地基计算系统Focas5.0新功能详解（免费使用申请）
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导读：“港口工程地基计算系统”软件于1986年首次推出应用(第一版)，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[1]。1990年经交通部审定（交通部(90)交函工字607号文件公布：“业经审查通过，可在工程设计中应用”），后开始在港口工程领域推广应用。1998年，根据交通部推出的规范，编制了地基计算系统98版(第三版)，2008年，更新了新一轮的规范，地基计算系统也随之升级，2009年发布了地基计算系统2008版(第四版)[2]。三十余年来，《地基计算系统》服务于百余家设计院、施工单位，为设计和施工计算提供了可靠的工具。研发至今，港口工程地基计算系统多次改版并不断完善，已成为港口岩土工程设计中不可或缺的计算软件。经近三十年实际工程及若干算例计算证明：该系统依据行业规范进行计算，结果准确可靠，具有较大的实用意义[3]。但随着港口岩土行业的飞速发展，一方面行业规范的不断修订完善，如《水运工程抗震设计规范》（JTS146-2012）[4]中规定“验算地基稳定时需考虑地震加速度在各土条质量上的惯性力，并采用总应力的圆弧滑动面法进行分析”，需要将规范修改内容及时体现到软件中；另一方面用户对地基计算系统提出了更高的要求，如增加某些计算功能、增加工程断面的图形输入处理、更快的计算速度以及更人性化的界面设置等。并且随着集团业务扩展至路桥、市政、水利等领域，改版的软件将在08版地基计算系统基础上纳入路桥、市政、水利等领域的规范和手册。同时，新版软件将优化操作界面，借鉴一些参数输入比较方便商业化的软件，综上所述，为了持续性地发展地基计算系统，使之能更好地为水运、路桥、市政、水利等领域的设计、施工和科研提供服务。本次改版将着重于拆分原有的地基计算系统功能模块，以功能模块为基础，纳入不同领域的规范，使软件的通用性更强，适用范围更广，同时本次升级，地基计算系统将是第五版，本文将全面介绍地基计算系统5.0版的功能，软件特点及软件适用性，以期更好服务于相关设计、研究院等单位的计算研究。抗滑抗倾作为独立的功能模块，包含了土压力计算、波浪力计算，若有基床，则可计算基床稳定性。并且当有地震荷载时，通过输入的加速度角和水平加速度系数来确定采用静力土压力公式还是地震工况的土压力公式，其中地震土压力按照《水运工程抗震设计规范》(JTS 146-2012)中的公式计算，进而得到是否为地震工况下的抗滑抗倾结果。地基承载力用于计算指定作用面上的地基承载力，当基床作为地基一部分，则将基床顶部作为附加应力作用面；当基床不作为地基，则将基床底部作为附加应力作用面。整体稳定性模块用于计算岸坡有挡土墙时，其边坡的稳定性，并且可以继承抗滑抗倾模块输入的数据。也可以单独输入相应的数据进行计算。当考虑施工过程时，考虑地基的强度增长时，需要单独输入相应的数据进行计算。边坡稳定性用于计算岸坡没有挡墙时，其边坡的稳定性。其可计算堆土边坡形成的多级边坡，也可计算开挖形成的多级边坡，以及一次性计算多级边坡各个边坡的安全系数。可根据需要选择软件内置的圆弧滑移面、对数螺旋线滑移面、直线-圆弧-直线、直线-对数螺旋线-直线、及前面几个滑移面与软弱面的组合滑移面，以及任意输入的滑移面。根据选择的滑移面，可以选择不同的计算方法，如圆弧滑移面时，可选择瑞典条分法，但对数螺旋面滑移面时，无法采用瑞典条分法。固结沉降可单独计算最终沉降，单独计算固结，或者二者同时计算，可考虑不同区域布置不同沙井参数，得到指定位置的沉降及固结结果。前后处理是现代商业软件重要功能之一，为此，开发了相关界面。地基计算系统5.0版界面包括通用软件的菜单栏，工具栏、绘图区域、参数工具、属性工具、图层工具、测量、辅助等工具。根据不同的习惯，可自定义不同的界面风格，如图1所示为浅色风格，图2所示的神色风格。变化较大的为绘图方式，支持类型CAD的鼠标绘图方式，并且能够导入CAD图纸，如图2所示。同时按照图层和模块两大类别对各个模块的几何图形和相应的属性参数进行输入。当开始计算时，可以显示计算进度以及中间过程结果。
图1地基计算系统界面(浅色)
绘图部分由强大的编辑功能，可实现多边形的合并，切割，平移、复 制等等功能，如图3和图4所示，这些功能都支持GUI方式进行，有助于使用者快速建模。
图4图形的切合
图5计算模块属性输入
对于不同的模块，其输入参数不同，当软件绘图结束后，选择需要计算的模块，如图5所示，可根据弹出的属性窗口输入相应的参数，在参数输入时，会有相应的提示，当输入结束后，进行计算前，会对图形和输入的参数进行检查，以防输入错误和漏输入参数导致结果错误。后处理可显示计算图形结果和文字结果，如土压力信息可显示图形结果，而抗滑抗倾这类是否满足的类型采用文字结果，图形和文字结果可定制化输出计算书，并且计算书可包含项目名称、计算原理、计算参数以及相应的文字和图形结果。图6位土压力计算结果，可得到每个土层的顶面、底面、合理对应的数值和位置。图7为太沙基后处理结果，可绘制其地基的破坏形式和位置。
