从有效应力原理的角度来讲，土压力计算分为两种方法：有效应力法和总应力法。这两种方法中的土压力计算公式和抗剪强度参数等均不同。目前，有效应力法其实大家已经很熟悉，因为我们在规范上、教科书上学习的朗肯土压力、库伦土压力都是基于有效应力法进行推导的，而总应力法在国内用的还比较少。今天就和大家分享一下这两种方法分别适用于什么样的土体情况，以及两者的区别和特点等，以帮助大家更好的使用GEO5中提供的有效应力法和总应力法。有效应力法 　　太沙基饱和土有效应力原理公式：σ =σ′+μ 　　式中:σ为总应力； σ′为有效应力； μ为孔隙水压力　　总应力为由固体颗粒、孔隙中的水和气体共同承担的应力；有效应力为土颗粒间的接触应力，控制着土体体积变化和抗剪强度。　　有效应力原理阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力——应变关系上的重大区别。有效应力原理表示研究平面上的总应力、有效应力与孔隙水压力三者之间的关系：保持不变时，孔隙水压力与有效应力可以相互转化，即：空隙水压力的减小等于有效应力的等量增加。　　采用有效应力法计算主动土压力的基本公式如下（被动土压力同理）：　　式中：　　pa—第i层土中计算点的主动土压力　　σz土中竖向总应力　　μa孔隙水压力　　ka,i第i层土的主动土压力系数　　ci第i层土的有效粘聚力　　其中土压力的计算方法由具体的土压力理论确定。　　采用有效应力法计算土压力时，需要采用有效应力强度指标—有效内摩擦φ’和有效粘聚力c’。有效应力强度指标可以通过固结不排水试验或固结排水试验得到。对于渗透性好的土，例如砂土，可以很容易地通过室内试验得到其有效应力强度指标，但是，对于渗透压性差的土，例如粘土，则很难通过室内试验得到其有效应力强度指标， 通常情况下，设计时往往会采用一些经验参数来作为粘性土的有效应力强度指标。总应力法　　由于很难获得饱和粘性土的有效应力强度指标，因此，在计算饱和粘性土的土压力时，我们通常采用另外一种强度指标—不排水抗剪强度cu。总应力法中采用不排水抗剪强度cu作为土体强度参数，该参数可以由不固结不排水试验得到。饱和粘性土不固结不排水试验结果如下图：　　从上图可以看到，φu=0，因此，国际上也称总应力法为φ=0法。对于主动土压力的计算，图中σ1即为土体竖向总应力σz，σ3即为土体水平向应力σx，因此，我们可以得到总应力中计算主动土压力的基本公式如下（被动土压力同理）：                                                                                                                                        　　GEO5的总应力法中还可以考虑结构和土体之间的粘结力a，修正后的总应力法主动土压力计算公式为：　　可以注意到，总应力法计算公式中并没有水压力μa一项，因为所谓的总应力法是忽略了土体在剪切时产生超静孔压的影响而采用总应力不变的概念, 并不牵涉到静水压力。当然， 不管在砂性土或枯性土中， 在地下水位以下始终存在静水压力，但它与总应力法的计算没有关系。小结　　1.  有效应力法采用有效内摩擦角φ’和有效粘聚力c’作为土体的强度参数，土体和结构接触面上的强度参数采用摩擦角δ。有效应力强度指标可以通过固结不排水试验和固结排水试验得到。有效应力法适合于容易得到有效应力强度指标的渗透性较好的土体。　　2.  总应力法采用不排水抗剪强度指标cu作为土体的强度参数，土体和结构接触面上的强度参数采用粘结力a。不排水抗剪强度通过不固结不排水试验得到。总应力法适用于不容易得到有效应力强度指标的渗透性很差的土，例如饱和粘性土。更多关于有效应力法和总应力法的文章点击这里：GEO5中有效应力法、总应力法、水土分算、水土合算的说明土压力计算中有效应力法、总应力法、水土分算、水土合算的异同点 查看全部

