港口工程地基計(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

“港口工程地基計(jì)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(jiǎn)稱“87規(guī)范”）規(guī)定的計(jì)算原則及有關(guān)土工計(jì)算原理，對(duì)軟件進(jìn)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(jiǎn)稱“98規(guī)范”）進(jìn)行較大地改編、擴(kuò)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(shí)施，有的計(jì)算方法在規(guī)范中有了較大地改變；計(jì)算機(jī)在工程界的應(yīng)用水平大大提高，工程師們對(duì)計(jì)算系統(tǒng)提出了更高的要求；原計(jì)算系統(tǒng)也存在一些不完善的地方，需要進(jìn)一步改進(jìn)、完善。

基于以上原因，對(duì)“地基計(jì)算系統(tǒng)（98版）”進(jìn)行了改版和升級(jí)，推出了“港口工程地基計(jì)算系統(tǒng)（2008版）”。2009年12月，獲得了國(guó)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(píng)測(cè)中心的測(cè)評(píng)；2010年9月，通過了中國(guó)水運(yùn)建設(shè)行業(yè)協(xié)會(huì)的鑒定，認(rèn)為該技術(shù)成果達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)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(shí)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(jì)算系統(tǒng)軟件也隨之更新推出，希望能給各設(shè)計(jì)院所提供幫助。

1 軟件的主要計(jì)算功能

1.1 土壓力計(jì)算

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

1）后填料等永久作用產(chǎn)生的土壓力及其對(duì)計(jì)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(duì)計(jì)算底面前趾的力矩。

1.2 抗傾、抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

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

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

1.3 地基承載力計(jì)算

1）按《港口工程地基規(guī)范》方法計(jì)算地基承載力豎向合力及抗力分項(xiàng)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(jì)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(jì)算方法為螺旋面計(jì)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(jì)算模式）計(jì)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(jì)算地基承載力豎向合力及抗力分項(xiàng)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(jì)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(xiàng)系數(shù)；以便與98規(guī)范方法的計(jì)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(jì)算，結(jié)果為各級(jí)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(jí)增加的自重荷載，按斷面的尺寸及材料容重計(jì)算，且以本級(jí)加荷的實(shí)際底面作為荷載作用面。但對(duì)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(jì)算所述）。水平荷載按作用于指定的位置計(jì)算。當(dāng)?shù)鼗虚_挖情況時(shí)，荷載計(jì)算要去掉挖去部分的自重。邊載按工程斷面全部計(jì)入。

1.5 沉降計(jì)算

按《港口工程地基規(guī)范》計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為各級(jí)加荷及總荷載下的地基最終沉降量，若干時(shí)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(duì)永久作用按給出的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算，對(duì)可變作用按其準(zhǔn)永久值計(jì)算。按e-p曲線計(jì)算時(shí)，e-p曲線以若干個(gè)離散點(diǎn)的形式給出，由程序自動(dòng)處理。按e-log p曲線計(jì)算時(shí)，可以考慮先期固結(jié)壓力的影響。

1.6 固結(jié)計(jì)算

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

對(duì)地基中夾有透水層問題，程序?qū)⒎殖蓛蓚€(gè)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(jì)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(jì)算。

當(dāng)?shù)鼗蛟O(shè)砂井（塑料板）時(shí)，則在砂井區(qū)域內(nèi)計(jì)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(jìn)行計(jì)算。

1.7 岸坡整體穩(wěn)定計(jì)算

按《港口工程地基規(guī)范》的方法（復(fù)合滑動(dòng)面法、簡(jiǎn)單條分法）計(jì)算，保留了簡(jiǎn)化畢肖普法。

1）復(fù)合滑動(dòng)面法，當(dāng)按固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)或有效剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算時(shí)，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(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算時(shí)，可考慮因土體固結(jié)所引起的強(qiáng)度增長(zhǎng)。

滑動(dòng)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(dòng)面。

其中當(dāng)不易給定危險(xiǎn)的滑動(dòng)面時(shí)，可給定危險(xiǎn)滑動(dòng)面所可能通過的軟弱夾層（其中的若干段），自動(dòng)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(dòng)面。

