靜力觸探試驗數(shù)據(jù)管理和計算分析軟件設(shè)計

李 鵬 黃大中 朱晴晴

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300251)

靜力觸探是將一定規(guī)格和形狀的探頭按規(guī)定的速率貫入土層，測量貫入過程中探頭所受阻力的一種原位測試方法，適用于軟土、黏性土、粉土、砂類土及含少量碎石的土層，可用來劃分土層界面、定名土類、確定地基承載力和單樁極限荷載、判定地基土液化程度及測定地基土的物理力學(xué)參數(shù)等[1-3]。

靜力觸探兼具勘探與測試雙重功能，且具有測試資料連續(xù)、可靠，測試快捷、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等優(yōu)點，在巖土工程勘察中得到廣泛應(yīng)用[3-4]。實際工作中，靜力觸探的應(yīng)用還存在一些局限性，如不同儀器廠家生產(chǎn)的靜力觸探設(shè)備采用的數(shù)據(jù)格式不同，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程中需頻繁轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，造成靜力觸探內(nèi)業(yè)工作效率較低；缺少對靜力觸探試驗成果資料綜合分析利用的專業(yè)軟件，通常僅應(yīng)用靜力觸探試驗資料劃分地層及確定土類，造成靜力觸探試驗資料利用不充分，極大地制約了靜力觸探技術(shù)的應(yīng)用和推廣。因此，為提高靜力觸探內(nèi)業(yè)工作效率和質(zhì)量，實現(xiàn)成果資料標(biāo)準(zhǔn)化，研發(fā)靜力觸探試驗數(shù)據(jù)管理和計算分析軟件具有重要意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

靜力觸探試驗數(shù)據(jù)管理和計算分析系統(tǒng)基于Qt圖形界面框架[5]和Access數(shù)據(jù)庫，采用C++語言開發(fā)，可對靜力觸探試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、計算分析及成果資料輸出，適用于鐵路、工民建、公路及城市軌道交通等領(lǐng)域。

靜力觸探試驗數(shù)據(jù)管理和計算分析軟件由工程管理，靜力觸探數(shù)據(jù)管理，靜力觸探成果應(yīng)用，靜力觸探成果文件、照片管理和數(shù)據(jù)接口等模塊組成(如圖1所示)。

圖1 系統(tǒng)功能模塊示意

系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫，其中包括工程項目表、原位試驗勘探點表、靜力觸探勘探點表、地層表和圖片索引表等。通過數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)靜力觸探試驗數(shù)據(jù)及成果資料的有效管理。

2 軟件功能實現(xiàn)

2.1 靜力觸探工程管理

該模塊主要包括新建工程、打開工程、工程信息、項目庫管理、關(guān)閉工程和退出。

點擊相應(yīng)子菜單后可以彈出相應(yīng)的對話框，圖2為新建工程對話框，輸入內(nèi)容包括：工程編號、工程名稱、工點名稱、工點類型、線路方案、勘察階段、起點里程、終點里程、里程冠號及備注，點擊“確定”按鈕后可生成該項目勘探點項目樹。

圖2 新建工程對話框

2.2 靜力觸探試驗數(shù)據(jù)錄入及編輯

(1)勘探點基本信息錄入

雙擊項目樹中“靜力觸探”，彈出靜力觸探勘探點列表(見圖3)，在此錄入各層靜力觸探勘探點基本信息，包括觸探孔編號、工程名稱、工點名稱、冠詞、里程、偏移量、勘探點坐標(biāo)、孔口高程、勘探深度、初見水位深度、穩(wěn)定水位深度、開工日期、竣工日期、儀器型號、探頭編號、探頭截面積、率定系數(shù)、是否參與、備注等。錄入的各靜力觸探勘探點信息會以項目樹形式在界面左側(cè)顯示。項目樹【】中內(nèi)容代表線性工程的里程，若非線性工程則直接顯示靜力觸探孔號，靜力觸探孔號后()中數(shù)字代表靜力觸探類型(1為單橋靜力觸探，2為雙橋靜力觸探，3為多橋靜力觸探)。

圖3 靜力觸探勘探點列表

(2)靜力觸探數(shù)據(jù)錄入修改與導(dǎo)出

靜力觸探數(shù)據(jù)錄入可分為單個勘探點數(shù)據(jù)錄入和多個勘探點批量導(dǎo)入，程序能自動判別理正，港達(dá)，溧陽等軟件的單橋、雙橋和三橋靜力觸探數(shù)據(jù)。

①單個勘探點數(shù)據(jù)錄入：雙擊靜力觸探勘探點項目樹中某一靜力觸探勘探點，進(jìn)入該靜力觸探勘探點測試曲線頁面，單擊“數(shù)據(jù)”下“導(dǎo)入數(shù)據(jù)”，則可彈出導(dǎo)入數(shù)據(jù)對話框，選擇所需要的導(dǎo)入數(shù)據(jù)。

