擠密砂樁復(fù)合地基設(shè)計計算軟件研發(fā)

吳心怡，張曦*，龔濟平，時蓓玲，吳俊杰

（1.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

水下擠密砂樁是在專用的砂樁船上通過振動沉管設(shè)備和管腔加壓裝置把砂強制壓入水下軟弱地基中，經(jīng)過振動拔管、回打、擠密擴徑，形成擠密砂樁。水下擠密砂樁對地基的適應(yīng)性強，用于軟弱地基加固時，它可同時具有置換作用、擠密作用、加快固結(jié)作用，能直接、快速、顯著地提高軟弱地基的承載力，減少工后沉降，對后續(xù)工序的快速推進(jìn)十分有利，高置換率的擠密砂樁地基相當(dāng)于中密或密實的均質(zhì)砂基，可以直接成為重力式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)[1]。

隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，大量交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)正不斷向外海、深水海域發(fā)展，水下軟土地基加固逐漸成為關(guān)鍵的建筑施工技術(shù)。在眾多水下軟基加固技術(shù)中，水下擠密砂樁因其獨特的優(yōu)勢開始得到廣泛的應(yīng)用。

我國對擠密砂樁技術(shù)的研發(fā)始于2004年，2006年通過自主創(chuàng)新成功研制出國產(chǎn)化擠密砂樁施工船，2008年成功應(yīng)用于洋山深水港三期工程工作船碼頭[2]。

目前，依托港珠澳大橋人工島工程研制了新一代擠密砂樁施工船，并在工程區(qū)域得到大范圍應(yīng)用，取得了滿意的效果。然而，在國內(nèi)尚無擠密砂樁（SCP）復(fù)合地基設(shè)計計算軟件，給擠密砂樁加固技術(shù)的推廣應(yīng)用造成了一定的困難。因而，亟需開發(fā)擠密砂樁（SCP）復(fù)合地基設(shè)計計算軟件，以滿足設(shè)計計算需求。

1 開發(fā)原則

軟件采用可視化界面，數(shù)據(jù)輸入應(yīng)邏輯清晰、操作便捷，與目前行業(yè)內(nèi)通用的地基計算軟件的輸入模式盡量一致。軟件能夠適用于采用SCP進(jìn)行地基處理的地基設(shè)計計算，主要計算內(nèi)容包括土壓力、地基承載力、地基應(yīng)力、固結(jié)度、沉降、整體穩(wěn)定等。每步的計算結(jié)果均可調(diào)取，以便能及時檢查和修改，軟件能夠輸出可編輯的詳細(xì)計算書。

2 技術(shù)解決方案

在實現(xiàn)擠密砂樁計算系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)中，應(yīng)用成熟的技術(shù)和開發(fā)工具，以使其達(dá)到先進(jìn)性、科學(xué)性、實用性和經(jīng)濟性，提供良好的用戶界面，同時還強調(diào)系統(tǒng)的擴展性與開放性及系統(tǒng)創(chuàng)新性與前瞻性。

系統(tǒng)使用主流的C/S應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)框架.NET Framework，集成專業(yè)的繪圖控件，在界面中使用戶直觀了解設(shè)計計算的圖形變化等。數(shù)據(jù)存儲方面通過自主研發(fā)設(shè)計了一套自定義文件存儲結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)，自定義文件系統(tǒng)相比Access和Excel的存儲方式提高了IO讀寫的速度和其穩(wěn)定性，并可以存儲自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。

軟件采用模塊式開發(fā)，軟件框架見圖1，主要分為核心計算模塊、繪圖模塊、導(dǎo)入導(dǎo)出模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等。

圖1 軟件框架Fig.1 The software framework

3 開發(fā)系統(tǒng)組成

軟件主界面包含了新建、打開、保存、計算、打印和輸出計算結(jié)果及報表的功能，軟件主窗體內(nèi)可同時運行多個計算工程。軟件自帶一個已經(jīng)默認(rèn)賦值的工程模板，打開新工程時即調(diào)用此模板，修改參數(shù)后可使用保存功能將已重新賦值的工程以數(shù)據(jù)庫.mdb的文件格式保存至用戶指定的目錄。

使用計算功能前，需要先輸入所有的計算參數(shù)。在新建或打開工程文件時，會有一些默認(rèn)數(shù)據(jù)存在于各參數(shù)面板，用戶可根據(jù)需要對其進(jìn)行修改。

