（岩土工程专业论文）海洋平台打桩分析研究及辅助信息数据库系统的开发.pdf

摘要 海洋桩基平台打桩问题是一个涉及到多个学科领域的综合、复杂的研究课 题。近年来，海上油气的开发不断向深海发展，海上平台的桩基出现大直径、超 长、深贯入等现象。而且，在平台打桩工程建设中出现了诸如拒锤、溜桩等等的 实际问题。所以对这类桩的可打入性进行高精度的、更切合实际的预测分析不仅 是动力打桩研究领域的前沿课题之一，而且是对实际工程建设有着重要意义的科 学研究。 本文一方面从软件程序( t n o 黼) 对海洋桩基平台打桩过程的模拟入手。 通过具体的实例分析指出，对于具体的工程，如果有已建平台打桩相关资料作为 辅助参考，软件程序对打桩过程的模拟预测会得到更为精确、更切合实际的分析 结果。另一方面，针对海洋桩基平台打桩工程，着力于把已建海洋平台的打桩相 关资料服务于具体的打桩预测分析中。将地理信息系统( g i s ) 计算机技术与数 据库开发相结合，开发出海洋平台打桩相关信息数据库系统。 本文对以下几个方面进行了较为深入的探讨和研究。 1 在介绍t n o w a v e 软件模拟预测打桩的原理和操作的基础上，通过具体 分析某平台的打桩过程，并按照“反分析”的思路调整桩土作用模型的计算参 数，得到了更精确的打桩过程预测分析结果。指出软件程序桩- 土作用模型中土 质参数的选取和土塞效应的影响，对软件程序进行打桩分析模拟的结果都有重要 影响。没有相应打桩经验作为参考，单纯依靠软件程序所给出的推荐值模拟的打 桩分析有可能会出现与实际不相符的结果。 2 为了得到更精确地打桩模拟预测分析结果，建立一个专f - jj 艮务于海洋打桩 模拟分析的经验数据库系统是本文研究的另一大主题。对于建立数据库系统，首 要的就是确立数据库系统的总体设计以及探讨其理论基础。通过对数据库系统理 论基础的研究，选择了相应的g i s 二次开发平台，确立了空间数据库和属性数据 库的构建方式，选择了二次开发语言。 3 提出了基于a r c g i se n g i n e 的海洋平台打桩相关信息数据库系统的解决方 案，并采用组件式g i s 技术( a r c g i se n g i n e ) 、空间数据引擎技术( a r c s d e ) 和v i s u a lc # 编程语言，开发出了具有强大地理信息显示和地理信息查询功能的 海洋平台打桩相关信息数据库系统，为实现更精确的软件程序打桩分析预测，提 供了高效的已建海洋平台打桩信息的查询系统。 关键词：t n o w a v e ，g 1 s ，a r c g i se n g i n e ，打桩分析，数据库系统 a b s t r a c t p i l ed r i v i n gi no f f s h o r ep l a t f o r mf o u n d a t i o ni sas y n t h e t i c ，c o m p l e xa n ds y s t e m i c r e s e a r c hi n v o l v e dm a n ys u b j e c t s i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo c e a n i co i l a n dg a sg o i n gt od e e ps e a ，t h es u p e rl a r g ed i a m e t e r , s u p e rl e n g t h ，d e e pp e n e t r a t i o n p i l e sh a v eb e e na p p l i e di no f f s h o r ep l a t f o r m i ti so n eo fp i l ed r i v i n gt op r e d i c tm o r e a c c u r a t e l yd r i v e a b i l i t ya n a l y s i s t h ep r o c e s so fp i l ed r i v i n gi no f f s h o r ep l a t f o r mf o u n d a t i o nc a nb es i m u l a t e db y t h et n o w a v ep r o g r a m t h o u g ha na n a l y s i so ft h ed a t ao fp i l ed r i v i n gr e c o r d s ，a c o n c l u t i o nc a l lb ed r a w n ：i fs o m es u g g e s t i o n sw h i c ha r ep r o v i d e db yt h ep r o p e r a b l e a n a l y s i so ft h ed a t ao fp i l ed r i v i n gr e c o r d sc a nb eu s e di nt h ep r o g r a ma n a l y s i s ，am o r e r e a s o n a b l er e s u l tc a nb em a d eo u t b a s e do nt h ed