GEO5深基坑支护结构分析的三种方法

        在2021版的GEO5深基坑支护结构分析模块当中，用户可以选择三种分析方法，分别是弹塑性共同变形法，弹性支点法-弹塑性以及弹性支点法-弹性，其中弹性支点法-弹性是2021版新增加的一种方法。为方便大家的使用，本文将简述三种方法的理论区别及应用效果的不同。

图1：分析方法的三种选择

1、理论区别

        总体上，三种方法的区别体现在桩前和桩后土体的考虑方式的不同，但同时两两之间又有一定的相同之处，比如弹塑性共同变形法和弹性支点法-弹塑性对于桩前土体的假定是相同的，而弹性支点法-弹塑性和弹性支点法-弹性对于桩后的土体假定是相同的。

    1.1、弹塑性共同变形法

        弹塑性共同变形法的基本假设是结构周围的岩土材料是理想的弹塑性材料。材料性质由水平基床系数和极限弹性变形决定，其中水平基床系数描述了材料在弹性区域的变形行为。当超过极限弹性变形时，材料表现为理想塑性。也就是说，该法把桩前和桩后的土体都当成是弹簧处理，但考虑土体的塑性，所以这个弹簧反力不能无穷大，是有限值的，所以该方法有两个假定： 

        （1）作用在结构的土压力可能是主动土压力至被动土压力之间的任一值，但不能超出以这两种极限土压力为边界的范围。 

　    （2）初始未变形结构上作用静止土压力。

图2：弹塑性共同变形法计算模型

        使用该方法最需要注意的一点是通过迭代计算后，支护结构上任意一点的反力值都需要满足上述假定（1）的要求。如果出现在满足上述要求后，整体结构受力不平衡的情况，那么软件会提示结构不稳定。

图3：结构不稳定时的提示

    1.2、弹性支点法—弹塑性

        弹性支点法-弹塑性是将支护结构视作竖向放置并受坑外侧向土压力作用的弹性地基梁，基坑开挖面以上的锚杆和内支撑视为弹性支座，基坑开挖面以下的土层则采用一系列弹簧进行模拟。和弹塑性共同变形法相比，相同点在于桩前土体都按弹簧考虑，同时土体反力需要满足1.1中假定（1）的要求，也就是桩前任意一点的反力值不超过该深度被动土压力且不小于主动土压力；不同点在于不管是悬臂式支挡结构，还是锚拉式或者支撑式支挡结构，桩后土体作用均按主动土压力考虑。

图4：弹性支点法-弹塑性的计算模型

    1.3、弹性支点法—弹性

        弹性支点法-弹性跟弹性支点法-弹塑性在总体假定上基本一致，同样是将结构视为竖向的弹性地基梁，结构前土体考虑成弹簧，结构后始终考虑作用主动土压力。唯一的不同点在于桩前土体反力没有限值要求，意味着任意一点的反力值都可以超过被动土压力。

图5：弹性支点法-弹性的计算模型

2、应用效果的区别

    2.1、变形

        由于弹性支点法-弹塑性和弹性支点法-弹性都是将结构后的受力考虑为主动土压力，那么当遇到锚拉式支挡结构或者支撑式支挡结构时，使用上述两种方法都有可能出现结构向坑外变形的情况，如下图：

图6：锚拉式支撑结构向坑外变形（弹性支点法）

但同样的例子，如果使用弹塑性共同变形法，锚杆作用位置的土压力将不再是主动土压力，结构变形情况也完全不同，如下图：

图7：锚拉式支撑结构向坑内变形（弹塑性共同变形法）

        如果抛开弹塑性共同变形法，单看弹性支点法-弹塑性和弹性支点法-弹性，在计算变形时，二者有时也有一定差别，比如图8和图9所示案例：

图8：某基坑弹性支点法-弹塑性分析结果

图9：某基坑弹性支点法-弹性分析结果

可以看出，采用弹性支点法-弹性分析得到的位移比弹塑性得到的位移更小，这是因为弹性法没有限定土反力的大小，所以弹性法位移结果往往比弹塑性方法的结果小。

    2.2、被动区土反力验算

        根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）4.1.4条第二款的要求，挡土构件嵌固段土反力合力不应大于被动土压力合力，即：

对于弹塑性共同变形法和弹性支点法-弹塑性，由于都假定了任意一点的反力值不能超过被动土压力，所以自然嵌固段的土反力合力也不会超过总的被动土压力。但对弹性支点法-弹性来说，则不一定，需要进行验算。

        在GEO5中，支持用户验算被动区土反力是否超过总的被动土压力，还允许用户输入一个安全系数作进一步的安全储备。

图10：被动区土反力验算

        以上即是对GEO5深基坑支护结构分析模块中的三种分析方法区别的说明，如果要完全按照基坑规范的要求，那么大家直接选择弹性支点法-弹性。如果对被动区要求严格，或者当需要考虑桩后不完全是主动土压力的情况时，大家也可以采用弹性支点法-弹塑性或者弹塑性共同变形法。