在每次計算完成并且生成報表及計算結(jié)果后，程序會自動以RTF格式將其保存。可使用打印功能將之以Word文檔格式打印輸出。

軟件參數(shù)設(shè)置主界面見圖2，左側(cè)為圖形繪制區(qū)域，該區(qū)域集成了繪圖插件，右側(cè)是參數(shù)設(shè)置區(qū)域，計算中所涉及的參數(shù)和方法名稱依次在該區(qū)域中設(shè)置。區(qū)域中的參數(shù)都具有一個默認(rèn)值，該默認(rèn)值即為默認(rèn)案例的數(shù)值。

圖2 軟件參數(shù)設(shè)置主界面Fig.2 M ain interface of software preferences

3.1 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置模塊是本軟件外部數(shù)據(jù)的主要來源之一，參數(shù)的類別主要包括：基本參數(shù)、坡線參數(shù)、超載參數(shù)、施工參數(shù)、附加參數(shù)1、附加參數(shù)2、附加參數(shù)3、附加參數(shù)4、堤壩參數(shù)、地基圖層參數(shù)、砂墊層參數(shù)和砂樁參數(shù)。參數(shù)設(shè)置模塊位于本軟件的右側(cè)，分為上部和下部兩個板塊，板塊之間存在一些關(guān)聯(lián)關(guān)系。

參數(shù)的錄入對軟件本身會有兩方面的影響：一方面軟件的繪圖區(qū)域是通過參數(shù)錄入數(shù)據(jù)和計算結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制圖形的，另一方面則是計算結(jié)果，計算結(jié)果需要參數(shù)錄入模塊的數(shù)據(jù)支持方能進(jìn)行計算。

3.2核心計算

3.2.1 地基附加應(yīng)力計算

計算各級加荷及總荷載下地基附加應(yīng)力時，參照J(rèn)TS 147-1—2010《港口工程地基規(guī)范》[3]，將堤壩荷載或施工荷載等劃分為條形面上均布垂直荷載、上三角形分布垂直荷載、下三角形分布垂直荷載三種形式疊加計算。

3.2.2 復(fù)合土層的內(nèi)摩擦角和黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值計算

復(fù)合土層的內(nèi)摩擦角和黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水下擠密砂樁設(shè)計與施工規(guī)范》進(jìn)行計算：

式中：φSP為復(fù)合土層內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值；m為面積置換率；μP為應(yīng)力集中系數(shù)；φP為樁體材料內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值；φS為樁間土內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值；CSP為復(fù)合土層黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；CS為樁間土黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；n為樁土應(yīng)力比。

3.2.3 沉降計算

地基的最終沉降量應(yīng)包括復(fù)合地基及下臥土層的沉降量。壓縮層的計算深度和下臥土層的沉降量按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 147-1—2010《港口工程地基規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

考慮擠密砂樁復(fù)合地基的沉降折減效應(yīng)，復(fù)合地基的沉降量S按下式計算：

式中：S0為原黏性土地基最終沉降量，m，按JTS 147-1—2010《港口工程地基規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行；βc為沉降折減比，置換率＞50%時宜采用式βc=1-m計算，置換率≤50%時宜采用式βc=計算[4]，亦可按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗選取；m

穩(wěn)定性計算方法可選用總應(yīng)力法和有效固結(jié)應(yīng)力法進(jìn)行計算。軟件可分別計算短暫狀況和持久狀況。計算中可根據(jù)具體情況將圓弧條分設(shè)置為指定范圍搜索最危險滑裂面和給定圓心半徑計算抗力分項系數(shù)兩種計算方式。

3.2.6 承載力計算

根據(jù)面積置換率及土層的內(nèi)摩擦角和黏聚力等參數(shù)，按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定計算復(fù)合地基承載力。

3.3 后處理

為使參數(shù)及計算過程更為直觀，軟件中集成了圖形控件，控件可以將各類計算在圖形上的變化直觀地展示出來。

主要功能有：瀏覽編輯DWG、DXF、BMP、JPG文件，支持SHX、TrueType字體顯示，DWG批量轉(zhuǎn)到PDF、DWF，圖面搜索表格提取，得到DWG文件中所有信息，測距離，捕捉，正交，實體閃爍，曲線離散、偏移、打斷，擴展數(shù)據(jù)讀寫，擴展記錄讀寫，構(gòu)造選擇集，響應(yīng)鼠標(biāo)鍵盤事件，打印，批量打印，鳥瞰，放大鏡，直接瀏覽服務(wù)器上的DWG文件，以及把DWG文件保存回服務(wù)器等。