②多個勘探點批量導(dǎo)入：在“靜力觸探列表”界面下單擊右鍵，選擇批量導(dǎo)入，則可一次性批量導(dǎo)入多個靜力觸探數(shù)據(jù)。若靜力觸探勘探點列表中該勘探點內(nèi)已有數(shù)據(jù)，則會提示用戶是否替換數(shù)據(jù)；若靜力觸探列表中無該勘探點信息，則在靜力觸探勘探點列表中自動加入該勘探點的相應(yīng)信息。

第三項工作是內(nèi)容設(shè)計。研究性學(xué)習(xí)沒有統(tǒng)一的研究內(nèi)容要求，也沒有統(tǒng)一的教科書，在內(nèi)容設(shè)計方面要注意依靠學(xué)校現(xiàn)有條件，既有利于發(fā)展學(xué)校辦學(xué)特色，又有利于教師全面參與，學(xué)生全面訓(xùn)練；要注意開發(fā)社區(qū)教育資源；要具體可行，能注意由易到難，形成序列。不僅耍有學(xué)生幾年學(xué)習(xí)的課程內(nèi)容的總設(shè)計，也要有每個學(xué)期的內(nèi)容設(shè)計和每個階段的內(nèi)容設(shè)計。

導(dǎo)入的觸探數(shù)據(jù)可以增加、刪除、修改，若修改錐尖阻力或側(cè)摩阻力數(shù)值，則摩阻比數(shù)值會自動更新。

修改后的靜力觸探數(shù)據(jù)可通過點擊“保存”命令按鈕保存。點擊“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”，可將靜力觸探數(shù)據(jù)輸出為excel數(shù)據(jù)表形式。

2.3 劃分地層和判定土類名稱

在某一勘探點“靜力觸探表”下單擊“劃分土層和判別土類”標(biāo)簽頁，可自動進(jìn)入“劃分土層和判別土類”頁面；也可以在測試曲線頁面雙擊成果圖中測試曲線，此時程序?qū)⒆詣犹D(zhuǎn)至“劃分土層和判別土類”頁面。

采用可視化圖形交互界面劃分地層，可實現(xiàn)對靜力觸探曲線的放大、縮小、平移等操作，并提示相應(yīng)點位的靜力觸探測試指標(biāo)值。單擊“劃分地層”命令按鈕，即可進(jìn)行地層劃分，結(jié)束時單擊“停止劃分”，并單擊“保存”，即可將地層信息保存至數(shù)據(jù)庫，如圖4所示。

圖4 劃分土層和確定土類名稱界面

根據(jù)所劃分的各地層靜力觸探特征值，系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[1，6]自動判定各地層土類名稱，并可人工修改。

地層頁面信息可由“劃分土層和判別土類”頁面中的地層信息導(dǎo)入，但“地層”頁面中地層信息不能反饋到“劃分土層和判別土類”頁面，各靜力觸探勘探點地層信息以“地層”頁面中信息為準(zhǔn)。

2.4 地層頁面

地層頁面信息包括：主層、亞層編號、次亞層編號、地質(zhì)時代、地質(zhì)成因、層底深度、地層厚度、巖土名稱、巖土類別、土名代號、平均比貫入阻力、平均錐尖阻力、平均側(cè)壁摩阻力、平均摩阻比、平均孔隙水壓力、地基基本承載力、地基極限承載力、樁側(cè)土極限摩阻力等。地層頁面中各信息可進(jìn)行編輯修改。

2.5 計算巖土特征參數(shù)

單擊“觸探成果應(yīng)用”菜單欄中“模量與承載力”選項，可自動彈出“土體物理力學(xué)指標(biāo)及承載力”頁面。

可根據(jù)用戶指定規(guī)范(包含《建筑樁基設(shè)計規(guī)范》[7]、《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[8]、《公路橋涵地基及基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[9]、《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》[1]、鐵三院經(jīng)驗公式[10，11])或用戶自定義經(jīng)驗公式，計算土體變形模量、不同壓力段土體壓縮模量、地基承載力和樁側(cè)土極限摩阻力。

對于已完成地層劃分的靜力觸探勘探點，觸探孔列表的勘探孔號前有復(fù)選框供用戶選擇。對于項目中尚未進(jìn)行地層劃分的靜力觸探勘探點，也在觸探孔列表中顯示，但勘探點號前無復(fù)選框。

