港口工程地基计算系统（2008版）

喻志发，黄传志，杨京方，苗中海

（中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222）

0 引言

“港口工程地基计算系统”软件于1986年首次推出应用，1989年根据《港口工程技术规范》（1987）（以下简称“87规范”）规定的计算原则及有关土工计算原理，对软件进行了规范化的改编，推出第二版，1990年经交通部审定后开始在港口工程领域推广应用；1998年，按交通部新发布的相关规范（简称“98规范”）进行较大地改编、扩充，推出98版软件。该版软件在港口工程领域得到了广泛的应用，已成为最常用的工具性软件之一。

目前，新一轮的港口工程相关规范已经或即将颁布实施，有的计算方法在规范中有了较大地改变；计算机在工程界的应用水平大大提高，工程师们对计算系统提出了更高的要求；原计算系统也存在一些不完善的地方，需要进一步改进、完善。

基于以上原因，对“地基计算系统（98版）”进行了改版和升级，推出了“港口工程地基计算系统（2008版）”。2009年12月，获得了国家版权局颁发的软件著作权登记证书；2010年2月，通过了天津市软件评测中心的测评；2010年9月，通过了中国水运建设行业协会的鉴定，认为该技术成果达到了国际先进水平，可以在工程中广泛应用。

目前，新版软件所依托的主要规范JTS 147-1-2010《港口工程地基规范》已于2010年9月1日正式实施，作为该规范的主编单位，紧密结合规范的修订，港口工程地基计算系统软件也随之更新推出，希望能给各设计院所提供帮助。

1 软件的主要计算功能

1.1 土压力计算

按JTB 167-2-2009《重力式码头设计与施工规范》计算：

1）后填料等永久作用产生的土压力及其对计算底面前趾的力矩；

2）码头面可变作用产生的土压力及其对计算底面前趾的力矩。

1.2 抗倾、抗滑稳定性计算

按《重力式码头设计与施工规范》、JTJ 298-98《防波堤设计与施工规范》计算：

1）对墙（堤）底面的计算面前趾的抗倾稳定性；2）对墙（堤）底面、基床底面的抗滑稳定性。

1.3 地基承载力计算

1）按《港口工程地基规范》方法计算地基承载力竖向合力及抗力分项系数，其中，均质土地基、均布边载的情况，极限承载力竖向应力计算方法与98规范方法相同；非均质土的一般地基的极限承载力竖向应力计算方法为螺旋面计算模式（同样适用于均质土地基、均布边载的情况）。

2）按广义极限平衡法（螺旋面—螺旋面—平面计算模式）计算地基极限承载力竖向应力（适用于均质土地基、均布边载，成层土地基、一般形式的边载情况），并按规范方法计算地基承载力竖向合力及抗力分项系数。

3）按98规范确定的基础底面有效宽度，并按1）、2）计算的极限承载力竖向合力作为地基承载力竖向合力及抗力分项系数；以便与98规范方法的计算结果比较参考。

1.4 地基附加应力

按《港口工程地基规范》计算，结果为各级加荷及总荷载下的地基附加应力。

外荷载以建筑物的顶面为荷载作用面。施工中逐级增加的自重荷载，按断面的尺寸及材料容重计算，且以本级加荷的实际底面作为荷载作用面。但对于刚性基础（如重力式码头、直立堤），在其结构宽度内的所有荷载，均按作用于基底考虑（如基床应力计算所述）。水平荷载按作用于指定的位置计算。当地基有开挖情况时，荷载计算要去掉挖去部分的自重。边载按工程断面全部计入。

1.5 沉降计算

按《港口工程地基规范》计算，计算结果为各级加荷及总荷载下的地基最终沉降量，若干时刻的沉降量及其固结度（按沉降量加权平均的固结度）。

对永久作用按给出的标准值计算，对可变作用按其准永久值计算。按e-p曲线计算时，e-p曲线以若干个离散点的形式给出，由程序自动处理。按e-log p曲线计算时，可以考虑先期固结压力的影响。