a t ao fp i l ed r i v i n gr e c o r d so fag r e a t n u m b e ro fp i l e si no f f s h o r ep l a t f o r m s ，as p e c i a ld a t a - b a s es y s t e mf o rt h ep i l ed r i v i n g a n a l y s i sc a nb eb u i l tw i t ht h eg i sc o m p u t e rt e c h n o l o g y s t u d i e sh a v eb e e np e r f o r m e da sf o l l o w i n g s ： 1 a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ft h er a t i o n a l ea n du s eo ft h et n o w a v ep r o g r a m ，a m o r ea c c u r a t er e s u l tw a sm a d eo u tb yr e v e r s ea n a l y s i su s i n gt h eh i s t o r i cd a t ao fp i l i n g ， t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n p u t so ff a c t o r so ft h es o i la n ds o i lp l u gi nt h ep i l e s o i l s y s t e mo ft h ep r o g r a ma f f e c tt h er e s u l t so b v i o u s l y t h er e s u l t so ft h ep r o g r a mm a y b e w r o n gw i t h o u ta n ye x p e r i e n c ef r o mt h eb u i l to f f s h o r ep l a t f o r m 2 a st h eo t h e ri m p o r t a n tp a r to ft h ea r t i c l e ，b u i l d i n gt h ep i l ed r i v i n gd a t a b a s e s y s t e ms h o u l ds t a r tf r o mt h er e s e a r c ho ft h er a t i o n a l ea n d t h ed e s i g no ft h ed a t a - b a s e t h ea r c g i sa st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mw a ss e l e c t e d ，a n dl o t so fw o r kh a s b e e nd o n ea b o u ts p a c ed a t a b a s e ，p r o p e r t yd a t a - b a s ea n dt h ec o m p u t e rl a n g u a g e v i s u a lc 撑 3 t h i st h e s i sg i v e st h es o l u t i o no ft h ep i l ed r i v i n gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e mo nt h eb a s i so fa r c g i se n g i n e ，a n dd e v e l o p st h es y s t e mb yu s i n gt h e t e c h n o l o g i e s o fc o m g i s ( a r c g i se n g i n e ) ，d a t a b a s ee n g i n e ( a r c s d e ) ，r e l m i o n a l d a t a b a s e ( a c c e s s ) a n dt h ev i s u a lc 拌p r o g r a m m i n gl a g u a g e k e yw o r d s ：t n o w a v e ，g i s ，a r c g i s e n g i n e ，a n a l y s i so fp i l ed r i v i n g ， d a t a b a s es y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲起知签字嗍2 67 年多月乡同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗叁堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权浣明) 学位论文作者签名：起 辑隅2 6 哆年月乡同 导师虢l 翟豺既 签字同期：立j 7 年多月乡同 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 二十一世纪的今天，经济社会的高速发展，人民生活的不断改善对传统能源 的需求越来越多。