使用GEO5计算江苏南京某市政桥梁工程

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这是南京库仑公司曾为某市政设计院做的一个工程实例，该工程实例是一个典型的多模块联合使用解决复杂工程问题的例子。此项目为南京某市政桥梁工程的一个复杂桥台设计，涉及到的软件模块有：桥台挡土墙设计模块/Abutment、重力式挡土墙设计模块/Gravity Wall、加筋土式挡土墙设计模块/MSE Wall、土质边坡稳定分析模块/Slope Stability、单桩设计模块\Piles。

整个桥台结构如下图：

桥台置于桩基之上，桩基和桩基之间由重力式挡土墙将后方的土体挡住。重力式挡土墙后方土体上部是填土。为了防止填土对桥台产生推力，因此对填土进行加筋，以使填土作用在桥台上的主动土压力为零。

需要验算的内容有：桥台验算、桩基验算、重力式挡土墙验算、加筋土挡土墙验算、整体稳定性验算。下面介绍具体的设计与计算流程：

1、桥台验算

验算采用「桥台挡土墙设计」模块进行。该案例的桥台验算非常简单，因为墙后填土没有土压力，主要验算一下桥台截面的抗压承载力就可以了，这里就不具体介绍了。

2、桩基验算

验算采用「单桩设计」模块进行。桩基验算也非常简单，根据桥台挡土墙设计模块中计算得到的作用在桩基顶部的作用力，在单桩设计模块中以荷载的方式输入桩基顶部的作用力即可。验算也很简单，这里不再详细介绍。

3、重力式挡土墙验算

根据现场地质情况，墙后土体为填土，强度参数如下图，地基土为经过地基处理过的图，现场试验表明地基承载力为280kPa。需要验的内容主要为重力式挡土墙的倾覆滑移稳定性、地基承载力和墙身截面承载力。

3.1 倾覆滑移稳定性验算

由于挡墙后方填土之上还有加筋土填土，因此将加筋土和加筋土上的路面换算为等效的超载作用在重力式挡土墙墙后坡面上。因此，墙后坡面的均布超载为：2.9m的填土和0.45m的路面=18*2.9+23*0.45=63.55kN/m²。计算模型如下：

模型建好以后，直接点击「倾覆滑移验算」，即可得到倾覆滑移验算结果。结果会以利用率的方式来表示，即设计安全系数除以实际安全系数。点击详细信息可以看到安全系数的计算值。需要注意的一点是，在「倾覆滑移验算」界面，GEO5允许我们对各个作用力的系数进行修改，并创建多个不同的验算。计算结果显示，倾覆滑移稳定性满足规范要求。

注：之前有用户问道GEO5中如何输入挡墙和地基土的摩擦系数。GEO5v18之前的版本通常是通过在基底创建一层非常薄的土层，例如0.01m，来实现。GEO5v18我们做了一些改进，新增了「基础」界面。挡土墙和地基土的摩擦系数可以在「基础」界面中完成，同时，我们还提供了很多其他的考虑基底和地基土摩擦的方法。

3.2 地基承载力验算

进入「承载力验算」界面，由于地基承载力已知为280kPa，因此这里选择「输入修正后的地基承载力特征值」。输入地基承载力280kPa，得到基底偏心距和地基承载力均满足要求：

注：如果地基承载力未知，可以选择「运行」扩展基础设计「软件计算地基承载力」，这时「扩展基础设计」模块会启动，并根据相关规范和地基岩土材料参数计算出地基承载力。同时，还可以计算出基础产生的沉降，如果需要的话。

3.3 墙身截面强度验算

GEO5v18重力式挡土墙中还未添加浆砌片石材料，目前仅验算钢筋混凝土和素混凝土材料。不过我们依然可以很简单的对浆砌片石挡墙的截面强度进行验算。进入「截面强度验算」界面，选择相应的需要验算的截面，点击详细结果，我们就可以得到相应截面处的轴力、剪力和弯矩，然后再根据下面两个式子即可对验算得到的墙身的截面承载力是否满足要求：

     GB 50003-2011 （截面抗压承载力验算式）

 GB 50003-2011 （截面抗剪承载力验算式）

其中N和V即为作用在相应截面上的轴力和剪力，其他参数的意义请参考建筑砌体结构规范。验算非常简单，Excel就可以完成。验算结果表示，截面承载力满足要求。

4、加筋土挡土墙验算

在进行整体稳定验算前，我们先对加筋土的稳定性进行验算，并得出加筋材料所需的层数和长度。因为设计要求加筋填土对桥台不作用土压力，因此需要保证加筋填土在前方没有支挡的情况下，直立状态下也保持稳定。计算模型如下图。