在設(shè)計的軟件中，根據(jù)用戶的操作習(xí)慣將該控件放在系統(tǒng)的左側(cè)位置，便于對比瀏覽。

1）基本參數(shù)繪圖。通過參數(shù)的設(shè)置，在繪圖面板中能夠?qū)崿F(xiàn)實時更新圖形。用戶可以通過圖形形象，了解已經(jīng)被正確賦值的參數(shù)以及未被正確賦值的參數(shù)，可以在第一時間找到需要進(jìn)行修改的參數(shù)。

2）計算后的繪圖。計算繪圖分為3種類型：計算簡圖；竣工時地基沉降量；基準(zhǔn)期結(jié)束時地基沉降量。

3）報表生成。報表中展示了各類計算過程的詳細(xì)數(shù)據(jù)和常量信息。如果報表中展示的數(shù)據(jù)需要修改，用戶還可以進(jìn)行任意的編輯然后再另存為文件。

在操作習(xí)慣上，該控件具備了文本編輯器的所有功能，主要功能有：復(fù)制、粘貼、剪切、左右縮進(jìn)、修改字體、項目符號、增加超鏈接等功能，同時也包含了一系列Word的功能：增加表格、書簽、表格及底紋等高級功能，能夠滿足各種文檔的要求。該模塊需要用戶點擊菜單中的計算按鈕方能出現(xiàn)，位于系統(tǒng)的左側(cè)，當(dāng)生成報表時繪圖區(qū)域則隱藏。

4 計算書輸出

在菜單欄上選擇計算方式，點擊計算之后，界面就會顯示出計算書，見圖3。計算書中顯示計算參數(shù)及計算結(jié)果。在顯示的計算書中，可以對計算書進(jìn)行基本的編輯操作，包括查找、復(fù)制、粘貼和保存等功能，保存文件的格式為RTF格式，保存的文檔可以通過Word打開并處理。

5 結(jié)語

在對國內(nèi)外擠密砂樁設(shè)計計算方法梳理的基礎(chǔ)上，國內(nèi)首次開發(fā)了針對水下擠密砂樁復(fù)合地基沉降、穩(wěn)定性和承載力的設(shè)計計算軟件。

軟件實用性強，界面可視化，數(shù)據(jù)輸入邏輯清晰，主要計算方法選定合理，計算模型成熟，操作便捷，后處理功能完善。

軟件除了能夠滿足一般情況的計算，還考慮了施工期、使用期、多級荷載施加等情況，能夠?qū)φ叫巍⑷切巍⒕匦尾贾眯问降臄D密砂樁進(jìn)行設(shè)計計算。軟件成果通過了上海市軟件評測中心有限公司的鑒定測試，可用于擠密砂樁工程設(shè)計計算。利用該軟件對洋山深水港區(qū)三期臨時碼頭接長工程中的水下擠密砂樁復(fù)合地基進(jìn)行計算，驗證了軟件的準(zhǔn)確性，能夠滿足擠密砂樁設(shè)計的需求。

[1] 寺師昌明.擠密砂樁設(shè)計與施工[M].日本：地質(zhì)工學(xué)會，2009.TERASHIMasaaki.Design and construction of sand compaction piles[M].Japan:Geology Engineering Society,2009.

[2] 尹海卿.水下擠密砂樁加固軟土地基技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2013：18-49.YIN Hai-qing.A technique to treat themarine soft ground using sand compaction pile[M].Beijing:China Communications Press,2013:18-49.

[3]JTS147-1—2010，港口工程地基規(guī)范[S].JTS147-1—2010,Code for soil foundationsofportengineering[S].

[4] 張曦，吳心怡，尹海卿.水下擠密砂樁加固機理及沉降計算方法[J].中國港灣建設(shè)，2010（S1）：148-150.ZHANG Xi,WU Xin-yi,YIN Hai-qing.Reinforcing mechanism and settlement calculation method of sand compaction pile under thewater[J].China Harbour Engineering,2010(S1)：148-150.