对于像我国这样一个高速发展中的大国，能源对于国家战略、 经济社会有着不言而喻的重要作用。海洋石油资源是我国能源的重要组成部分， 海洋石油资源的开发成为现在能源开发的热点。并且，越来越多的海洋石油的开 发发展到深海中。在海洋石油资源的开发中，采用桩基础的导管架平台已经成为 开发海洋石油和天然气资源的最主要基础设施。底端开口的大直径，甚至超大直 径桩，在打入过程中有着打入阻力相对较小的特点【0 ，所以这种大直径的开口钢 桩被越来越多的应用到海洋平台的基础建设之中。 有很多海洋石油平台桩基础的开口钢管桩，其直径都是大于2 m 的，对这样 大直径钢管桩，设计时进行可打入性分析是至关重要的。可打入性分析是否准确、 是否符合打桩的实际施工情况不仅影响了施工中的打桩过程，还直接影响着平台 上其他结构的设计，还有和打桩相配套( 例如打桩锤系统) 系统的选择。如果没 有精确的、更为切合实际的可打入性分析预测，在实际的海上打桩施工过程中很 有可能出现诸如拒锤、坏锤、坏桩等影响施工进度和施工质量的严重后果。由于 海上施工难度很大，施工成本非常高，可以想象，一旦出现这些情况，不仅会延 误了工期，而且很有可能造成巨大的经济损失。 目前，对像海洋石油平台这样的大型桩基工程的可打入性分析主要有两方面 的思路。一方面，以波动方程为依据的模拟连续打桩过程的软件程序分析。如 t e x a s 运输研究所设计的1 【0 2 】、g o b l e 等人开发的一系列分析功能逐渐完善程 序：w e a p 、w e a p 8 6 、w e a p 8 7 和g r l w e a p 0 3 埘j 、荷兰应用科学研究院建筑 施工研究所开发的t n o w a v e l 0 7 】等。程序计算中最为重要的就是输入模拟桩土 相互作用的相关土质参数，对于不同计算模型的土质模型参数都给出了相应的一 些推荐取值或者取值范围。可是对于具体的工程、具体的区域、特定的土质条件， 程序模型中土质参数的准确输入还一定程度上有赖于设计人员的实践经验。同 时，海上施工不可避免的会出现停锤1 0 8 j 的情况。例如，在打桩过程中需要接桩， 还有施工中一些仪器的必要检验维修等等。这些都是模拟连续打桩的程序分析所 不能完全模拟的。另一方面，适当的选择已建平台的打桩记录作为参考，辅助当 前的打桩分析程序确定桩土相互作用模型中土质参数的输入。为合理的进行软 第一章绪论 件模拟分析提供直接的判断和某些参数选取上的参考。这思路的正确性已经在工 程中得到了验证。其中以打桩记录为依据的反分析方法【0 8 】就是一个很成功的例 子。反分析方法的思路是：在桩发生拒锤以后，采用软件程序进行连续打桩的分 析计算，模拟施工过程。将打桩分析的结果按照锤击数和贯入深度绘成曲线，与 实际的打桩记录进行对比。并以打桩记录为依据适当调整不同土层的模拟计算参 数，直至计算结果与打桩记录能较好的吻合，从而确定出桩土作用模型中合理 的土质计算参数l o 引。再以这些参数为基础，反算出拒锤时的单桩承载力。并且反 算的结果和高应变动力检测的结果非常接近，这说明了反分析方法的可靠性【o 引。 将反分析的思路拓展开，在对未建平台的打桩预测分析中，如果能够参考地理位 置相近，地质条件、相应土层的力学指标、设计承载力和贯入深度都具有可参考 性的已建平台的打桩记录，那么按照反分析方法，就能够给未建平台的可打入性 分析提供帮助和参考，甚至给出软件程序分析中模拟桩土作用的土质参数的更 为符合实际的选取范围。这样的方法，能够在理论的程序模拟计算基础上，兼顾 到具体工程的特点、具体土层的特点，从而能够选择更符合实际的土质模型计算 参数，使得程序模拟计算的精确性更高、更符合实际的情况。 充分发挥已建平台打桩相关信息的资源优势，服务于待建平台的可打入性分 析预测。协助软件程序分析，使得其分析结果更加符合每一个具体工程的情况。 有效地组织并且利用已建海洋石油平台打桩相关信息，不仅对待建平台的打桩可 打入性分析有很重要的参考价值，而且对打桩过程中的桩锤桩土系统相互作用 机制1 0 9 1 的理论研究有着“反分析”的、实践指导理论认识的推动作用。那么，现 在的问题就是以什么样的形式组织构建这些已建海洋平台的打桩记录? 结合海 洋平台桩基打桩工程的实际特点，单纯的建立数据库已经不能满足实际工程和科 研的需要，构建一个具有强大地理信息显示和地理信息查询功能的数据库系统更 符合工程设计分析的实际需要。 地理信息系统( g i s ) 作为一种以计算机为基础的新兴技术，在计算机软硬件支 持下，能够对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理、对数据的有效管理、 研究各种空间实体及相互关系i l0 1 。g i s 所具有的这种优势恰是弥补了单纯建立海 洋平台打桩相关信息数据库系统的不足。所以对g i s 平台软件的进行二次开发成 为建立此信息数据库系统更为有效的途径。 1 2 海洋平台桩基础可打入性研究的现状 s t v e n a n t 于1 8 8 3 年首先分析了一个一端固定的有限长的杆在自由端被一刚 体撞击的情况，给出了应力波在杆中传播的解答【】。