1、 某深基坑支护结构分析弹性支点法 案例案例说明说明 GEO 2016 版本的深基坑支护结构分析模块最新加入了建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）（以下简称基坑规程），不仅支持国外普遍采用的弹塑性共同变形法，也支持基坑规程采用的弹性支点法对基坑支护结构进行分析计算。本章以某深基坑工程为算例，详细介绍如何依据基坑规程，采用弹性支点法对基坑开挖过程进行计算分析。工程概况工程概况 本基坑工程开挖深度为 16.6m，由于基坑开挖深度较大，为了便于施工，基坑-5m 以上部分按 1:0.5 放坡开挖，并采用土钉墙支护。坡面设置三道土钉，竖向间距为 1.5m，距离地面分别为 1.6m、3.1m 和
2、4.6m。土钉长度分别为 10m、10m、6m，倾角为 10，水平间距为 1.5m，锚杆采用单根 22 螺纹钢。基坑-5m 以下部分采用桩锚支护结构，支护结构是由排桩和锚索两部分组成。排桩桩径为 800mm，有效桩长 18.0m，桩顶标高-5.0m，桩间距为 1.2m；桩身混凝土强度等级 C30，混凝土保护层厚度 50mm；钢筋笼主筋采用对称布置，钢筋选用 16252000，螺旋箍筋选用 10150。设置四道锚索，锚索水平倾角为 15，间距 2.5m，预应力均为 180.0kN；锚索采用 3 束 12.7 钢绞线，分别设在距地面 8.9m、13.4m、15.9m 及 18.4m 处；锚索总长均
3、为 26m。场地地层从上往下依次为素填土、砾砂、黏土、细沙、黏土、强风化岩。各土层厚度和物理力学参数请参照表 29.1。图 29.1 为基坑开挖支护示意图。表 1 岩土材料参数 土层 层厚(m)重度(kN/m3)饱和重度(kN/m3)内摩擦角()黏聚力 c(kPa)结构与岩土 间摩擦角()素填土 3.5 18.5-12.0 8.0 4.0 砾砂 3.3 20.0 22.0 40.0 10.0 13.0 黏土 7.7 19.0 20.5 15.0 38.0 5.0 细沙 2.7 18.5 21.5 32.0 5.0 10.0 黏土 3.2 19.0 21.0 14.0 25.0 5.0 强风化岩
4、 4.1 20.0 22.0 18.0 100.0 6.0 图 1 基坑开挖支护示意图 计算计算流程流程 本案例采用 GEO5 2016深基坑支护结构分析模块进行计算分析，共分为以下 6 个计算工况：1)工况阶段1：基坑放坡开挖至-5.0m 并采用土钉支护；2)工况阶段2：基坑开挖至-6.9m；3)工况阶段3：设置第一道锚索，并将基坑开挖至-9.4m；4)工况阶段4：设置第二道锚索，并将基坑开挖至-11.9m；5)工况阶段5：设置第三道锚索，并将基坑开挖至-14.4m；6)工况阶段6：设置第四道锚索，并将基坑开挖至-16.6m。工况阶段1 点击【分析设置】，在分析设置界面中确认选择的标准为中国
5、-国家标准，可以看到分析方法采用的是弹性支点法(JGJ 120-2012)，取消勾选考虑截面最小土压力，结构重要性系数设置为 1.1。图 2 分析设置 在【剖面土层】设置界面中添加四条地层线，各地层线的 Z 轴坐标分别为1.8m、9.5m、12.2m 和 15.4m。图 3 添加地层线 在【水平反力系数】设置界面中设置土的水平反力系数计算方法。因为没有比例系数 m 试验取值，所以这里将 土的水平反力系数计算方法 选择为 m 法，结构在嵌固（坑底）处的水平位移量设置为 10mm，嵌固（坑底）处水平反力系数的初始值设置为 0。图 4 水平反力系数设置 注：1、按照基坑规程规定，基坑内侧土的水平反力
6、系数可按下式计算：=()(1.1)式中：m土的水平反力系数的比例系数(kN/m4)；z计算点距地面的深度(m)；h计算工况下的基坑开挖深度(m)。土的水平反力系数的比例系数宜按桩的水平荷载试验及地区经验取值，缺少试验和经验时，可按下列经验公式计算：=0.22 +(1.2)式中：m土的水平反力系数的比例系数(MN/m4)；c、分别为土的黏聚力(kPa)、内摩擦角()；对多层土，按不同土层分别取值；挡土构件在坑底处的水平位移量(mm)，当此处的水平位移不大于 10mm 时，可取=10mm。2、如果比例系数 m 有试验或地方经验取值，可以将土的水平反力系数计算方法选择为岩土材料参数中输入（m 法、c
