挤密砂桩复合地基设计计算软件研发

吴心怡，张曦*，龚济平，时蓓玲，吴俊杰

（1.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032；2.中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

水下挤密砂桩是在专用的砂桩船上通过振动沉管设备和管腔加压装置把砂强制压入水下软弱地基中，经过振动拔管、回打、挤密扩径，形成挤密砂桩。水下挤密砂桩对地基的适应性强，用于软弱地基加固时，它可同时具有置换作用、挤密作用、加快固结作用，能直接、快速、显著地提高软弱地基的承载力，减少工后沉降，对后续工序的快速推进十分有利，高置换率的挤密砂桩地基相当于中密或密实的均质砂基，可以直接成为重力式结构的基础[1]。

随着经济高速发展，大量交通运输基础设施的建设正不断向外海、深水海域发展，水下软土地基加固逐渐成为关键的建筑施工技术。在众多水下软基加固技术中，水下挤密砂桩因其独特的优势开始得到广泛的应用。

我国对挤密砂桩技术的研发始于2004年，2006年通过自主创新成功研制出国产化挤密砂桩施工船，2008年成功应用于洋山深水港三期工程工作船码头[2]。

目前，依托港珠澳大桥人工岛工程研制了新一代挤密砂桩施工船，并在工程区域得到大范围应用，取得了满意的效果。然而，在国内尚无挤密砂桩（SCP）复合地基设计计算软件，给挤密砂桩加固技术的推广应用造成了一定的困难。因而，亟需开发挤密砂桩（SCP）复合地基设计计算软件，以满足设计计算需求。

1 开发原则

软件采用可视化界面，数据输入应逻辑清晰、操作便捷，与目前行业内通用的地基计算软件的输入模式尽量一致。软件能够适用于采用SCP进行地基处理的地基设计计算，主要计算内容包括土压力、地基承载力、地基应力、固结度、沉降、整体稳定等。每步的计算结果均可调取，以便能及时检查和修改，软件能够输出可编辑的详细计算书。

2 技术解决方案

在实现挤密砂桩计算系统的设计和开发中，应用成熟的技术和开发工具，以使其达到先进性、科学性、实用性和经济性，提供良好的用户界面，同时还强调系统的扩展性与开放性及系统创新性与前瞻性。

系统使用主流的C/S应用系统开发框架.NET Framework，集成专业的绘图控件，在界面中使用户直观了解设计计算的图形变化等。数据存储方面通过自主研发设计了一套自定义文件存储结构的文件系统，自定义文件系统相比Access和Excel的存储方式提高了IO读写的速度和其稳定性，并可以存储自定义数据结构的数据。

软件采用模块式开发，软件框架见图1，主要分为核心计算模块、绘图模块、导入导出模块、数据存储模块等。

图1 软件框架Fig.1 The software framework

3 开发系统组成

软件主界面包含了新建、打开、保存、计算、打印和输出计算结果及报表的功能，软件主窗体内可同时运行多个计算工程。软件自带一个已经默认赋值的工程模板，打开新工程时即调用此模板，修改参数后可使用保存功能将已重新赋值的工程以数据库.mdb的文件格式保存至用户指定的目录。

使用计算功能前，需要先输入所有的计算参数。在新建或打开工程文件时，会有一些默认数据存在于各参数面板，用户可根据需要对其进行修改。

在每次计算完成并且生成报表及计算结果后，程序会自动以RTF格式将其保存。可使用打印功能将之以Word文档格式打印输出。

软件参数设置主界面见图2，左侧为图形绘制区域，该区域集成了绘图插件，右侧是参数设置区域，计算中所涉及的参数和方法名称依次在该区域中设置。区域中的参数都具有一个默认值，该默认值即为默认案例的数值。

图2 软件参数设置主界面Fig.2 M ain interface of software preferences

3.1 参数设置

参数设置模块是本软件外部数据的主要来源之一，参数的类别主要包括：基本参数、坡线参数、超载参数、施工参数、附加参数1、附加参数2、附加参数3、附加参数4、堤坝参数、地基图层参数、砂垫层参数和砂桩参数。参数设置模块位于本软件的右侧，分为上部和下部两个板块，板块之间存在一些关联关系。

参数的录入对软件本身会有两方面的影响：一方面软件的绘图区域是通过参数录入数据和计算结果数据进行绘制图形的，另一方面则是计算结果，计算结果需要参数录入模块的数据支持方能进行计算。

3.2核心计算

3.2.1 地基附加应力计算

计算各级加荷及总荷载下地基附加应力时，参照JTS 147-1—2010《港口工程地基规范》[3]，将堤坝荷载或施工荷载等划分为条形面上均布垂直荷载、上三角形分布垂直荷载、下三角形分布垂直荷载三种形式叠加计算。