这种情况虽然与实际打桩有 2 第一章绪论 区别，但这项分析提供了打桩时应力波在桩中传播的基本规律。1 9 3 1 年，d v l s a a c s 首先将应力波应用于描述打桩，指出能量从桩锤传递到桩底不是简单的刚 体撞击动力问题，而是撞击应力波在桩身内的传播问题【12 1 。他将反映桩周土体阻 力参数足引入经典的一维波动方程得到： 式中，工为桩截面的位置坐标，“为x 处桩截面的质点位移，t 为时间，r 为桩身土阻力，c 为弹性应力波波速，c = f 髟 ，e 、j d 分别为桩的材料弹 、，p 性模量、密度。 e n f o x 于1 9 3 2 年发表了将波动方程应用于打桩分析，但由于当时还没有 电子计算机，他被迫采用了许多简化假定从而大大减低了他求得的解答的实用价 值【1 3 】。后来长达2 0 多年有关这方面研究一直未有很大的进展。直到2 0 世纪5 0 年代初期，e a l s m i t h 发展了一个容易处理的波动方程解，能用来解非常 复杂的打桩问题【l 5 1 。随着大型电子计算机的出现和发展，用数值方法求解波 动方程已成为可能。e a l s m i t h ( 1 9 6 0 ，1 9 6 2 年) 提出了一个描述桩锤一 垫层桩土系统的离散的数学模型，借助于电子计算机，用差分法求得了相应的 解答，并给出了土和系统单元参数的建议值，独特地用应力波动理论解决了打桩 时贯入性状的研究i l 7 1 从而使得波动方程在桩基工程中的应用焕发出新的生 命活力，这无疑是应力波理论新应用发展的一个里程碑! 波动方程数值差分法是 将整个打桩系统抽象化为由许多分离单元所组成，桩锤、桩帽、垫层( 锤垫和桩 垫) 以及桩身部分的弹性均由无质量的弹簧模拟，而各部分的质量则由不可压缩 性的刚性块体来模拟，即所谓的“质弹模型”。桩周土的弹性、塑性动阻力与静 阻力也分别用弹簧、摩擦键及缓冲壶来模拟，即所谓“土的理想弹塑性模型 。 因此，桩锤对桩的一次锤击可以用应力波在桩锤垫层桩土系统中传播所产生波 动响应来分析，从而第一次为人们提供了在严密的基础上分析受到许多复杂因素 影响的打桩问题的手段。 f o r h a n d1 1 8 】、d a v i s s o n f l 9 】、v i j a y v e r g i y a1 2 0 、b o w l e s1 2 h 以及i m s m i t h 1 2 2 1 等众多学者进一步研究和发展了s m i t h 方法，即称之为“波动方程分析法。该 方法最初用于预估桩中应力和桩承载力，后来也用于沉桩能力分析。s m i t h 方法 计算过程中涉及参数较多，实践中发现特别是桩项上部系统参数的不确定性会使 计算结果与实际量测值产生较大的出入【2 3 1 。随着量测技术的提高，为消除这一 影响，2 0 世纪7 0 年代g o b l e 等发展了以桩项实测力( 或速度) 为边界条件的波 嗽 丝酽，一， = 塑酽 第一章绪论 动方程法及以桩顶实测力和速度为输入条件的计算方法一一c a s e 法和 c a p w a p 法【2 抛6 1 。c a s e 法用于计算承载力，c a p w a p 法可用于承载力计算， 求沿桩身土阻力分布，选择最优的土性参数。 近4 0 年来，国外波动方程分析在桩基工程的应用得到了更为广泛深入的发 展，不仅基本上可以指导大规模的桩基设计与施工，而且是发展新型巨大桩锤( 液 压锤) 的设计的必不可少的工具。例如荷兰应用科学研究院建筑施工研究所 ( t n o ) 开发的一系列液压锤正是工程实际需要和运用波动方程分析的结果。同 时，相关的适用于不同情况的计算分析程序也运营而生，如t e x a s 运输研究所设 计的t t i 【27 1 、g o b l e 等人开发的一系列分析功能逐渐完善程序：w e a p 、w e a p 8 6 、 w e a p 8 7 和g r l w e a p 2 8 3 1 】、荷兰应用科学研究院建筑施工研究所开发的 t n o w a v e l 3 2 】等。这些波动方程分析程序可以考虑打桩残留应力、桩身自重、钢 管桩开口打入时的土芯闭塞作用、打入斜桩、单元连接可允许有不同程度的松动、 不同锤型、多锤分析以及群桩效应等多种因素，以便更准确地模拟打桩实际情况。 需要指出的是，目前绝大多数波动方程法计算分析程序中都采用离散的质弹模型 和差分法( 如前述的s m i t h 法、c a s e 法，t n o w a v e 法等) ，而w e a p 8 7 和 g r l w e a p 程序( 以c a p w a p 法为基础) 中则作了进一步的改进，用“连续杆 模型代替了“离散的质弹模型，并采用了特征线法求解波动方程，这有利于 提高分析精度；s m i t h 和c h o w ( 1 9 8 4 ) 等给出了一个波动方程分析的有限元计 算程序f 3 3 】。但是，至今还是差分法占统治地位0 4 1 ，对工程技术分析人员来说可 能是由于有限元法比较费时和费事，差分法简单且实用的缘故。 在我国，唐念慈掣3 5 j ( 1 9 7 8 ) 首次使用波动方程法对渤海1 2 号平台试桩工 程进行了分析，并编制了b f 8 1 计算程序，可预估沉桩能力、单桩极限静承载力 以及可以研究桩锤、垫层性能，但由于需要输入的参数多达二十多个，计算图式 的合理与否，参数的取值是否恰当等均对计算结果有影响，在某些情况下影响到 波动方程法的可靠性。