和重力式挡土墙设计模块的使用一样，我们只要顺着右侧的界面一次进行设计即可。在筋材类型界面，我们定义一种自定义类型的筋材，筋材强度，也就是长期强度设计值Rt，取为50kN/m。筋材抗滑摩擦力折减系数以及土和筋材相互作用系数取为0.6。

注：Rt用于筋材抗拉强度验算，Ci用于抗拔强度验算，Cds用于筋材上部土块沿筋材的滑移稳定性验算。质控抗拉强度对具体的验算没有影响，质控抗拉强度用在选定的内置筋材类型中。筋材的设计强度是由质控强度被考虑了各种因素的分项系数折减以后得到的。各参数的具体细节可以翻阅GEO5用户手册。

模型建好以后，需要进行以下验算：倾覆滑移验算、内部滑移验算、内部稳定验算。这里我们不进行地基承载力验算，因为在加筋土下面还有重力式挡土墙，和桩基。这部分稳定性验算我们通过后一步的整体稳定性验算来进行。

4.1 倾覆滑移稳定性验算

该验算是将整个加筋土区域作为一个虚拟挡墙，然后验算该虚拟挡墙的倾覆滑移稳定性。整个界面的布局和功能基本和重力式挡土墙设计模块相同。计算结果表示，倾覆滑移稳定性满足设计要求。

4.2 内部滑移验算

该验算用于验算某一筋带上方滑体沿该筋带的滑移稳定性。勾选「自动验算」后，软件会自动给出安全系数最小的筋带位置极其利用率和安全系数。计算结果显示，内部滑移稳定性也满足设计要求。

4.3 内部稳定验算

该验算即为筋带抗拉和抗拔强度验算。同样的，若勾选「自动验算」，软件将给出安全系数最小的筋带位置极其利用率和安全系数。计算结果显示，内部稳定性满足设计要求。

注：整体稳定验算我们通过土质边坡稳定分析模块来进行，这里我们仅验算加筋土的内部稳定性。在设计的过程中，对于加筋土的布置，我们可以先采用软件默认给出的布置或者我们的经验布置，然后通过进一步的调整，找到利用率最大的方案，即为最优方案，需要注意的是，每次调整都需要确保所有的稳定性验算都满足设计要求。该项目中，关键性因素是内部稳定性，也可以看到内部稳定的利用率是最高的。

5、整体稳定性验算

对于这个复杂结构，我们还需要验算其整体稳定性。整体稳定性验算我们可以通过在土质边坡稳定分析模块中建模完成，但是那样做会非常浪费时间。最简单的方案是直接在「重力式挡土墙设计」模块中点击「外部稳定性」，这时土质边坡稳定分析模块会自动启动，并自动创建模型。

这时，我们可以选择直接在该窗口中对模型进行再次编辑，也可以选择「编辑 – 复制数据」，然后启动土质边坡稳定分析模块，「编辑 – 粘贴数据」，新建一个土质边坡稳定分析模块软件。这里我们为了尽量少的创建单独的数据文件，选择直接在重力式挡土墙中启动的土质边坡模块中修改模型，模型最终如下图，其中上覆超载为路面：

在添加加筋材料时，这里的添加方法基本和「加筋土式挡土墙设计」模块中的一致。筋材滑体内端点我们选择「固定」，表示筋材端点是锚固在坡面上的，因为具体施工时我们会对进行反包，以使筋材和填土成为一个整体。加筋土有哪几种破坏模式可以参阅《GEO5用户手册》。

进入「分析」界面，我们首先选择一个整体滑动的滑动面，分析类型选择「自动搜索」，分析方法选择「Bishop法」，搜索得到安全系数为1.48，满足设计要求。

边坡稳定性验算 (毕肖普法(Bishop))

新建一个分析，点击「搜索区域」，画一条限制线，使得搜索时滑面不能穿过该限制线，对加筋区域的局部稳定性进行分析。

在加筋区域选择一初始滑动面，搜索得到安全系数为1.55，满足设计要求。

边坡稳定性验算 (毕肖普法(Bishop))

至此，整个项目的设计和计算就完成了。我们只要选择「文件 – 打印计算书」就可以了。如果设计到多个模块，我们只要把各个模块的计算书荷载一起就可以了。如果是内部启动的模块，比如重力式挡土墙启动的土质边坡模块，土质边坡分析的结果会直接保存到重力式挡土墙设计模块的计算书中，我们就不需要人工进行合成了。具体的计算书设置方法可以参考的视频教程：入门教程-基本操作-计算书。

当然，如果关心变形的话，用户可以在启动土质边坡稳定分析模块后，通过「编辑 -复制数据」和「编辑 － 粘贴数据」功能将模型导入有限元模块中进一步分析。