用戶可根據(jù)需求單選或復(fù)選需要計算的巖土特征參數(shù)，也可自定義各類土性特征參數(shù)的計算公式。

2.6 計算單樁極限承載力

單擊“觸探成果應(yīng)用”菜單欄中“樁基承載力”選項，可自動彈出“樁基承載力”頁面(見圖5)。

圖5 樁基極限承載力計算界面

根據(jù)樁基特征參數(shù)及用戶所選規(guī)范(包含《建筑樁基設(shè)計規(guī)范》[7]、《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[8]、《公路橋涵地基及基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[9]、《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》[1])或鐵三院經(jīng)驗公式[11]，計算相應(yīng)觸探孔位的各樁型單樁極限承載力。

因現(xiàn)行規(guī)范有關(guān)基于靜力觸探確定樁基極限承載力均基于雙橋靜力觸探，故觸探孔列表中僅顯示雙橋靜力觸探勘探點。

用戶可根據(jù)實際樁型及所選定的規(guī)范，自動計算各相應(yīng)觸探孔位的樁基極限承載力，并在計算過程中做如下檢驗：

(1)檢驗所選的每個觸探孔是否包含孔口高程和深度信息，若未包含則彈出“請完善觸探孔口高程和觸探孔深度信息!”警告信息。

(2)檢驗所選的觸探孔是否進(jìn)行了分層并定義了各層土名，若未分層或未確定該土類名稱，則彈出“請完善觸探孔劃分地層及確定土類名稱信息!”警告信息。

(3)當(dāng)樁頂高程≥孔口高程時，若“樁長-(樁頂高程-觸探孔口高程)+4倍樁徑> 觸探孔深”，彈出“觸探孔深度不滿足該樁基豎向承載力所需勘探深度要求!”警示。否則，樁基側(cè)摩阻計算范圍為觸探孔口高程至樁底。

(4)當(dāng)樁頂高程<觸探孔口高程時，若“樁長+(觸探孔口高程-樁頂高程)+4倍樁徑>觸探孔深度”，彈出“觸探孔深度不滿足該樁基豎向承載力所需勘探深度要求!”警示。否則，樁基側(cè)摩阻計算范圍為實際樁長。

2.7 靜力觸探成果文件

(1) 靜力觸探柱狀圖

單擊“靜力觸探表”下“柱狀圖”命令按鈕，彈出靜力觸探柱狀圖輸出頁面，可對靜力觸探柱狀圖繪圖比例、單雙頁顯示、每頁輸出深度等繪圖參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可根據(jù)用戶需要設(shè)置顯示ps曲線、qc曲線、fs曲線和Rf曲線，并將靜力觸探柱狀圖保存到用戶指定位置(見圖6)。

圖6 輸出的靜力觸探柱狀圖示例

完成各勘探點靜力觸探成果資料整理工作后，可通過“報告”菜單下的“批量輸出靜力觸探報告”，將各勘探點靜力觸探柱狀圖批量輸出到用戶指定位置。

(2)靜力觸探數(shù)據(jù)表

在項目窗口中，可以直接查看各靜力觸探數(shù)據(jù)表，以便用戶檢查、修改與保存。系統(tǒng)可在各勘探點“測試曲線”頁面，通過點擊“導(dǎo)出數(shù)據(jù)(Excel)”或“打印成果表”方式生成“.xlsx”或“.pdf”類型的靜力觸探原始數(shù)據(jù)表；也可通過“報告”菜單，單擊“批量輸出靜力觸探報告”，選擇需要輸出靜力觸探原始數(shù)據(jù)表的勘探孔號，批量生成所選各勘探孔的靜力觸探原始數(shù)據(jù)表。

根據(jù)用戶指定，系統(tǒng)可生成靜力觸探試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表、靜力觸探試驗地層統(tǒng)計表，基于靜力觸探的巖土特征參數(shù)統(tǒng)計表，基于靜力觸探的樁基極限承載力計算表等。

3 結(jié)論

基于Qt圖形界面框架和Access數(shù)據(jù)庫，采用C++語言開發(fā)了適用于現(xiàn)行各主要行業(yè)規(guī)范的靜力觸探試驗數(shù)據(jù)管理和計算分析軟件。該軟件可實現(xiàn)對理正，港達(dá)，溧陽等軟件單橋、雙橋及三橋靜力觸探數(shù)據(jù)的自動識別及批量處理，采用可視化圖形界面劃分地層并自動判定土類名稱，根據(jù)用戶所選各行業(yè)規(guī)范或自定義經(jīng)驗公式計算土體壓縮模量、變形模量、樁側(cè)摩阻力、地基基本承載力等巖土特征參數(shù)及單樁極限承載力等；批量生成靜力觸探柱狀圖、各類數(shù)據(jù)表。工程應(yīng)用實踐表明，該軟件可提高靜力觸探內(nèi)業(yè)工作質(zhì)量和效率，實現(xiàn)靜力觸探成果資料標(biāo)準(zhǔn)化，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。