梁守信等1 3 6 1 ( 1 9 8 2 ) 设计了多种确定单桩承载力的信号拟 和程序。袁建新等【3 刀( 1 9 9 0 ) 给出了土性参数调整的一个优化方法。江礼茂【3 8 】 等人( 1 9 9 0 ) 在c a p w a p 法的思想基础上，完成了应用特征线法求解波动方程， 根据打桩过程实测桩顶力和速度，求单桩承载力及沿桩土阻力分布的理论研究。 从上述国内外的有关波动方程法的研究成果可以看出，应用波动理论可用来 解决打桩应力、打桩阻力、系统组成的最佳设计、预测单桩极限承载力等诸多重 要问题。除了在改进桩锤垫层桩土系统的理论计算图式、完善系统相互作用理 论体系等这些理论方面的进展外，利用打桩过程中的实测数据进行反分析 的 方法来提高预测分析精度也同样取得了很好的效果。 4 第一章绪论 1 3 地理信息系统( g i s ) 美国联邦数字地图协调委员会( f e d e r a li n t e r a g e n c yc o o r d i n a t i n gc o m m i t t e eo n d i g i t a lc a r t o g r a p h y , f i c c d c ) 关于地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ， g i s ) i 拘定义【3 9 】为：“g i s 是由计算机硬件、软件和不同的方法组成的系统，该系 统设计用来支持空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复 杂的规划和管理问题。静根据这个定义，将g i s 的概念分为两个组成部分。其一， 地理信息系统是一门科学，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的 一门新兴的交叉学科；其二，地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据 库( g e o s p a t i a ld a t a b a s e ) 为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和 动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统( 图1 1 ) 。 图1 - 1 与地理信息相关的计算机技术系统【3 9 】 地理信息系统( g i s ) 是近十年发展起来的- - f 综合应用系纠3 9 1 ，它把各种 信息同地理位置和有关的视图结合起来，并把地理学、几何学、计算机以及各种 应用对象、c a d 技术、遥感、g p s 技术、i n t e m e t 、多媒体技术及虚拟显示技术 等结合为一体，利用计算机图形与数据库技术来采集、存储、编辑、显示、转换、 分析和输出地理图形及其属性数据。地理信息系统是一个技术系统，是以地理空 间数据库( g e o s p a t i a ld a t a b a s e ) 为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多 种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系纠删。 g i s 应用遍及金融、电信、交通、国土资源、有天、电力、水利、农林、环境保 护、地矿等国民经济的各个领域。 第一章绪论 地理信息系统萌芽于2 0 世纪6 0 年代初，1 9 6 2 年加拿大的r o g e r ft o m l i n s o n 首先提出了地理信息系统这个术语，并建成世界上第一个o s ( 力n 拿大地理信息 系统c g i s ) ，并用于自然资源的管理和规划【4 1 1 。不久，来自美国西北技术研究所 得h o w a r df i s h e r 教授在福特基金会的资助下，建立了哈佛计算机图形与空间分 析实验室，开发了s y m a p 、o d y s s e y 软件包，这可算是g i s 的起步。进入7 0 年代后，由于计算机硬件水平的提高，促使g i s 朝着使用方向迅速发展，一些经 济发达国家先后建立了许多专业性的g i s ，在自然资源管理和规划方面发挥了重 大作用。从1 9 7 0 年到1 9 7 6 年，美国国家地质调查局就建成了5 0 多个信息系统。 其他国家如加拿大、德国、瑞典和日本等国也相继发展了自己的g i s 。8 0 年代后 期兴起的计算机网络技术使地理信息的传输时效得到了极大地提高，它的应用从 基础信息管理与规划转向更加复杂的实际应用，成为辅助决策的工具，并促使了 地理信息产业的形成。到2 0 0 6 年，市场上有关地理信息系统的软件已达上千种， 并且涌现出了一些有代表性的g i s 软件1 4 2 】。 随着理论和技术的发展，各种地理信息系统模块走向集成，逐步形成大型地 理信息系统软件包，如e s r i 的a r c i n f o ( v 8 0 以前版本) ，g e n a s y s 的g e n a m a p 等均是集成式地理信息系统的代表。