图6土压力后处理
图8广义极限平衡法地基承载力后处理
图8为广义极限平衡法地基承载力计算结果，按照其计算方式，地基被分为多个土条，每个土条可计算得到一个对数螺旋面，以及相应的承载力，破坏面位置和形状都可绘制出来。图9为边坡稳定性后处理示例，该算例采用Bishop法计算，其圆心区域圆心点位置已知，其上RGB颜色根据其安全系数的大小确定，并能够显示最小安全系数的圆心的位置及相应的滑移面位置。图10为固结沉降后处理示意图，其x轴以下表示不同位置随时间变化的沉降曲线；x轴以上为不同位置随时间变化的固结度变化曲线。抗滑抗倾模块增加了地震工况下的土压力计算，及抗滑抗倾。地基承载力模块除了采用《水运工程地基设计规范》(JTS 147-2017)[5]中的均质土和非均质土的计算方法外，还增加了普朗特尔、普朗特尔-雷斯诺、泰勒-普朗特尔、太沙基、斯凯普顿、汉森(1969)、梅耶霍夫地基承载力公式。基床承载力按照《JTS 167-2018 码头结构设计规范》[6]进行验算，软件可根据输入的参数自动判断基床的类型验算基床的顶面和底面承载力。这部分不需要单独输入，在抗滑抗倾模块中若有基床，则自动验算并输出结果。按照岸坡是否有挡墙分为整体稳定性模块和边坡稳定性模块。其中整体稳定性模块可继承抗滑抗倾模块的输入的数据参数，也可以单独输入这部分数据。当单独输入整体稳定性数据时，可计算施工过程，即分级加载，以及分级加载中可考虑强度增长。(1)次性计算多级边坡各个边坡的安全系数，如一个有三级边坡的高边坡，其每个台阶的安全以及整个边坡的安全系数可一次性计算得到。(2)堆载边坡，即分级堆载形成的高边坡，及每次堆载后形成的边坡安全系数，可以一次性计算得到。(3)开挖边坡，即分级开挖形成的多级高边坡，可一次性得到每次开挖形成的边坡的安全系数。每种类型可根据需要选择软件内置的圆弧滑移面、对数螺旋线滑移面、直线-圆弧-直线、直线-对数螺旋线-直线、及前面几个滑移面与软弱面的组合滑移面，即除了前面的5种滑移面，还可得到与弱面组合得到的另外5中滑移面，以及任意输入的滑移面，共计11中滑移面。根据选择的滑移面，可以选择不同的计算方法，如圆弧滑移面时，可选择瑞典条分法，但对数螺旋面滑移面时，无法采用瑞典条分法。地基计算系统5.0版在整体稳定和边坡稳定可采用的计算方法共计11种，分别如下：瑞典条分法、简化Bishop法、美国工程师团法1、美国工程师团法2、Lowe-Karafiath法、Spencer法、Morgenstern-Price法、不平衡推理法、复合滑动面法、广义极限平衡法、Sarma法。当边坡有加筋时，其稳定性按照《水运工程地基设计规范》(JTS 147-2017)中的规定进行计算。对于边坡稳定模块，地基计算系统5.0版是相关软件中最全面的了，而且内置的滑移面也比其他软件多。地基计算系统5.0版前处理可以导入CAD图形，并且可导入2008版地基计算系统的几何模型数据。新版软件可直接采用鼠标绘图，前处理将结构、土块、水位、荷载[7]等分为不同土层，方便使用，尽可能避免错误操作。同时根据不同的模块，可输入不同的参数，对于必须输入的参数以及参数范围进行检查，以防输入不规范带来计算结果的不准确。地基计算系统5.0版后处理可按照模块显示结果，并生成更友好的计算书。如抗滑抗倾模块，可在图上结构物相应位置显示土压力和波浪力的作用大小及方向；地基承载力模块可显示地基的破坏面的位置；整体稳定性和边坡稳定性模块可按照不同的破坏面以及计算方法分别显示其边坡的滑移面位置以及安全系数大小，其不同的圆心位置根据安全系数大小采用RGB形式显示云图。最小安全系数及对应的滑移面位置采用特别的线性和颜色显示，易于区分；固结沉降模块后处理采用时空方式显示固结度和沉降量。如可以显示任意点上随时间变化的固结度和累计沉降量。还可以显示地表上，随时间变化的累计沉降量。以及同一井孔不同深度随时间变化的沉降量。地基计算系统5.0版各个模块都与经典算例进行验证，如土压力模块、地基承载力和固结沉降都与经典教材算例验证。而整体稳定性和边坡稳定性模块通过澳大利亚计算机应用协会(ACADS)发布的部分考题进行验证。新本地基计算系统软件验证了70余个算例，计算结果正确，效果良好。地基计算系统5.0版的抗滑抗倾模块主要采用《水运工程地基设计规范》(JTS 147-2017)和《水运工程抗震设计规范》（JTS146-2012）；地基承载力参考《水运工程地基设计规范》(JTS 147-2017)，而其他规范方法可依据其规定的方法采用软件中的相应方法进行计算，如欧美规范主要采用梅耶霍夫或者太沙基等方法。整体稳定和边坡稳定采用了《水运工程地基设计规范》(JTS 147-2017)中的方法，铁路[8,9]或公路[10]领域采用不平衡推力法，国内建筑领域规范[11]边坡采用Bishop法，美国[12]主要采用Bishop或Morgenstern-Price法，其他领域规范可采用本软件中的相应方法。