7、 法或 K 法），并在【岩土材料】界面中分别输入每层土对应的 m 值。或者也可以在 GEO5 软件帮助中查询m、K 建议取值，帮助文档提供了大量不同岩性土对应的 m、K 经验值。在【岩土材料】设置界面中添加岩土材料，点击按钮，在弹出的添加岩土材料窗口中参照表 1.1岩土材料参数添加各岩土层材料。图 5 添加岩土材料 在【尺寸】设置界面中添加排桩，软件默认添加了一排地下连续墙，点击“编辑”按钮，在弹出的编辑窗口中设置排桩相关参数，将结构类型选择为排桩，截面长度设置为 18.0m，嵌固段计算宽度折减系数选择为计算，截面类型为圆形，桩直径设置为 0.8m，桩间距设置为 1.2m。图 6 添加排桩 注
8、：根据基坑规程，排桩的土反力计算宽度应按下列公式计算：对圆形桩 0=0.9(1.5+0.5)(1)0=0.9(+1)(1)对矩形桩或工字形桩 0=1.5+0.5 (1)0=+1 (1)式中：b0单根支护桩上的土反力计算宽度(m)；当按公式计算的 b0大于排桩间距时，b0取排桩间距；d桩的直径(m)；b矩形桩或工字形桩的宽度(m)。将计算宽度折减系数选择为计算，软件会根据上述规程要求进行计算。在【材料】设置界面中设置排桩桩身混凝土和纵筋材料，混凝土型号选择 C30，纵筋型号选择为 HRB400。图 7 桩身材料设置 在【岩土作用力】界面将坑外土压力确定方法选择为计算。图 8 岩土作用力设置 注：
9、【岩土作用力】界面允许用户自定义支护结构后（坑外）作用的土压力（点击输入按钮）。只有在【分析设置】界面的开挖分析选项卡中选择分析方法为弹性支点法（JGJ 120-2012）时，该界面才是可见的。当选择输 入时，该界面包含一个列有已输入土压力值的表格。点击添加按钮，可以在 添加点对话框中输入对应深度m处土压力的值kPa。当选择 计算时，软件则自动计算作用在结构后的主动土压力或静止土压力。在【指定材料】设置界面中将岩土材料指定给各自对应的岩土层。选择岩土材料图例，然后在视图窗口中点击目标地层。也可以在地层分区上单击鼠标右键，在弹出的右键菜单中选择相应的地层材料。因为当前的模型中没有素填土土层，所以
10、素填土材料在这里先不指定。图 9 指定岩土材料 在【开挖】设置界面中设置开挖深度和坑内坡面，因为工况阶段1模拟的是放坡开挖，所以在这里将基坑深度设置为 0，坑内坡面保持默认选择。图 10 开挖设置 注：在【开挖】设置界面，还可以设置坑内坡面超载、坑内填土及坑底以下被动区土体加固。关于这些功能的使用请查看软件帮助 F1。在【墙后坡面】界面中设置放坡开挖坡面，选择第三个坡面形式，将填土长度设置为 2.5m，选择填土高度并设置为 5.0m。图 11 墙后坡面设置 在【工况阶段设置】界面中选择设计状况为持久设计状况，作用在结构后的土压力选择采用静止土压力。图 12 工况阶段设置 注：支挡结构前（坑内）
11、土层尚未开挖或开挖深度很浅时，支护结构位移很小，选择坑外土压力为主动土压力计算出来的结构变形规律有时候和实际并不相符。此时需要修改坑外土压力为静止土压力，从而符合实际的坑外土压力分布情况。此外，需要严格限制支护结构的水平位移时，根据基坑规程建议，支护结构外侧的土压力宜取静止土压力。点击【分析】命令，软件自动进行验算分析，用户可以在图形窗口中查看水平反力系数、土压力、结构内力与变形等计算结果包络图。本工况的主要分析任务是验算基坑放坡的稳定性，点击【外部稳定性分析】命令，软件自动启动土质边坡稳定分析模块，在【多段线】设置界面中点击添加多段线按钮，通过点击输入地层线两端点坐标（0.75,1.5）、（