集成式地理信息系统是地理信息系统发展的 一个重要里程碑，其优点在于集合了地理信息系统各项功能，形成了独立完整的 系统；缺点是系统复杂庞大，成本高，难以与其它系统集成。随后出现了模块化 地理信息系统，代表软件有i n t e r g r a p h 的m g e 等。模块化地理信息系统的基本 思想，是把地理信息系统按照功能划分为一系列模块，运行于统一的基础环境之 上，方便了开发和应用，用户可以根据需求选择所需要的模块。为了方便地与管 理信息系统( m i s ) 和专业应用模型进行集成，出现了核心式地理信息系统这种系 统的核心功能被封装在动态链接库( d l l ) 中，利用高级编程语言可以访问其所提 供的g i s 功能。除了一些基本的动态链接库以外，大部分动态链接库可以被拆卸 或重组，为地理信息系统与m i s 的无缝集成提供了一套全新的解决思路。但是， 由于核心式地理信息系统提供的软件构件过于底层，给地理信息系统应用开发者 带来一定难度，它也不符合可视化程序设计的潮流。 随着计算机软件技术的发展，地理信息系统发展到了一个全新的阶段，出现 了组件式地理信息系统1 4 3 1 。组件式地理信息系统基于标准的组件式开发平台，各 个组件之间不仅可以进行自由灵活的重组，而且具有可视化的界面和使用方便的 标准接口。组件式平台主要有m i c r o s o f t 的c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件 对象模型) d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，分布式组件对象模型) 和 o m g 的c o r b a ( c o m m o n o b j e c t re q u e s t br o k e r ar c h i t e c t u r e ，公共对象请求代理 体系结构) 由m i c r o s o f t 提出的c o m d c o m 占市场领导地位。基于c o m d c o m ， 6 第一章绪论 m i c r o s o f t 推出了a c t i v e x 技术，a c t i v e x 控件是当今可视化程序设计中应用最为 广泛的标准组件。新一代的组件式地理信息系统也大都是a c t i v e x 控件或者其前 身o l e 控件。组件式地理信息系统代表着当今地理信息系统发展的潮流。 我国g i s 的发展虽然较晚，经历了四个阶段，即起步( 1 9 7 0 1 9 0 8 ) 、准备( 1 9 8 0 1 9 8 5 ) 、发展( 1 9 5 5 1 9 9 5 ) 、产业化( 1 9 9 6 以后) 阶段。g i s 己在许多部门和领 域得到应用，并引起了政府部门的高度重视。从应用方面看，地理信息系统已在 资源开发、环境保护、城市规划建设、土地管理、农作物调查与结产、交通、能 源、通讯、地图测绘、林业、房地产开发、自然灾害的监测与评估、金融、保险、 石油与天然气、军事、犯罪分析、运输与导航、1 1 0 报警系统、公共汽车调度等 方面得到了具体应用【4 1 1 。国内许多科研机构和高校对g i s 技术等方面得到了具 体应用。国内许多科研机构和高校对g i s 技术和理论进行了深入研究， 己成功 研制开发一批地理信息系统软件，如g e o s t a r ，c i t y s t a r ， m a p g i s ，s u p e r m a p 等，一批高等院校已经设立了一些与g i s 有关的专业或学科，一批专门从事g i s 产业活动的高新技术产业相继成立m j 。 1 4 地理信息系统( g i s ) 的开发 地理信息系统属于信息系统的范畴【3 9 1 。信息系统从研究对象的角度可以分为 空间信息系统和非空间信息系统。非空间信息系统研究与空间无关的事物性对象 及其相互之间的关系，如管理信息系统( m i s ) 、决策支持系统( d s s ) 等。空间 信息系统以空间相关对象及对象闾的空间关系为主要研究对象，地理信息系统即 为典型的空间信息系统。地理信息系统根据研究内容、研究范围、数据模型分为 多种类型。地理信息系统在信息系统中的地位如图1 2 所示。 信息系统卜_ r - 非空问倍息系统h 管理信息系统 全球g i s 区域g j s 穿弼信息系统h h 非地理信息系统hc a d c a m 研究范盈 攀g i s 彳 ()ll t 数羲模塑ii 矢嫠g i s i 橱艳g i sl 矢- r e g i s 专愿地图 信息系统 骠砸 信息系统 图1 - 2g i s 在信息系统中的地位 7 ll_一a理 s s 二境管 g g 一一环与黝则二湃躺雌姗二麟黝 第一章绪论 地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型：一是应用型地理信息系统， 以某专业领域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理信息 系统：二是工具型地理信息系统，即g i s 工具软件包，如a r c g i s 、m a p l n f o 等， 具有空间数据输入、存储、处理、分析和输出等g i s 基本功能。随着地理信息系 统应用领域的扩展，应用型g i s 的开发工作日显重要。