1.6 固结计算

按《港口工程地基规范》计算，结果为若干时刻的分级加荷平均固结度（应力固结度）。

对地基中夹有透水层问题，程序将分成两个固结层处理：上固结层为顶部透水面至透水层顶面，按双面排水计算；下固结层为透水层底面至底部透水或不透水面（给定），按给出的单面或双面排水计算。

当地基打设砂井（塑料板）时，则在砂井区域内计入辐射向固结度，且允许在不同的土层中采用不同的辐射向固结系数进行计算。

1.7 岸坡整体稳定计算

按《港口工程地基规范》的方法（复合滑动面法、简单条分法）计算，保留了简化毕肖普法。

1）复合滑动面法，当按固结快剪强度指标或有效剪强度指标计算时，可考虑地基土中孔隙水压力的变化。当采用十字板剪或其它不排水剪强度指标计算时，可考虑因土体固结所引起的强度增长。

滑动面采用以下5种：圆弧面、螺旋面、平面—圆弧面—平面、平面—螺旋面—平面、给定的滑动面。

其中当不易给定危险的滑动面时，可给定危险滑动面所可能通过的软弱夹层（其中的若干段），自动形成螺旋面—软弱夹层的某一段—螺旋面、圆弧面—软弱夹层的某一段—圆弧面作为滑动面。

2）对于简单条分法，当按十字板剪或其它不排水剪强度指标计算时，可考虑因土体固结所引起的强度增长。按固结快剪强度指标，不考虑地基土中孔隙水压力的变化；可以考虑偶然作用（地震）的影响。

对铺设土工织物加筋垫层的工程，可按JTJ 239-2005《水运工程土工合成材料应用技术规范》方法考虑土工织物加筋垫层的抗滑作用。

3）简化毕肖普法，当按固结快剪强度指标或有效剪强度指标计算时，可考虑地基土中孔隙水压力的变化。

以上各种方法均可按每级加荷完成后的断面进行计算，也可以有选择地取某几级加荷的情况来计算；对于堤坝，可完成两面边坡的计算；可以考虑渗流作用的影响；可按要求计入水平力的影响；对有板桩的情况可不计算切过板桩的滑弧。

为了考虑不利荷载组合，程序中采用了两条措施：其一是在计算强度增长时可以采用与计算稳定所不同的水位，如按平均水位计算强度增长，按低水位计算稳定；其二是外荷载可以是临时性的，并仅在稳定计算中计入。

2 软件的前、后处理功能

为方便应用，系统专门开发了前、后处理功能。

2.1 前处理功能

新版软件工作界面有了比较大的变化，其前处理功能更直接、更简单、更方便，例如：用表格形式在汉字提示下键入数据。改版后的功能主要包括项目管理、数据编辑、数据管理等功能，工程断面信息的输入、修改辅以图形方式，实现了从AutoCAD环境下输入断面数据。

系统计算所需的数据文件，可按老版的输入方式（在文本文件中输入），也可在新版软件的输入界面中输入，新版软件界面如图1所示。数据共分成“断面数据”、“开挖断面”、“外部荷载”、“地基应力”、“工程结构”、“沉降数据”、“固结数据”、“稳定数据”、“承载力数据”共9个数据块。

图1 新版软件界面图

在新版软件中，增加了断面数据的AutoCAD输入（见图2），用户可以在AutoCAD环境下绘图或调入已绘制好的断面图按软件设定的原则，自动生成工程块，然后再进行每个块的参数设置（见图3），或者根据需要进行分割块、合并块、添加块等操作，再进入系统主界面，系统会自动把AutoCAD里的断面数据转换成计算需要的数据格式。这项功能的推出大大节约了断面数据的输入时间，方便了用户。