在各位岩土工程师的敦促建议下，GEO5一直在不断地进行功能改进和优化，研发了抗滑桩模块。有些习惯使用理正抗滑桩设计软件的用户会对GEO5的计算结果缺乏信心，实际上作为一款具有近三十年研发历史的岩土设计软件，GEO5在国内外已经过无数岩土工程师的检验，并在业内赢得了良好的信誉和口碑。本文以两个简单的抗滑桩工程算例为样本，就GEO5抗滑桩模块的计算结果与理正抗滑桩的计算结果做一个简单的对比。1 算例一：嵌固段为土体1.1 算例概要抗滑桩长度为16m，截面为矩形，桩宽1.0m，桩高1.5m，桩间距为4.0m；桩身混凝土型号为C30，纵筋型号为HRB400，桩前坡面深度2m，桩后土层高度4m，长度10m。土层为粉质砂土，桩后下滑力为200kN/m，桩前抗滑力为0kN/m，矩形分布，水平反力系数计算方法采用m法，水平反力系数初始值取80MN/m3。表1.1为粉质砂土层物理力学参数表，图1.1为抗滑桩计算模型。表1.1 土层物理力学参数表图1.1 抗滑桩模型1.2  GEO5计算结果使用GEO5抗滑桩模块进行计算，计算结果如图1.2，显示桩身最大位移值为38.5mm，最大弯矩为1121.30 kN·m/m，最大剪力为368.38 kN/m。注：这里所示GEO5的内力结果单位为每延米。图1.2 GEO5抗滑桩（嵌固段为土体）位移、弯矩、剪力包络图1.3  理正计算结果使用理正抗滑桩进行计算（图1.3），计算结果显示桩身最大位移值为40mm，最大弯矩为4378.500kN·m，最大剪力为1204.919kN。图1.3 理正抗滑桩（嵌固段为土体）位移、弯矩、剪力包络图注：默认情况下GEO5不会对抗滑桩的刚度进行折减，所以使用理正进行计算时需将“刚度折减系数K”设置为1.0。1.4 计算结果对比默认情况下GEO5给出的最大弯矩和剪力是每延米的计算结果，在和理正进行对比时，需要将计算结果乘以桩间距，这样得到结果的才是每根桩的最大弯矩和剪力。表1.2 抗滑桩（嵌固段为土体）计算结果对比1.5 计算结果说明表1.2中可以看到GEO5的计算结果中位移和弯矩与理正接近，但是剪力相差较大。误差产生的原因在于GEO5和理正在处理嵌固段土体的变形行为方面略有不同。关于嵌固段的计算细节，各规范中并没有给出明确说明。因此，对于不同的滑坡推力大小，理正和GEO5的计算结果始终有一定的误差。以本例为据，说明GEO5和理正中对抗滑桩嵌固段处理的不同之处。下图为GEO5中嵌固段土体反力的计算结果：图1.4 Geo5抗滑桩（嵌固段为土体）土压力示意图从图中可以看到，GEO5中嵌固段被动区土体反力随结构变形变化，且不能大于被动土压力，超过部分自动调整至被动土压力，土体进入塑性状态。嵌固段主动区为土体作用力也随结构变形变化，且不能小于主动土压力。这里可以注意到，桩下部发生了反向，因此，土压力也发生了反向。由于GEO5考虑了土体弹塑性，采用迭代的方法来判断嵌固段的承载力，因此，无需采用简化方法来验算土体横向承载力，计算结果不收敛时，即为土体横向承载力不满足要求。该计算方法的依据为《铁路路基支挡结构设计规范 TB10025-2006》中的条文说明10.2.10，如下：抗滑桩在侧向荷载作用下 发生转动变位时，桩前的土体产生被动土压力，而在桩后的土体 产生主动土压力。桩身对地基土体的侧向压应力一般不应大于被 动土压力与主动土压力之差。在工程设计中，要使锚固段完全满足要求，有时会很困难，所以根据多年的工程经验，满足滑动面 以下深度h/3 和h (滑动面以下桩长)处的横向压应力应小于 或等于被动土压力与主动士压力之差即可。此时滑动面以下h/3 深度范围内进入塑性区。(10.2.10)在GEO5中，通过观察被动区土反力的大小，即可以快速判断嵌固段塑性区的深度 – 即被动区土体反力等于被动土压力或土的水平反力系数调整为零的区域。