12、54,1.5），点击添加按钮便生成一条新的地层线。在【指定材料】设置界面中将素填土指定给刚刚创建的素填土层。点击【分析】命令，在【分析】界面中点击，在基坑放坡处重新绘制一条初始计算滑面。图 13 重新指定初始计算滑面 将分析方法选择为毕肖普法，分析类型选择为自动搜索，点击按钮，软件自动搜索最不利滑动面位置并给出相应的安全系数，计算结果显示，最不利滑动面的安全系数为 0.92，边坡处于失稳状态，所以必须采用支护措施。点击【筋材】命令，在【筋材】界面中点击按钮，在弹出的设置窗口中输入土钉参数。参照图 14 参数设置，分别添加三排土钉。图 14 添加土钉 注：因为篇幅有限，这里不再对土钉的倾覆滑移、
13、截面强度及内部稳定性进行验算，用户可以在土钉边坡支护设计模块中创建放坡模型并直接复制土坡模块岩土材料等参数对上述内容进行验算。在【分析】界面中点击开始分析按钮，软件自动搜索最不利滑动面位置并给出相应的安全系数，计算结果显示最不利滑动面的安全系数为 2.05，边坡处于稳定状态，可见土钉起到了很好的支护效果。图 15 放坡稳定性计算 点击按钮，回到深基坑支护结构分析模块，计算结果也将自动保存到本分析模块之中。工况阶段2 在工况阶工具栏中点击加号按钮添加工况阶段2，在工况阶段2中的竖向模式控制栏中点击【开挖】，将“基坑深度”设置为 1.9m。图 16 桩身配筋验算 在【工况阶段设置】界面中，将作用在
14、结构后的土压力选择为采用主动土压力。图 17 工况阶段设置 点击【分析】命令，软件自动进行计算，计算完成后可以在通过选择不同的显示对象，在图形窗口中查看水平反力系数+土压力、内力和位移+土压力计算结果包络图。计算结果显示结构最大剪应力为 57.82kN/m、弯矩最大值为 80.81kNm/m、最大位移值为 7.0mm。图 18 水平反力系数与土压力包络图 工况阶段3 在工况阶段工具栏中点击加号按钮添加工况阶段3，点击竖向模式控制栏中的【锚杆】，在【锚杆】设置界面中点击添加按钮，在弹出的添加锚杆窗口中输入锚索参数，具体参数设置可参照图 19。图 19 第一排锚索参数 注：这里的刚度指的是锚杆的轴
15、向刚度系数，而非水平刚度系数。当使用内支撑时，也可以选择输入内支撑刚度系数，而且 GEO5 2016 支持输入斜撑，关 于内支撑的使用方法我们会在其它案例中进行详细介绍。接着在【开挖】界面中将“基坑深度”设置为 4.4m。图 20 基坑三维视图 设置完成以后，点击【分析】命令，软件自动进行计算，通过选择不同的显示对象，可以在图形窗口中查看水平反力系数+土压力、内力和位移+土压力计算结果包络图。计算结果显示结构最大剪应力为 103.28 kN/m、弯矩最大值为 185.10kNm/m、最大位移值为 16.3mm。图 21 水平反力系数+土压力分布图 图 22 桩身内力分布图 点击【内部稳定】命令
16、，在【内部稳定】界面中查看锚索内部稳定性验算结果。计算结果显示锚杆内部稳定性满意要求。图 23 锚杆内部稳定性验算 注：GEO5 为用户提供了锚杆内部稳定性验算功能，虽然基坑规程没有要求对锚杆内部稳定性进行验算，但国外工程经验表明，锚杆内部稳定性对基坑支护的可靠性有着不可忽视的影响。工况阶段4 在工况阶段工具栏中点击加号按钮添加工况阶段4，在【锚杆】界面中点击添加按钮，在弹出的添加锚杆窗口中参照图 24 输入第二排锚索参数.图 24 第二排锚杆参数 接着点击【开挖】命令，在【开挖】界面中将“基坑深度”设置为 6.9m。图 25 基坑三维视图 设置完成以后，点击【分析】命令，软件自动开始计算，通
17、过选择不同的显示对象，可以在图形窗口中查看水平反力系数+土压力、内力和位移+土压力 计算结果包络图。计算结果显示结构最大剪应力为 143.23kN/m、弯矩最大值为 264.91kNm/m、最大位移值为 15.5mm。图 26 水平反力系数+土压力分布图 图 27 位移+土压力分布图 点击【内部稳定】命令，在【内部稳定】界面中查看锚索内部稳定性验算结果。计算结果显示锚杆内部稳定性满意要求。图 28 锚杆内部稳定性验算 工况阶段5 在工况阶段工具栏中点击加号按钮添加工况阶段5，在【锚杆】界面中点击添加按钮，在弹出的添加锚杆窗口中参照图 29 输入第三排锚索参数.图 29 第三排锚杆参数 接着点击