3.2.2 复合土层的内摩擦角和黏聚力标准值计算

复合土层的内摩擦角和黏聚力标准值参照企业标准《水下挤密砂桩设计与施工规范》进行计算：

式中：φSP为复合土层内摩擦角标准值；m为面积置换率；μP为应力集中系数；φP为桩体材料内摩擦角标准值；φS为桩间土内摩擦角标准值；CSP为复合土层黏聚力标准值，kPa；CS为桩间土黏聚力标准值，kPa；n为桩土应力比。

3.2.3 沉降计算

地基的最终沉降量应包括复合地基及下卧土层的沉降量。压缩层的计算深度和下卧土层的沉降量按现行行业标准JTS 147-1—2010《港口工程地基规范》的有关规定执行。

考虑挤密砂桩复合地基的沉降折减效应，复合地基的沉降量S按下式计算：

式中：S0为原黏性土地基最终沉降量，m，按JTS 147-1—2010《港口工程地基规范》的有关规定执行；βc为沉降折减比，置换率＞50%时宜采用式βc=1-m计算，置换率≤50%时宜采用式βc=计算[4]，亦可按当地经验选取；m

稳定性计算方法可选用总应力法和有效固结应力法进行计算。软件可分别计算短暂状况和持久状况。计算中可根据具体情况将圆弧条分设置为指定范围搜索最危险滑裂面和给定圆心半径计算抗力分项系数两种计算方式。

3.2.6 承载力计算

根据面积置换率及土层的内摩擦角和黏聚力等参数，按现行行业标准的有关规定计算复合地基承载力。

3.3 后处理

为使参数及计算过程更为直观，软件中集成了图形控件，控件可以将各类计算在图形上的变化直观地展示出来。

主要功能有：浏览编辑DWG、DXF、BMP、JPG文件，支持SHX、TrueType字体显示，DWG批量转到PDF、DWF，图面搜索表格提取，得到DWG文件中所有信息，测距离，捕捉，正交，实体闪烁，曲线离散、偏移、打断，扩展数据读写，扩展记录读写，构造选择集，响应鼠标键盘事件，打印，批量打印，鸟瞰，放大镜，直接浏览服务器上的DWG文件，以及把DWG文件保存回服务器等。

在设计的软件中，根据用户的操作习惯将该控件放在系统的左侧位置，便于对比浏览。

1）基本参数绘图。通过参数的设置，在绘图面板中能够实现实时更新图形。用户可以通过图形形象，了解已经被正确赋值的参数以及未被正确赋值的参数，可以在第一时间找到需要进行修改的参数。

2）计算后的绘图。计算绘图分为3种类型：计算简图；竣工时地基沉降量；基准期结束时地基沉降量。

3）报表生成。报表中展示了各类计算过程的详细数据和常量信息。如果报表中展示的数据需要修改，用户还可以进行任意的编辑然后再另存为文件。

在操作习惯上，该控件具备了文本编辑器的所有功能，主要功能有：复制、粘贴、剪切、左右缩进、修改字体、项目符号、增加超链接等功能，同时也包含了一系列Word的功能：增加表格、书签、表格及底纹等高级功能，能够满足各种文档的要求。该模块需要用户点击菜单中的计算按钮方能出现，位于系统的左侧，当生成报表时绘图区域则隐藏。

4 计算书输出

在菜单栏上选择计算方式，点击计算之后，界面就会显示出计算书，见图3。计算书中显示计算参数及计算结果。在显示的计算书中，可以对计算书进行基本的编辑操作，包括查找、复制、粘贴和保存等功能，保存文件的格式为RTF格式，保存的文档可以通过Word打开并处理。

5 结语

在对国内外挤密砂桩设计计算方法梳理的基础上，国内首次开发了针对水下挤密砂桩复合地基沉降、稳定性和承载力的设计计算软件。

软件实用性强，界面可视化，数据输入逻辑清晰，主要计算方法选定合理，计算模型成熟，操作便捷，后处理功能完善。

软件除了能够满足一般情况的计算，还考虑了施工期、使用期、多级荷载施加等情况，能够对正方形、三角形、矩形布置形式的挤密砂桩进行设计计算。软件成果通过了上海市软件评测中心有限公司的鉴定测试，可用于挤密砂桩工程设计计算。利用该软件对洋山深水港区三期临时码头接长工程中的水下挤密砂桩复合地基进行计算，验证了软件的准确性，能够满足挤密砂桩设计的需求。

[1] 寺師昌明.挤密砂桩设计与施工[M].日本：地质工学会，2009.TERASHIMasaaki.Design and construction of sand compaction piles[M].Japan:Geology Engineering Society,2009.

[2] 尹海卿.水下挤密砂桩加固软土地基技术[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，港口工程地基规范[S].JTS147-1—2010,Code for soil foundationsofportengineering[S].

[4] 张曦，吴心怡，尹海卿.水下挤密砂桩加固机理及沉降计算方法[J].中国港湾建设，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.