下图为理正中嵌固段土体反力的计算结果：图1.5 理正抗滑桩（嵌固段为土体）土压力示意图从图中可以看到，理正中嵌固段被动区反力的大小并没有按照弹塑性考虑，土体反力可以大于被动土压力，且不考虑桩后产生的主动土压力，且计算被动土压力时没有考虑上覆滑体超载的影响。从理论上讲，GEO5对于嵌固段土体行为的假设更为合理，也符合《铁路路基支挡结构设计规范 TB10025-2006》中的条文说明10.2.10的描述。2 算例二：嵌固段为岩体2.1 算例概要抗滑桩长度为10m，截面为矩形，桩宽1.0m，桩高1.5m，桩间距为4.0m；桩身混凝土型号为C30，纵筋型号为HRB400，桩前坡面深度4m，桩后土层高度1m，长度3m。土层为粉质砂土，桩后滑坡推力为60.07kN/m，桩前抗滑力为0kN/m，矩形分布，水平反力系数计算方法采用K法，水平反力系数初始值取0MN/m3。抗滑桩桩身嵌岩，嵌岩段桩长6.0m。表2.1为岩土体物理力学参数表，图2.1为抗滑桩计算模型。表2.1 土层物理力学参数表图2.1抗滑桩桩身嵌岩模型2.2 GEO5计算结果使用GEO5抗滑桩模块进行计算，计算结果（如图2.2）显示，桩身最大位移值为11.2mm，最大弯矩为162.18kN·m/m，最大剪力为60.89 kN/m。注：这里所示GEO5的内力结果单位为每延米。图2.2 GEO5抗滑桩（嵌固段为岩体）位移、弯矩、剪力包络图2.3 理正计算结果使用理正抗滑桩进行计算，计算结果显示桩身最大位移值为15mm，最大弯矩为682.688kN·m，最大剪力为237.593kN。图2.3理正抗滑桩（嵌固段为岩体）位移、弯矩、剪力包络图注：默认情况下GEO5不会对抗滑桩的刚度进行折减，所以使用理正进行计算时需将“刚度折减系数K”设置为1.0。2.4 计算结果对比默认情况下GEO5给出的最大弯矩和剪力是每延米的计算结果，在和理正进行对比时，需要将计算结果乘以桩间距，这样得到结果的才是每根桩的最大弯矩和剪力。表2.2 抗滑桩（嵌固段为岩体）计算结果对比2.5 计算结果说明表2.2中可以看到GEO5的计算结果中弯矩和剪力与理正接近，但是位移相差较大。误差产生的原因在于当抗滑桩下部桩身转向时，理正并不考虑桩后岩体产生的抗力（图2.5），而GEO5中会对此进行考虑（图2.4）。因此，从理论上讲，GEO5对于嵌固段土体行为的假设更为合理。图2.4 GEO5抗滑桩（嵌固段为岩体）土压力示意图图2.5 理正抗滑桩（嵌固段为岩体）土压力示意图3 结论由算例1和算例2可知，理正中土体和岩体嵌固段的计算方法并没有本质区别，仅仅在计算嵌固段的横向承载力方法上有所区别。而GEO5中根据岩体和土体的应力应变行为不同，采用了不同的假设条件，更加符合实际情况。关于GEO5中土体嵌固段和岩体嵌固段区别的详细说明，点击这里《抗滑桩计算中土体嵌固段和岩石嵌固段的区别》。注：GEO5 2020及之后版本支持滑面以下按弹性考虑或者弹塑性考虑，用户可以根据使用需求自行选择。 查看全部

在GEO5基坑分析模块中验算土体位移时，有时开挖深度增大一点或者桩（墙）身截面尺寸减小一点时，结构位移变化很大，理正软件并未出现此种情况，接下来我们将结合案例说明GEO5计算结果与理正不同的原因，以及GEO5计算结果的合理性。例题源文件下载：GEO5基坑和抗滑桩模块中结构位移随开挖深度的变化规律.rar打开GEO5深基坑支护结构分析模块，在「分析设置」中设置相关参数，如图1所示。图1 分析设置点击「剖面土层」、「水平反力系数Kh」、「岩土材料」、「截面尺寸」等一一输入模型参数。点击开挖，将基坑深度设为3.0m。墙后坡面水平，无地下水超载等信息。模型如图2所示。图2 连续墙支护模型注：输入土体参数时注意将土体与结构间的摩擦角改为0，因为理正中没有这个参数。点击「分析」后，会出现相应结果。