如何针对不同的应用目标， 高效开发出既合乎需要又具有方便、美观、丰富的界面形式的地理信息系统，是 g i s 开发者非常关心的问题。 g i s 常用开发模式主要有三种；独立开发、纯二次开发、集成二次开发。 独立开发 指不依赖于任何g i s 工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析 及结果输出，所有的算法都有开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如 v i s u a lc + + 、d e l p h i 等，在一定得操作系统平台上编程实现。这种方式的好处 在于无须依赖任何商业g i s 工具软件，减少了开发成本；但对于大多数开发者来 说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化 g i s 工具软件相比，而且在购买g i s 工具软件上省下的钱可能还抵不上开发者在 开发过程中绞尽脑汁所花的代价。 单纯二次开发 指完全借助于g i s 工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。g i s 工具软 件大多提供可供用户进行二次开发的宏语言。例如，e s r i 的a r c v i e w 提供了 a v e n u e 语言，m a p l n f o 公司研制的m a p l n f op r o f e s s i o n a l 提供了m a p b a s i c 语言 等。用户可以利用这些宏语言，以原g i s 工具软件为开发平台，开发出自己的针 对不同应用对象的应用程序。这种方式省时省力，但进行二次开发的宏语言，作 为编辑语言能力极弱，用来开发应用程序不尽如人意。 集成二次开发 集成二次开发是指利用专业的g i s 工具软件，如k r c v i e w 、m a p l n f o 等，实 现g i s 的基本功能，以通过软件开发工具尤其是可视化开发工具，如d e l p h i 、 v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、p o w e r b u i l d e r 等为开发平台，进行二者的集成开 发。 集成二次开发目前主要有两种方式。 ( 1 ) 0 l e d d e 采用对象链接和嵌入( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ，o l e ) 自动化技术 或利用d d e 技术，用软件开发工具开发前台可执行应用程序，以o l e 自动化方式 或d d e 方式启动g i s 工具软件在后台执行，利用回调含技术动态获取其返回信息， 第一章绪论 实现应用程序中的地理信息处理功能。 ( 2 ) g i s 控件 利用g i s 工具软件生产厂家提供的建立在o c x 技术基础上的g i s 功能控件， 如e s r i 的m a p o b j e c t s 、m a p i n f o 公司的m a p x 等，在d e l p h i 等编程工具编制的 应用程序中，直接将g i s 功能嵌入其中，实现地理信息系统的各种功能。 由于独立开发难度太大，单纯二次开发受g i s 工具提供的编程语言的限制， 效果又不理想，因此，结合g i s 工具软件与可视化开发语言的集成二次开发方式 就成为g i s 应用开发的主流方式。它的优点是既可以充分利用g i s 工具软件对 空间数据的管理、分析功能，又可以利用其他可视化开发语言具有的高效、方便 等编程优点，集二者之长，不仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视 化软件开发工具开发出来的应用程序具有更好的外观效果、更强大的数据库功 能，可靠性好、易于移植、便于维护，尤其是以o c x c o m 技术利用g i s 功能 组件进行集成开发，更能表现出这些优势。 1 5 本文研究的内容 海洋桩基的可打入性分析和预测在保证海上施工安全、经济、顺利的进行方 面有着很重要的作用。在使用程序模拟实际的打入过程，分析可打入性的过程中， 土层的计算参数的选取直接影响着分析的准确性。然而不同土质条件的土层计算 参数又有着很大的差别。根据“反分析”的思路，对已建平台的打桩记录进行反 分析，这样可以发现土层计算参数按照推荐值得出的预测曲线和实测睦线之间的 差别，并通过修正土层计算参数拟合出一条更为符合该实际工程的曲线。为了使 按照这种方法得到的针对不同地质条件土层计算参数的修正值更准确和更有效， 就有必要利用现在已有的很多已建平台的打桩记录来建立一个高效的数据库系 统，为未建平台的可打入性分析服务。由于地质土层条件和地理位置有着密切的 联系，所以建立一个具有强大地理信息查询功能的数据库对海洋平台的打桩分析 是更快捷、更适用的。使用a r c g i s 地理信息系统软件平台，进行集成二次开发， 实现工程分析中需要的功能。利用此数据库来为海洋桩基的可打入性分析预测提 供有价值的、符合客观实际的信息帮助。因此，本文的主要研究内容可概括如下： ( 1 ) 结合实际工程的打桩记录，修正程序计算中土层参数的选取。 在介绍t n o w a v e 打桩计算软件原理和参数输入的基础上，按照程序中计算 参数的推荐值模拟计算打桩锤击数曲线。