18、【开挖】命令，在【开挖】界面中将“基坑深度”设置为 9.4m。图 1.30 基坑三维视图 设置完成以后，点击【分析】命令，软件自动开始计算，通过选择不同的显示对象，可以在图形窗口中查看水平反力系数+土压力、内力和位移+土压力 计算结果包络图。计算结果显示结构最大剪应力为 164.87kN/m、弯矩最大值为 332.30kNm/m、最大位移值为 16.6mm。图 31 水平反力系数+土压力分布图 图 32 桩身内力分布图 点击【内部稳定】命令，在【内部稳定】界面中查看锚索内部稳定性验算结果。计算结果显示锚杆内部稳定性满意要求。图 33 锚杆内部稳定性验算 工况阶段6 在工况阶段工具栏中点击加号按
19、钮添加工况阶段6，在【锚杆】界面中点击添加按钮，在弹出的添加锚杆窗口中参照图 1.34 输入第四排锚索参数.图 34 第四排锚杆参数 接着点击【开挖】命令，在【开挖】界面中将“基坑深度”设置为 11.6m。图 35 基坑三维视图 设置完成以后，点击【分析】命令，软件自动开始计算，通过选择不同的显示对象，可以在图形窗口中查看水平反力系数+土压力、内力和位移+土压力 计算结果包络图。计算结果显示结构最大剪应力为 206.31kN/m、弯矩最大值为 550.44kNm/m、最大位移值为 25.5mm。图 36 水平反力系数+土压力分布图 图 37 桩身内力分布图 图 38 位移+内力分布图 点击【内
20、部稳定】命令，在【内部稳定】界面中查看锚索内部稳定性验算结果。计算结果显示锚杆内部稳定性满意要求。图 39 锚杆内部稳定性验算 点击【外部稳定性分析】命令，软件自动打开土质边坡稳定分析模块，在【多段线】设置界面中点击添加多段线按钮，通过点击输入地层线两端点坐标（0.75,1.5）、（54,1.5），点击添加按钮生成一条新的地层线。在【指定材料】设置界面中将素填土指定给刚刚创建的素填土层。点击【分析】命令，在【分析】界面中点击，重新绘制一条初始计算滑面。图 40 指定初始计算滑面 将分析方法选择为毕肖普法，分析类型选择为自动搜索，点击按 钮，软件自动搜索最不利滑动面位置并给出相应的安全系数，计算
21、结果显示，最不利滑动面的安全系数为 2.09，基坑整体稳定性满足设计要求。图 41 基坑整体稳定性验算 点击按钮，回到深基坑支护结构分析模块，计算结果也将自动保存到本分析模块之中。接着，在【截面强度验算】界面中对桩身进行配筋和抗剪、抗压验算。勾选验算截面强度，将作用基本组合的综合分项系数设置为 1.25，配筋直径设置为28mm，钢筋数量设置为 15 根，混凝土保护层厚度设置为 50mm。验算结果显示，排桩抗剪、抗弯及配筋率均满足要求。图 42 桩身配筋验算 注：基坑规程规定，支护结构构件按承载能力极限状态设计时，作用基本组合的综合分项系数不应小于 1.25。图 43 所有工况排桩位移、弯矩及剪
22、力包络图 最后，对锚索的极限抗拔承载力和受拉承载力进行验算，验算结果如下：表 2 锚索极限抗拔承载力验算 锚索排数 极限抗拔承载力标准值(kN)锚杆轴向拉力标准值(kN)安全系数 第一排 408 103 3.96 第二排 490 226 2.16 第三排 613 332 1.84 第四排 613 300 2.04 表 3 锚索受拉承载力验算 锚索排数 锚索轴向拉力设计值(kN)锚索抗拉强度设计值(kPa)是否满足要求 第一排 142 707 满足 第二排 311 707 满足 第三排 457 707 满足 第四排 413 707 满足 验算结果表明，锚索的极限抗拔承载力和受拉承载力满足设计要求。注：按照基坑规程，锚杆的极限抗拔承载力应符合下式要求：式中：锚杆抗拔安全系数；安全等级为一级、二级、三级的支护结构，分别不应小于 1.8、1.6、1.4；锚杆轴向拉力标准值(kN)；锚杆极限抗拔承载力标准值(kN)。锚杆杆体的受拉承载力应符合下式规定：式中：锚杆轴向拉力设计值(kN)；预应力筋抗拉强度设计值(kPa)；预应力筋的截面面积(m2)。到此，采用弹性支点法对基坑支档结构进行计算分析的操作过程就全部完成了。