2）對(duì)于簡(jiǎn)單條分法，當(dāng)按十字板剪或其它不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算時(shí)，可考慮因土體固結(jié)所引起的強(qiáng)度增長(zhǎng)。按固結(jié)快剪強(qiáng)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(duì)鋪設(shè)土工織物加筋墊層的工程，可按JTJ 239-2005《水運(yùn)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(jiǎn)化畢肖普法，當(dāng)按固結(jié)快剪強(qiáng)度指標(biāo)或有效剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算時(shí)，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(jí)加荷完成后的斷面進(jìn)行計(jì)算，也可以有選擇地取某幾級(jí)加荷的情況來(lái)計(jì)算；對(duì)于堤壩，可完成兩面邊坡的計(jì)算；可以考慮滲流作用的影響；可按要求計(jì)入水平力的影響；對(duì)有板樁的情況可不計(jì)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(jì)算強(qiáng)度增長(zhǎng)時(shí)可以采用與計(jì)算穩(wěn)定所不同的水位，如按平均水位計(jì)算強(qiáng)度增長(zhǎng)，按低水位計(jì)算穩(wěn)定；其二是外荷載可以是臨時(shí)性的，并僅在穩(wěn)定計(jì)算中計(jì)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(jiǎn)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)了從AutoCAD環(huán)境下輸入斷面數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)計(jì)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(gè)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(dòng)生成工程塊，然后再進(jìn)行每個(gè)塊的參數(shù)設(shè)置（見圖3），或者根據(jù)需要進(jìn)行分割塊、合并塊、添加塊等操作，再進(jìn)入系統(tǒng)主界面，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)把AutoCAD里的斷面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成計(jì)算需要的數(shù)據(jù)格式。這項(xiàng)功能的推出大大節(jié)約了斷面數(shù)據(jù)的輸入時(shí)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(gè)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(jì)算方法的選擇見圖4。用戶可以根據(jù)需要選擇不同的計(jì)算方法，以便進(jìn)行對(duì)比、選擇。

圖4 穩(wěn)定計(jì)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(jì)算、Word文件輸出、Excel文件輸出、圖形輸出和動(dòng)畫演示，比98版軟件有了很大的提高。

數(shù)據(jù)分析計(jì)算完成后，點(diǎn)擊“Word文件輸出”，則在數(shù)據(jù)文件所在目錄下會(huì)生成1個(gè)文件名與數(shù)據(jù)文件名相同的doc文件，文件中是詳細(xì)的計(jì)算書，包括輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)。

對(duì)于有不同時(shí)刻沉降和固結(jié)度輸出要求的計(jì)算，點(diǎn)擊“Excel文件輸出”，則在數(shù)據(jù)文件所在目錄下會(huì)生成2個(gè)xls文件，分別是不同時(shí)刻不同位置的固結(jié)度、沉降數(shù)據(jù)，計(jì)算人員可根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(dòng)畫演示功能，可按加載的時(shí)間對(duì)沉降、固結(jié)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)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(diǎn)

3.1 地基承載力計(jì)算

長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)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(jì)算方法與計(jì)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(jì)算的地基承載力豎向合力及抗力分項(xiàng)系數(shù)與98規(guī)范方法很接近；對(duì)非均質(zhì)土的一般地基情況，計(jì)算的地基承載力豎向合力及抗力分項(xiàng)系數(shù)正確地反映了地基的實(shí)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(jì)算地基承載力豎向合力及抗力分項(xiàng)系數(shù)，可以與“98規(guī)范”方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(jì)算問題。

3.2 岸坡整體穩(wěn)定計(jì)算

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

本軟件采用的復(fù)合滑動(dòng)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(jì)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(jì)算過程簡(jiǎn)單，持久狀況、短暫狀況均適用，并對(duì)任意的滑動(dòng)面均適用。

另外當(dāng)不易給定危險(xiǎn)的滑動(dòng)面時(shí)，可給定危險(xiǎn)滑動(dòng)面所可能通過的軟弱夾層（其中的若干段），軟件可自動(dòng)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(dòng)面，并進(jìn)行計(jì)算。

所以，應(yīng)用本軟件，計(jì)算的抗力分項(xiàng)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(shí)間，同時(shí)，也減少了斷面輸入出錯(cuò)的可能性。

4 工程實(shí)例驗(yàn)證及試用情況

4.1 工程實(shí)例驗(yàn)證

在《港口工程地基規(guī)范》的編寫過程中，對(duì)30多項(xiàng)有代表性的工程實(shí)例運(yùn)用港口工程地基計(jì)算系統(tǒng)（2008版）進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算。結(jié)果表明，系統(tǒng)的計(jì)算準(zhǔn)確可靠，計(jì)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(jì)算系統(tǒng)（2008版）在推出過程中，已在中交一航院、中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院、連云港港口工程設(shè)計(jì)研究院、天津港務(wù)局設(shè)計(jì)院等設(shè)計(jì)院所試用，普遍反映良好。

5 結(jié)論

港口工程地基計(jì)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(yùn)行業(yè)專業(yè)計(jì)算軟件，經(jīng)過多項(xiàng)有代表性工程實(shí)例的驗(yàn)證和多家設(shè)計(jì)院所的試用，計(jì)算結(jié)果可靠，應(yīng)用方便，反映良好，可在水運(yùn)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(jì)算系統(tǒng)2008版開發(fā)報(bào)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(jì)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].