之后点击添加工况2，将开挖深度改为3.1m，其他不变，点击「分析」，查看结果。以此类推添加新工况3/4/5/6/7/8……，每次开挖深度增加0.1m。点击分析，GEO5中所有工况位移最大值统计结果如图3所示。图3 GEO5中位移最大值与开挖深度间的关系曲线图接下来，我们再看看相同条件下理正深基坑计算的结果，如图4。图4  理正中位移最大值与开挖深度间的关系曲线图注：在理正中计算土压力时，要将刚度折减系数K值改为1。从图3中可明显的看出，GEO5随着开挖深度增加到某一点后，位移值发生明显的增大，在该点之前最大位移值增量近似成线形增加，但是图4理正的计算结果却是一直近似以直线递增的。这种计算结果也就是客户所提出的疑义，为什么GEO5位移变化值突然这么大，是否为计算bug。在这里小编要为您说明的是，这种计算结果才是合理的。现在我们来看下GEO5和理正的分析结果，取开挖深度3.0m、4.65m的土压力+位移图分析，分别如图5、图6、图7所示：图5 GEO5开挖深度3.0m土压力位移图图6 GEO5开挖深度4.65m土压力位移图　　　图7 理正开挖深度3.0m、4.65m土压力图分析GEO5土压力图可知，开挖深度在4.2m之前，桩前土体所受土压力在被动土压力曲线范围内，因此桩前土所受土压力为计算值，未进行折减，此时土体处于弹性区域，土体变形规律较强，近似成线形分布。当开挖深度大于4.2m时，从土压力+位移图中可以看出作用在桩前的土体反力明显大于被动土压力，根据相应规范，土体受力不可能小于主动土压力，也不可能大于被动土压力，因此当反力超过被动土压力区域时，GEO5会对反力进行折减，使超出部分的土压力线与被动土压力线重合，然后再重新迭代计算。此时土体已经处于塑性状态，再增大一点力时，土体位移自然会发生很大的变化，这是符合常理的，这也是案例中为什么当开挖深度大于4.2m后土体位移发生很大变化的原因。而在理正中从开挖深度4.65m的图中放大可以看出当桩土体受力超过被动土压力时，理正并未对反力进行调整，仍然按照弹性受力情况进行计算，这也是理正中位移变化不大的原因，但是这种情况和实际并不相符。分析图3中GEO5位移最大值与开挖深度间的关系曲线图时可以发现该曲线图与土力学中室内土体压缩曲线是类似的，如图8所示，当土压力增大到一定程度后，曲线急剧变陡，这更加说明了GEO5计算结果的合理性。同样的，在很多的其他试验中，例如桩基荷载沉降曲线中也能得到的类似形状的曲线，因为土体本身是弹塑性的。图8 土体室内压缩试验（参考《土力学》 第二版河海大学卢廷浩著）同理在基坑分析（或者抗滑桩设计）模块中改变排桩（连续墙）的尺寸时位移变化很大的原因也是一样的，这里我们就不再一一赘述了。 查看全部

在GEO5 2017及以前的版本中，无论是「深基坑支护结构分析」还是「抗滑桩设计」模块都不能直接输入双排桩，但是可以通过「岩土工程有限元还分析」模块进行。关于如何在有限元模块中模拟双排桩，这里有一个例题供参考：简单双排桩分析（2016版）.rar。基坑规范中的双排桩计算方法实际上为杆系有限元方法，因此也可以通过有限元模块进行模拟。在我们的《工程实例手册》，工程实例2中对于门型抗滑桩的处理实际上就采用了有限元的方法来基于规范进行计算，这里是资料链接：门型抗滑桩+锚索(杆)设计。在介绍具体的建模思路之前，我们先对《建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-2012）》中的双排桩计算模型做一个简单的分析（图1）。图1 双排桩计算模型（建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012）从图中可以看出，基本假设有以下几点：　　• 后排桩后始终作用主动土压力。　　• 桩间土和前排桩被动区的土采用弹簧模拟。　　