岩土工程的计算机软件综述

1. 岩土工程软件综述岩土工程以工程岩土体作为研究主要对象，是一门理论和实践都很强的综合性的应用技术学科，它包括勘察、设计、施工、检（验）（ 监）测和工程管理等全过程。现在计算机分析岩土工程问题的范围和领域很广，随着计算机技术的发展，计算分析领域还在不断扩大。除应用在本构模型和不同介质间相互作用分析外，还包括各种数值计算方法，土坡稳定分析，极限数值方法和概率数值方法，专家系统、AutoCAD技术和计算机仿真技术在岩土工程中应用，以及岩土工程反演分析等方面。岩土工程计算机数值分析方法除常用的有限元法和有限差分法外，离散单元法（DEM）、拉格朗日元法（FLAC） 、不连续变形分析方法（DDA）、流形元法（MEM）和半解析元法（SAEM） 等也在岩土工程分析中得到应用[1] 。与此同时，各种岩土工程专业软件也随之开发出来，并得到了广泛的应用。下面按照勘察、设计、施工、检- 验. - 监. 测和工程管理这;个阶段来讨论每个阶段的应用软件。1.1 岩土工程勘察计算机在工程勘察领域的应用较为广泛，工程勘察的软件也比较多。包括野外数据采集、土工勘察数据处理、勘察报告编写、土工实验数据处理等。我国和国外的不少企业生产出各类静探采集仪，它们具有操作方便和体积小等特点，大部分都实现了数据卡自动闪存，在静探结束的同时，静探数据就储存在数据卡上。国内的勘察软件如华岩的岩土工程勘察数据处理系统、理正的工程地质勘察CAD 等都提供了与采集仪的数据接口，实现了数据的一次性录入。大部分的土工实验和实验程序在《土工实验规范》、《公路土工实验规程》以及《铁路工程土工实验方法》等规范上都有硬性规定，但是长期以来市场上很少见到此类软件，有的只是单位或个人自我开发的内部软件。如今国内软件公司的土工数据处理系统如HNTGCS、HYST2000 以及国外的GDSLAB和GEOCEL软件都可以在WINDOWS95/98NT下运行，拥有很好的用户界面，可以很容易的定义和监控实验，并能完成自动分析和处理实验结果。国内的软件系统还可以根据不同的系统采用相应的标准和规范中的计算公式、计算参数、报表格式和土样定名。在进行现场数据采集和土工实验以后，就要根据它们的数据进行计算，划分场地类别以及选择合适的设计参数等。有关这一环节的软件开发开始的较早，如HYJS、GHSCAD2.0、GICAD5.0、HNCAD FOR WINDOWS98 等。GICAD工程地质勘察软件可以自动统计综合地质分层参数，提供多种方式的数据转换工具及数据接口；按照指定比例和原始录入参数，自动划分土层，生成钻孔平面图、剖面图和柱状图，包括动探曲线、大比例尺静探曲线、设计标高、基础标高示意等；其中柱状图内容包括岩心采取率、RQD和剪切波速。由于这一环节是岩土工程的勘察和设计中最为重要的一个步骤，因此岩土工程师的技术和经验也是必不可少的。但是我们应该明白，我们对计算机的应用决不仅仅是用来解决一个个孤立的勘察项目，而是希望将我们所接触到的大量工程地质信息集中起来，进行有效的管理，最大限度地发挥现有资料的价值，为工程建设提供决策。因此地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS) 应该是岩土工程勘察软件的一个发展方向。国外将GIS应用与岩土工程研究已经做了不少工作。如日本大阪地区历时10年多建立了大阪湾地层数据库信息系统，钻孔数达到了30000 个；日本九州大学正与国内外有关单位合作开发三峡边坡的三维数据库系统[2]。我国的许多单位也开展了这方面的研究和开发工作，如长江水利委员会建立的面向全部工程地质勘察行业的工程地质信息系统；中国科学院岩土力学研究所目前正在开展长江大堤的三维可视化研究工作。1.2 岩土工程设计岩土工程设计包括基础设计、桩基设计、沉降分析、渗流分析等。关于基础设计软件，在我国有基础CAD 设计软件以及国外的BEARCAP、BCAP 等。其中BCAP用来估计浅基础极限承载力，基础形式可以是圆形、矩形等，在基础上可以施加各个方向的力和力矩，并且采用了确定性分析和概率分析两种方法，在概率分析方法中，土体参数可以用概率函数的形式输入。