将计算出的锤击数曲线和实际的打桩记 录进行对比。按照打桩记录得到的锤击数曲线，调整t n o w a v e 中土层计算参 数，使得经过修正而计算出的锤击数曲线更加趋近于实际打桩记录曲线，得到更 9 第一章绪论 符合该实际工程的理论计算打桩预测曲线。 ( 2 ) 结合g i s 功能开发数据库系统的理论基础。 结合海洋平台打桩的实际工程特点，单纯的建立数据库系统已经不能满足工 程的需要，具有强大地图显示和地图查询功能的数据库系统会更适合海洋平台打 桩相关数据库系统。这一部分主要讨论了地理信息系统( g i s ) 的二次开发原理、 空间数据库和属性数据库，还有二次开发语言的选择。 ( 3 ) 数据库系统的总体设计和开发步骤的确立。 数据库系统的总体设计在开发数据库的过程中是很重要的组成部分，它确立 了数据库系统的组成和构架了数据库系统的功能组成。最后，在开发步骤中详细 的研究了数据库系统的开发过程和解决了该数据库系统开发过程中的关键技术 问题。 ( 4 ) 海洋平台打桩相关信息数据库系统实例介绍。 该部分介绍了研制开发出来的数据库系统的主要功能。主要包括结合地图的 查询功能以及表格和曲线数据的输出功能等等。 l o 第二章t n o w a v e 软件基础 第二章t n o w a v e 软件基础 t n o w a v e 是由荷兰应用科学研究院建筑施工研究所开发的以波动方程为 依据的模拟连续打桩过程的程序分析软件。该软件广泛应用于模拟打桩过程、提 供打桩可打入性预测分析等领域。这一章主要介绍t n o w a v e 的波动理论基础【4 5 】 和其在打桩分析中的几个重要计算参数的意义和选取。 2 1 应立波反射法控制方程 在物质坐标中研究一等截面均匀桩的纵向运动，取变形前( t - - o ) 质点的空间 位置作为物质坐标，选桩轴为x 轴( 如图2 一1 ) ，变形前的原始截面积a 、密度p 和其它材料性能参数均与坐标无关，假定桩在变形时横截面保持为平面，沿截面 有均布的轴向应力，则各运动参量仅为x 和t 函数，整个问题简化为一维问题， 这一假定对横向尺寸远小于应力波波长的细长桩可以成立。 e = t r 6 ，杆件弹性模量 p = 杆件的质量密度 a = 杆件的横截面积 f f + d f 图2 1 桩的一维连续模型 o x 如图2 1 所示，考虑距离桩项x 微元体出( 影印所示) 的运动状态。有以下 的一些共识： 用表示位移，那么应变s ：娑，质点的速度0 - - - - - 譬。 0 研 对于均质连续的介质中质点的位移是单值连续函数，同时，= 4 x ，t ) ， 那么根据连续方程的相容性有： 卯iu 第二章t n o w a v e 软件基础 8 ua s o xo t 考虑桩上长度为出的微元体，据牛顿第二定律有： 出詈= f ( 斛蜘) 一f ( 彬) 又： ，( x + 妣z ) 一聃) = 掣出和刚= 仃 仃为应力 得： 8 08 0 p - f f 2 i ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 对于弹性的杆件，其变形满足胡克定律，满足应力只是应变的单值函数，即： 仃( 占) 连续可微，所以有： 由式( 2 3 ) 和式( 2 5 ) 得： o r = o r ( 6 ) = e e r 8 0 d o 8 s 一= = 缸d e 苏 8 0ld o 如 一：= ：一 a p d 6o x 由于a ，o r ：e ，故令c ：三a ，o r ：e p ，那么： d s pd s 8 0 一2船c = 8 t o x ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 桩上各个质点的位移变化情况是主要要考虑的，所以将占= 舡0 x 和 d = 私西代入式( 2 7 ) 得： 馨= c 2 馨( 2 - 8 ) 反2融2 1 2 第二章t n o w a v e 软件基础 式( 2 8 ) 即为波动方程，并且其通解的形式为： u=l ( x c t ) + z t ( x + d )( 2 9 ) 该通解由两个行波组成，其传播速度都为c ，但传播方向相反。波沿特征线 ( x + - - c o 播，而且和，分别对应下行波和上行波传播的不变量，可由边界条 件确定。对于质点速度，和轴力f ，可导出下列方程： y = 詈= 禹( _ c ) + 羔( + c 一t 协 f = 一尉罢= 一尉( 蠢辅 + ， c 2 ， 式中，j 和f 工仅是( x - c o 的函数，v 个和f t 也仅是( x + c o 的函数。在 一般情况下，桩身任意截面上的速度和轴力都是上行波和下行波的叠加的结果。 从式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) ，可知： f = z v +f = 一乃( 2 1 2 ) 式中z 为杆件的阻抗，定义为杆件上任意点处的受力与该点的运动速度之比。 2 1 1 边界条件 z ：丝：彳面 c ( 2 - 1 3 ) 在长为的桩上作用一半弧形脉冲荷载( 采用脉冲荷载是因为任意一时间荷 载很容易用一系列脉冲来描述) 。由上面所述，一压缩波开始向下传播。注意： 仅只有两特征线之间的桩以速度，= f z 运动，而桩身其余部分没有运动。当