• 整个结构是一个门型钢架结构。　　• 被动区土体的反力不能大于被动土压力。基于以上假设，下面给出建模的具体思路：1）用「土压力计算」模块计算出作用在桩后的主动土压力、静止土压力。2）启动「岩土工程有限元分析」模块。在「建模工况」中创建好模型并生成有限元网格。3）进入「第一工况阶段」，添加梁单元模拟双排桩，并根据之前土压力模块计算出的静止土压力，换算成梁荷载加至后排桩（梁）上，桩后土体竖向应力等效成荷载加至桩后土体上，并进行初始地应力分析。4）新建「第二工况阶段」，冻结桩前第一步开挖的土体，进行分析（在此工况阶段中可将桩后的静止土压力换成主动土压力，查看位移结果，若桩倒向坑外，则说明桩后土压力还没有达到主动土压力，仍采用静止土压力）。5）分析完后，新建其他工况阶段，继续分析后期开挖情况。注：根据《建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-2012）》中的要求，需要验算土反力合力是否大于桩前被动土压力的合力值，若土反力小于被动土压力合力，则说明嵌固段承载力满足要求，若土反力大于被动土压力合力，则说明嵌固段发生破坏，需要重新调整设计方案。在《铁路路基支挡结构设计规范（TB10025-2006）》中对于嵌固段的验算则相对简单，只需要土反力小于桩前1/3处的被动土压力即可。上述验算只有当土体采用弹性本构模拟时才需要进行（规范中的弹簧是始终弹性的），如果土体采用弹塑性模型，例如摩尔-库仑模型，则不需验算，因为如果被动区破坏，不会得到收敛的分析结果。也可以通过查看塑性应变来查看嵌固段塑性区的分布。下面举例说明，假设土体为单一土层，深度为10m，其参数如图2所示。图2 岩土参数墙后剖面选择水平，不考虑地下水位、超载和地震的影响。在「土压力计算」模块中点击分析。其结果如图3所示。图3 土压力分析结果结果显示桩后主动土压力水平方向合力大小为217.88kN/m，静止土压力为489.43kN/m。土压力的详细分布值可以在GEO5的计算书中查看。启动GEO5有限元模块，建立初始模型（为了后期方便添加排桩位置和开挖深度，在建模阶段，可多添加几条多段线），加密后启动网格生成。如图4所示。图4 GEO5有限元模型生成网格点击添加工况阶段1，进行初始地应力分析。在分析初始地应力之前，冻结桩后土体，用梁单元模拟双排桩，添加结果如图5所示。在土压力模块中将我们计算的桩后静止土压力换算成梁荷载加至后排桩上，这里静止土压力为三角形分布，桩长10m，桩底处梁荷载97.886kN/m2。将桩后土体的竖向应力等效成条形荷载γD=19*10=190kN/m2加载到后排桩桩后土体上，梁荷载和条形荷载添加结果如图6所示。初始地应力分析结果如图7所示。可以看到桩前土体的初始地应力和预想的一致。图5 有限元模型梁单元模拟双排桩图6 有限元模型用梁荷载模拟桩后主动土压力，用超载模拟桩后土体竖向应力图7 有限元模型初始地应力分析初始地应力分析完毕后，点击添加工况2，冻结桩前第一步开挖的土体，点击分析，结果如图8所示（此时作用的梁荷载仍为静止土压力）。图8 基坑有限元模型开挖第一步X向位移图（梁荷载为静止土压力）注：此阶段可另采用梁荷载为主动土压力进行分析，根据分析结果，工程师结合实际经验选择合适的土压力。只有结构发生足够的位移时，桩后的土压力才是主动土压力。点击添加新工况3，冻结桩前第二步开挖的土体，将梁荷载换成被主动土压力，点击分析，结果如图9所示。图9 基坑有限元模型开挖第二步X向位移图（梁荷载为主动土压力）图10 桩身弯矩图图11 桩身剪力图开挖完毕后，取读桩前土反力（如图11），由于这里我们采用的是弹塑摩尔-库仑模型，不进行嵌固段承载力验算。至此，如何用在GEO5中基于基坑规范计算双排桩的介绍完毕，如果有更好的想法，欢迎在下方留言与我们交流讨论。例题源文件：GEO5双排桩计算案例.rar。 查看全部