图2 AutoCAD环境下的断面数据输入

图3 AutoCAD环境下的块参数设置

为了满足各用户的习惯，每个块的参数设置可以在AutoCAD环境下输入，也可以在系统主界面下输入。

在“稳定数据”界面，计算方法的选择见图4。用户可以根据需要选择不同的计算方法，以便进行对比、选择。

图4 稳定计算方法的选择

2.2 后处理功能

新版软件的后处理功能包括数据分析计算、Word文件输出、Excel文件输出、图形输出和动画演示，比98版软件有了很大的提高。

数据分析计算完成后，点击“Word文件输出”，则在数据文件所在目录下会生成1个文件名与数据文件名相同的doc文件，文件中是详细的计算书，包括输入数据和输出数据。

对于有不同时刻沉降和固结度输出要求的计算，点击“Excel文件输出”，则在数据文件所在目录下会生成2个xls文件，分别是不同时刻不同位置的固结度、沉降数据，计算人员可根据计算结果进行图形的绘制和分析。

图形输出可以是工程断面图、结构受力图、固结沉降图、整体稳定图，图例分别见图5～8。

另外，系统还增加了动画演示功能，可按加载的时间对沉降、固结结果进行动画演示。

图5 工程断面图输出

图6 结构应力图输出

图7 沉降图输出

图8 整体稳定图输出

3 软件的主要特点

3.1 地基承载力计算

长期以来，对工程中常见的非均质土地基、非均布边载情况的地基承载力问题，尚没有工程界满意的计算方法与计算软件。

本软件采用的《港口工程地基规范》方法、广义极限平衡法，均质土地基、均布边载的情况下，计算的地基承载力竖向合力及抗力分项系数与98规范方法很接近；对非均质土的一般地基情况，计算的地基承载力竖向合力及抗力分项系数正确地反映了地基的实际承载能力。

另外增加的按“98规范”确定的基础底面有效宽度，并按上述两种方法计算地基承载力竖向合力及抗力分项系数，可以与“98规范”方法的计算结果进行比较参考。

所以，应用本软件，可以解决非均质土、非均布边载情况的地基承载力计算问题。

3.2 岸坡整体稳定计算

众所周知，在港口工程中，常用的（98规范）简单条分法、简化毕肖普方法、简布法均存在程度不同的问题：简单条分法计算结果一般偏小；简化毕肖普方法存在不适用情况；简布法计算过程经常不收敛。

本软件采用的复合滑动面法已列入JTS 147-1-2010《港口工程地基规范》，该方法不存在不适用的情况，计算结果与没有任何假定条件的广义极限平衡法非常接近，且计算过程简单，持久状况、短暂状况均适用，并对任意的滑动面均适用。

另外当不易给定危险的滑动面时，可给定危险滑动面所可能通过的软弱夹层（其中的若干段），软件可自动形成螺旋面—软弱夹层的某一段—螺旋面、圆弧面—软弱夹层的某一段—圆弧面作为滑动面，并进行计算。

所以，应用本软件，计算的抗力分项系数更合理、更可靠。

3.3 前、后处理功能

新版软件的前后处理功能更丰富、更方便，特别是增加的AutoCAD环境下的断面数据输入功能，节省了大量的时间，同时，也减少了断面输入出错的可能性。

4 工程实例验证及试用情况

4.1 工程实例验证

在《港口工程地基规范》的编写过程中，对30多项有代表性的工程实例运用港口工程地基计算系统（2008版）进行了验证计算。结果表明，系统的计算准确可靠，计算结果可在工程中直接应用。

4.2 试用情况

港口工程地基计算系统（2008版）在推出过程中，已在中交一航院、中交水运规划设计院、连云港港口工程设计研究院、天津港务局设计院等设计院所试用，普遍反映良好。

5 结论

港口工程地基计算系统（2008版）软件是紧密结合《港口工程地基规范》而推出的水运行业专业计算软件，经过多项有代表性工程实例的验证和多家设计院所的试用，计算结果可靠，应用方便，反映良好，可在水运行业推广使用。

[1]黄传志，喻志发，杨京方，等.港口工程地基计算系统2008版开发报告[R].天津：中交天津港湾工程研究院有限公司，2009.

[2]黄传志.地基计算系统[J].港口工程，1989（5）：33-38.

[3]JTS 147-1-2010，港口工程地基规范[S].