第四章：悬臂式支挡结构的设计（基坑）
本章中，将为用户演示在“永久荷载”和“偶然荷载”（洪水）的作用下，悬臂式支挡结构的设计与验算。
例题源文件请在这里下载：http://pan.baidu.com/s/1eSzTbMy
任务
根据“中国 - 国家标准（GB）”，设计非均质地层中的悬臂式支挡结构。本算例中以“排桩”的设计验算为例。基坑的开挖深度为 2.5m，地下水埋藏深度为 1.0m。除分析正常情况下结构的稳定性之外，还需分析在偶然设计状况下，即地下水位超出排桩顶部 1.0m 时（临时的防水屏障会安装在排桩上面以阻止水流入基坑）结构的稳定性。
图 4.1 排桩基坑支护算例
计算
为了解决“任务”中提出的问题，我们将采用“GEO5 深基坑支护结构设计”软件（2017版）进行分析，分析过程包括如下两种设计状况：
工况阶段[1] —— 持久设计状况
工况阶段[2] —— 偶然设计状况
工况阶段[1]：基本参数输入
点击「分析设置」界面 →「选择分析设置」，选择“中国 - 国家标准（GB）”。
图 4.2 「选择分析设置」界面
下一步，根据给定信息，设置「剖面土层」。
图 4.3 土层剖面设置
然后，定义「岩土材料」，在「指定材料」界面中，根据表 4.1，将定义好的岩土材料指定给相应的土层。
图 4.4 「添加岩土材料」界面
表 4.1 岩土材料参数表
注：对于静止土压力的计算，软件提供了多种方法。如果整个计算过程中用到静止土压力（通常中国规范中不要求考虑墙前土体抗力），那么静力土压力计算选择粘性土时，岩土材料参数中需要输入泊松比。如果已知静止土压力系数，也可以直接输入系数的值。各种静止土压力计算方法的介绍请查看帮助文档—F1。
下一步，选择「尺寸」界面，指定基坑的深度以及基坑底部坡面的形状。
图 4.5「尺寸」界面
注：
1.只有当分析排桩时才考虑“坑底土压力折减系数”，对于板桩、地下连续墙或无间距的连续排桩，该系数取值为1.0。根据中国规范,分析排桩时也可取值为1.0（更多信息请见帮助文件—F1）。
2.本案例中我们主要对基坑进行初步设计以确定合理的支护方案，因此不设置支护结构的截面类型，即不选择支护结构为地下连续墙、排桩或板桩等。这样做的好处在于我们可以在GEO5深基坑支护结构设计模块中通过最少的且最关键的参数确定支护结构的嵌固深度、每延米的内力，从而帮助我们快速判断合理的支护方案（概念设计）。在后续的详细设计中，我们再考虑截面的相关属性以及结构的变形情况。
在本算例中，我们不使用「锚杆」，「内支撑」，「支座」，「坑外土压力」，「超载」和「作用力」界面。由于该算例的基坑不处于抗震设防区，也不使用「地震荷载」界面。
基坑外地面水平，故「墙后坡面」选择水平；在「地下水」界面中，地下水深度为 1.0m。
图 4.6 「地下水」设置 —— 工况阶段[1]
下一步，「工况阶段设置」，选择“持久设计状况”。
图 4.7 「工况阶段设置」界面
下一步，选择「分析」界面，然后点击界面右上角「分析」按钮，分析将自动执行。
注：按照中国规范，结构的嵌固深度用安全系数法来计算，对于一级结构，安全系数取 1.25。对于结构的配筋，采用极限状态法计算，因此不能采用安全系数法计算内力。所以计算嵌固深度和内力时应采用不同的验算方法，分为两个分析工况。嵌固深度取值按分析工况[1] (如图4.8)，输入安全系数法；内力标准值取值按分析工况[2] (如图 4.9)，输入被动土压力折减系数。
注：分析进行前，在「岩土作用力」界面中用户可以对作用在支护结构上的土压力进行设置。例如，设置计算采用的土压力为主动土压力、静止土压力还是修正后的主动土压力，设置土压力的分布形状，自定义土压力等。其中选项“考虑截面最小土压力”用于考虑作用在结构上的最小土压力。当土层为粘性土时，各个国家的规范都建议设置截面最小土压力。软件默认截面最小土压力系数为0.2，即作用在支挡结构上的最小土压力不小于自重应力的0.2倍。根据“中国—国家标准（GB）”，此处取该系数值为0，当然，也可以不设置截面最小土压力。
图 4.8 「分析」界面 —— 分析工况[1]
图 4.9「分析」界面 —— 分析工况[2]
工况阶段[1]：计算结果
在悬臂式支挡结构设计中，我们关心的是支挡结构的嵌固深度及其内力分布。工况阶段[1]的计算 结果如下：
— 排桩长度 4.72m （分析工况1）
— 嵌固深度 2.22m （分析工况1）
— 最大弯矩标准值 Mmax = 19.73kNm/m * 1.5 m = 29.595kNm （分析工况2）
— 最大剪力标准值 Qmax = 46.05kN/m * 1.5m = 69.075N （分析工况2）
注：对于排桩，内力还应乘以桩间距才是每根桩的实际内力。
在下一工况阶段，我们将计算偶然荷载作用下，结构所需的嵌固深度，以及相应的内力值。
工况阶段[2]：基本参数输入 在屏幕左上方的「工况阶段」工具栏中，点击“+”，添加工况阶段[2]。
图 4.10 「工况阶段」工具栏
在工况阶段[2]下，选择「地下水」界面，将地下水位线位置改为z=-1.0m(位于排桩桩顶上方1.0m 处)。
图 4.11「地下水」设置 —— 工况阶段[2]
下一步，选择「工况阶段设置」界面，选择“偶然设计状况”。
图 4.12 「工况阶段设置」界面 —— 工况阶段[2]
由于该工况阶段与工况阶段[1]输入的其他参数（如岩土参数等）相同，因此用户无需再次输入， 可直接选择「分析」界面。对于偶然设计状况，计算嵌固深度的安全系数这里取值为 1.1。
图 4.13 「分析」界面 —— 工况阶段[2] —— 分析工况[1]
4.14「分析」界面 —— 工况阶段[2] —— 分析工况[2]
工况阶段[2]：计算结果
— 排桩长度 7.83m （分析工况1）
— 嵌固深度 5.33m （分析工况1）
— 最大弯矩标准值 Mmax = 164.36kNm/m * 1.5m = 246.54kNm （分析工况2）
— 最大剪力标准值 Qmax = 179.17kN/m * 1.5m = 268.755kN （分析工况2）
结论
由工况阶段[1]与工况阶段[2]的计算结果可知：
排桩所需最小嵌固深度：5.33m
排桩的最大弯矩标准值：Mmax = 246.54kNm
排桩的最大剪力标准值：Qmax = 268.755kN
在验算排桩的截面强度时，应当采用内力设计值，即标准值乘以基本组合综合分项系数 γF，再乘以结构重要性系数γ0。对于一级结构，γF=1.25，γ0=1.1。
注：对于需要进行排桩配筋验算的情况，应当在【尺寸】界面中设置排桩的截面尺寸，并在【材料】界面中设置排桩的材料。
注：当设置结构的截面时，对于有间距的挡土结构（例如排桩、型钢桩横挡板），依据《建筑基坑支护技术规程 JGJ120-2012》中的规定，对于经典法（“深基坑支护结构设计”模块中采用的方法），参数“嵌固段计算宽度折减系数”取1（更多信息请见F1帮助文件）。
图4.15 【尺寸】界面—编辑
图4.16排桩参数
图4.17 排桩材料