国内的桩基础设计软件有Pile2000等，在国外，对于单桩设计PILE使用传统的分析方法，PIAI使用有效应力的方法，而Cemset则使用双曲线函数。对于群桩的分析，DEFPIG将桩数在160根以内视为相同情况，GROUP使用3维方法分析桥梁基础和其他刚性结构，PC-PGROUP使用边界元方法解决桩数达到200根的情况。UNIPILE程序可以确定桩的承载力、沉降以及负摩擦力等，分析方法则采用有效应力法和总应力法，适用的桩型有打入桩、钻孔桩、单桩、群桩、矩形桩、方形桩和;截面桩等。并且可以求得桩的承载力、桩身应力分布和桩底阻力。国内和国外都有许多的边坡稳定分析程序， 如KZTeBpo3.1、GBSLOPE、SlipCIRCLE-1 PLUS 和SLOP/W等，所有的程序都通过有限条分法采用圆弧分析或非圆弧分析来实现。它们能解决诸如复杂地层分布、地下水作用、荷载分布复杂以及不规则破裂面等问题。进行条分的方法各种程序有所不同，如Bishop法、JanBu法和瑞典条分法等。所有最近有关边坡稳定分析的程序都和AutoCAD有良好的界面，Slope/W 还可以在有限元计算应力的基础上与SIGMA/W共同确定稳定系数或者与SEEP/W有限元渗透分析程序确定稳定状态或瞬时孔隙水压力条件。SLOPBC和SLOPNC有确定型分析和概率型分析两种边坡稳定分析模式[3]。1.3 岩土工程施工根据现场地质信息、工程信息和现场量测得到的岩土工程施工过程中的各种信息进行反分析，根据反分析结果修改设计、指导施工。这种信息化施工方法被认为是合理的施工方法，是发展方向，尤其是在隧道和基坑的施工中。目前，日本的3D-σ三维有限元分析软件包( 由日本软脑Soft Brain株式会社1996年开发) 比较多的应用在模拟隧道的阶段性施工中。通过建立施工隧道的力学模型，以三维Mohr-Coulum强度准则为屈服条件，利用3D-σ三维有限元软件包分别模拟全断面开挖方式、上下分步台阶开挖方式、左右分步开挖方式和四分步开挖方式等开挖过程，比较不同开挖方式的不同开挖期间的应力、位移等。由于在软土施工中，影响土体变形规律的因素很多，使本构模型的合理选择遇到了较大困难，因此计算机数值分析在这一领域进展不大[4]。国内应用灰色系统理论，建立经验预报模型，采用VISUAL BASIC编程应用在隧道施工中，同时还可以实现与数据库连接，使得该程序不仅可以新建数据库文件，还能根据工程实际情况设计数据库结构，对隧道施工中得到的信息进行加工处理，从而指导施工。这样可以在一定程度上克服地质资料不详细和设计造成的失误，尤其适用在地质情况比较复杂、工程质量要求较高的隧道施工中[5] 。1.4 岩土工程检( 验)( 监) 测目前，自动化监测系统已广泛应用在岩土工程的各个方面，如边坡监测、深基坑监测等。它能降低由于保守设计带来的损失，不论对在建工程还是已有工程，通过检测都能提供稳定性预报，以便我们能尽可能的提早发现问题，及时采取措施。深基坑开挖监测软件JKJC V3.0是目前唯一能同时分析处理深层侧移、竖向位移、水平位移、地下水位、支护结构内力、土压力等56 种监测项目现场实测数据且能分别在DOS 和WINDOWS下运行的专业监测软件，它的功能强大，可以进行深层侧移监测分析、竖向位移监测分析、支护结构内力分析、地下水位监测分析和土压力监测分析；能快速准确地处理和分析深基坑开挖现场监测中由测斜仪、沉降仪(水准仪)、经纬仪、水位计( 管)、钢筋计及压力盒等土工或测量仪器所测数据，并随时自动绘制和整理成各种曲线或表格，确保能在最短的时间内提供监测结果，为实现深基坑开挖工程的信息化施工以及围护结构与周围环境的安全提供动态信 。在桩基检测方面， 美国的G.G.Goble教授和Frank. Rausche博士创立了应力波理论和PDA高应变桩基动测实验，并研究出了CAPWAPC 曲线拟和计算软件，经多年的广泛实践证明是经济实用而有效的桩基质量的检验手段。这种软件充分考虑了桩、土及其相互作用和其他各种复杂因素，计算方法稳定可靠，实时专家系统还可以帮助操作人员进行分析方法的选择和确定，另外它还可以进行残余应力分析和计算桩端阻力和桩顶位移的关系。同时使用此软件可以对桩身土阻力和桩端土阻力进行合理划分，并计算出桩侧摩阻力分布。