在系統(tǒng)主界面下輸入。

在“穩(wěn)定數(shù)據(jù)”界面，計算方法的選擇見圖4。用戶可以根據(jù)需要選擇不同的計算方法，以便進行對比、選擇。

圖4 穩(wěn)定計算方法的選擇

2.2 后處理功能

新版軟件的后處理功能包括數(shù)據(jù)分析計算、Word文件輸出、Excel文件輸出、圖形輸出和動畫演示，比98版軟件有了很大的提高。

數(shù)據(jù)分析計算完成后，點擊“Word文件輸出”，則在數(shù)據(jù)文件所在目錄下會生成1個文件名與數(shù)據(jù)文件名相同的doc文件，文件中是詳細的計算書，包括輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)。

對于有不同時刻沉降和固結(jié)度輸出要求的計算，點擊“Excel文件輸出”，則在數(shù)據(jù)文件所在目錄下會生成2個xls文件，分別是不同時刻不同位置的固結(jié)度、沉降數(shù)據(jù)，計算人員可根據(jù)計算結(jié)果進行圖形的繪制和分析。

圖形輸出可以是工程斷面圖、結(jié)構(gòu)受力圖、固結(jié)沉降圖、整體穩(wěn)定圖，圖例分別見圖5～8。

另外，系統(tǒng)還增加了動畫演示功能，可按加載的時間對沉降、固結(jié)結(jié)果進行動畫演示。

圖5 工程斷面圖輸出

圖6 結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖輸出

圖7 沉降圖輸出

圖8 整體穩(wěn)定圖輸出

3 軟件的主要特點

3.1 地基承載力計算

長期以來，對工程中常見的非均質(zhì)土地基、非均布邊載情況的地基承載力問題，尚沒有工程界滿意的計算方法與計算軟件。

本軟件采用的《港口工程地基規(guī)范》方法、廣義極限平衡法，均質(zhì)土地基、均布邊載的情況下，計算的地基承載力豎向合力及抗力分項系數(shù)與98規(guī)范方法很接近；對非均質(zhì)土的一般地基情況，計算的地基承載力豎向合力及抗力分項系數(shù)正確地反映了地基的實際承載能力。

另外增加的按“98規(guī)范”確定的基礎(chǔ)底面有效寬度，并按上述兩種方法計算地基承載力豎向合力及抗力分項系數(shù)，可以與“98規(guī)范”方法的計算結(jié)果進行比較參考。

所以，應(yīng)用本軟件，可以解決非均質(zhì)土、非均布邊載情況的地基承載力計算問題。

3.2 岸坡整體穩(wěn)定計算

眾所周知，在港口工程中，常用的（98規(guī)范）簡單條分法、簡化畢肖普方法、簡布法均存在程度不同的問題：簡單條分法計算結(jié)果一般偏小；簡化畢肖普方法存在不適用情況；簡布法計算過程經(jīng)常不收斂。

本軟件采用的復(fù)合滑動面法已列入JTS 147-1-2010《港口工程地基規(guī)范》，該方法不存在不適用的情況，計算結(jié)果與沒有任何假定條件的廣義極限平衡法非常接近，且計算過程簡單，持久狀況、短暫狀況均適用，并對任意的滑動面均適用。

另外當(dāng)不易給定危險的滑動面時，可給定危險滑動面所可能通過的軟弱夾層（其中的若干段），軟件可自動形成螺旋面—軟弱夾層的某一段—螺旋面、圓弧面—軟弱夾層的某一段—圓弧面作為滑動面，并進行計算。

所以，應(yīng)用本軟件，計算的抗力分項系數(shù)更合理、更可靠。

3.3 前、后處理功能

新版軟件的前后處理功能更豐富、更方便，特別是增加的AutoCAD環(huán)境下的斷面數(shù)據(jù)輸入功能，節(jié)省了大量的時間，同時，也減少了斷面輸入出錯的可能性。

4 工程實例驗證及試用情況

4.1 工程實例驗證

在《港口工程地基規(guī)范》的編寫過程中，對30多項有代表性的工程實例運用港口工程地基計算系統(tǒng)（2008版）進行了驗證計算。結(jié)果表明，系統(tǒng)的計算準(zhǔn)確可靠，計算結(jié)果可在工程中直接應(yīng)用。

4.2 試用情況

港口工程地基計算系統(tǒng)（2008版）在推出過程中，已在中交一航院、中交水運規(guī)劃設(shè)計院、連云港港口工程設(shè)計研究院、天津港務(wù)局設(shè)計院等設(shè)計院所試用，普遍反映良好。

5 結(jié)論

港口工程地基計算系統(tǒng)（2008版）軟件是緊密結(jié)合《港口工程地基規(guī)范》而推出的水運行業(yè)專業(yè)計算軟件，經(jīng)過多項有代表性工程實例的驗證和多家設(shè)計院所的試用，計算結(jié)果可靠，應(yīng)用方便，反映良好，可在水運行業(yè)推廣使用。

[1]黃傳志，喻志發(fā)，楊京方，等.港口工程地基計算系統(tǒng)2008版開發(fā)報告[R].天津：中交天津港灣工程研究院有限公司，2009.

[2]黃傳志.地基計算系統(tǒng)[J].港口工程，1989（5）：33-38.

[3]JTS 147-1-2010，港口工程地基規(guī)范[S].