本软件不仅可用于水运行业，可广泛应用于公路、铁路、市政、水利等领域。本文介绍了最新开发的地基计算系统5.0版，其内核采用C语言开发，包含的模块功能齐全，各个模块计算结果经过验证。地基承载力和边坡稳定性模块优于同类型软件，主要是因为这两个模块包含的方法多，适用于多个领域的规范，且包含独有的广义极限平衡理论。新版软件的前后处理采用JavaScript编制，前处理输入方便，具有检查功能；后处理分模块显示，交互式前后处理可方便使用，可生成可编辑的计算书。新版软件为设计院、研究院等单位提供了可靠、高效的计算工具，也为国产同类型软件提供借鉴。12月14日周四，仿真秀2023国产工业软件专题月第10期技术讲座将邀请中交天津港湾工程研究院高级工程师于长一博士给我们带来《极限平衡理论地基计算系统Focas5.0软件开发应用》主题报告会。重点介绍国内首款具有自主知识产权及理论算法的极限平衡软件地基计算系统（Focas）5.0的开发 情况及最新进展；报名用户还可免费领取最新的地基计算系统5.0版软件。
2023国产工业软件应用（十）：极限平衡理论地基计算系统Focas5.0软件开发应用-仿真秀直播
参考文献
[1]黄传志. 地基计算系统[J]. 港口工程, 1989(05):35-40.HuangChuanzhi. Foundation Calculation System [J]. Port Engineering, 1989(05):35-40.[2]喻志发, 黄传志, 杨京方,等. 港口工程地基计算系统(2008版)[J]. 中国港湾建设, 2010(6):4YuZhifa, Huang Chuanzhi, Yang Jingfang, et al. Foundation Calculation System ofPort Engineering (2008 Edition) [J]. China Harbour Construction, 2010(6):4.[3]于明. 地基计算系统应用心得[J]. 工程技术研究, 2018(4):2.YuMing. Application Experience of Foundation Computing System [J]. EngineeringTechnology Research, 2018(4):2.[4]水运工程抗震设计规范[M]. 厦门大学出版社, 2004.Codefor Seismic Design of Waterway Engineering [M]. Xiamen University Press, 2004.[5]JTS147-2017,水运工程地基设计规范[S].JTS147-2017, Code for Design of Waterway Engineering Foundation [S][6]JTS167-2018,码头结构设计规范[S].JTS167-2018, Code for Design of Wharf Structure [S].[7]JTS144-1-2010,港口工程荷载规范[S].JTS144-1-2010, Load Code for Port Engineering [S].[8]TB10001-2016,铁路路基设计规范[S].TB10001-2016, Code for Design of Railway Subgrade [S].[9]中华人民共和国铁道部. 铁路工程抗震设计规范GB 50111-2006[M]. 中国计划出版社, 2006.Ministryof Railways of the People's Republic of China. Code for Seismic Design ofRailway Engineering GB 50111-2006[M]. China Planning Press, 2006.[10]JTGD30-2015,公路路基设计规范[S].JTGD30-2015, Code for Design of Highway Subgrade [S].[11]中华人民共和国建设部. 建筑边坡工程技术规范[M]. 中国建筑工业出版社, 2002.Ministryof Construction of the People's Republic of China. Technical Specifications forBuilding Slope Engineering [M]. China Building Industry Press, 2002.[12]USArmy Corps of Engineers ENGINEERING AND DESIGN[S]，2007.
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