3. 设计过程说明
一个完整的滑坡设计需要涉及多种不同的设计工况和多次的设计方案调整，GEO5中可以方便的通过「工况阶段」和「分析工况」功能在一个设计文件中完成，并将设计思路和多工况设计结果体现在设计报告中。
3.1 工况阶段1 – 原始滑坡分析
3.1.1 模型建立
启动GEO5「土坡」模块，我们首先对软件默认的分析设置进行修改。进入「分析设置」界面，选择软件自带分析设置「中国 – 水利行业（SL）」，点击「编辑当前设置」按钮，根据设计要求，修改偶然设计状况和地震设计状况的安全系数，如图3-1所示。
注：这里采用SL水利行业标准的原因在于，水利行业采用的抗震规范可以考虑地震荷载沿边坡高度的增大效应，因此并未选择GB国家标准。
图3-1 自定义分析设置
注：这里偶然设计状况对应暴雨工况，地震设计状况对应地震工况。
进入「多段线」界面，导入事先在CAD中绘制好的滑坡剖面。然后分别在「岩土材料」和「指定材料」中添加岩土材料（表3-1）和对各个地层分区赋值材料。进入「地下水」界面，以模板方式导入CAD中绘制好的地下水位，依据模板添加地下水位。进入「工况阶段设置」界面，选择设计状况为「持久设计状况」。
表3-1 岩土材料参数
3.1.2 稳定性分析
模型建立完毕后，进入「分析」界面，首先沿基岩与土体接触面输入一条圆弧面，并进行搜索，安全系数计算方法可以选择Bishop法，搜索结果如图3-2所示，安全系数SF=1.17，小于设计安全系数1.30。
图3-2 搜索得到的最危险圆弧滑面
图3-2的计算结果中仅给出了最危险滑面的位置，新增分析工况2，并输入一条范围更大滑面，搜索结果如图3-3所示，安全系数SF=1.27，小于设计安全系数1.30。
图3-3 搜索得到的更大范围的临界圆弧滑面
注：关于GEO5「土坡模块」中最危险滑面搜索的详细教程，视频教程请点击这里，文字教程请点击这里。
无论图3-2还是图3-3计算得到的安全系数均大于1.0，而现场观察到的滑坡已有滑动迹象，因此安全系数应当接近1.0才更加符合实际情况。因此，最危险滑面应当为折线而非圆弧。
利用GEO5「土坡模块」提供的「转为折线滑动面」功能，将图7和图8的滑面分别转为折线滑面并进行搜算和进一步的滑面控制点加密，安全系数计算方法选择「不平衡推力法（隐式解）」，得到临界折线滑面搜索结果如图3-4和 图3-5所示，安全系数分别为1.03和1.08，均较接近临界状态安全系数1.0。
图3-4 搜索得到的最危险折线滑面
图3-5 搜索得到的更大范围的临界折线滑面
除以上两个较大的全局滑面以外，对填土区域进行局部搜索，得到一条更危险的局部滑面（图3-6），安全系数为0.86。因此，支护方案不仅要考虑全局稳定性，还要考虑局部稳定性。
图3-6 局部临界折线滑面
为了进一步验证计算结果的合理性，采用有限元极限分析软件OptumG2对该滑坡进行下限分析，通过强度折减法，得到安全系数下限解为0.877，网格划分结果和滑面位置如图3-7和图3-8。可以看出，极限分析得到的最危险滑面（安全系数最小）的位置和GEO5「土坡模块」搜索得到的局部临界折线滑面基本一致，并且其安全系数大小也近似相同，因此GEO5搜索结果合理。
图3-7有限元网格划分结果
图3-8 极限分析下限法得到的滑面位置
得到最危险滑面位置和安全系数后，先计算滑坡剩余下滑力大小，再确定支护设计方案。
3.1.3 剩余下滑力计算
GEO5「土坡模块」的分析结果中并不直接给出剩余下滑力的值，此时可以通过抗滑桩来得到各位置的剩余下滑力值，因为引入抗滑桩时，软件将会输出桩后剩余下滑力和桩前剩余抗滑力。此时可以添加工况阶段2专门用于剩余下滑力的计算，这里我们直接在工况阶段1中进行计算。
进入「抗滑桩」界面，在图3-4滑面剪出口位置设置抗滑桩，由于剩余下滑力计算和抗滑桩承载力无关，只要保证抗滑桩穿过滑面和地表即可。抗滑桩参数如图3-9所示。计算得到图3-4滑面剩余下滑力为486.98kN/m。
图3-9 剩余下滑力计算时输入的抗滑桩参数
同理，可以计算得到图3-5和图3-6中滑面的剩余下滑力分别为623.33kN/m和243.57kN/m。
至此，工况阶段1对于原始边坡稳定性的分析就基本完成了。
3.2 工况阶段2–抗滑桩初步设计
本案例中，我们采用抗滑桩进行支护，由于滑坡较大，考虑到滑坡的整体稳定性和局部稳定性，这里分三段进行支护。三排抗滑桩的位置根据搜索得到的滑面位置、现场的施工难易度、基岩深度、剩余下滑力等因素综合进行选取。根据计算结果对抗滑桩位置进行的调整这里不再赘述。最终确定抗滑设计方案如图1-2所示。
添加工况阶段2，并进入「抗滑桩」界面。本案例中由于滑面沿基岩和土体接触面分布，滑面没有下移的可能性，因此抗滑桩承载力沿桩身的分布选择「均匀分布」，承载大小输入桩身受剪承载力，具体参数如图3-10~3-12所示。
注：抗滑桩最大承载力的计算详细说明，请点击这里。
图3-10 第一排桩参数
图3-11 第二排桩参数
图3-12 第三排桩参数
进入「分析」界面，将之前搜索得到的三组滑面均设置为给定滑面，并进行分析，得到图3-4~3-6三组滑面的安全系数分别为1.54、2.11、1.80，均大于持久状况设计安全系数1.30，说明当每根抗滑桩都发挥其最大受剪承载力时，滑面稳定性满足要求。
3.3 工况阶段3–抗滑桩详细设计
3.3.1 各排抗滑桩所受滑坡荷载合理性分析
完成初步设计后，需要进一步分析作用在各排抗滑桩上的滑坡推力荷载。在初步设计中第一排抗滑桩承载力的输入值为1432.74，桩间距为2.5m；第二排和第三排抗滑桩承载力的输入值均为704.7，桩间距为3m。
根据2.2节中的计算说明，第一排、第二排和第三排抗滑桩在计算剩余下滑力时发挥的承载力之比为2.44:1:1。其真实承载力发挥比值并不一定如此。因此，添加工况阶段3，分析各抗滑桩所受滑坡推力和滑体抗力情况，并据此判断承载力分配假设是否合理。
添加工况阶段3，进入「分析」界面，查看三组滑面下抗滑桩所受滑坡推力荷载如图3-13~3-15。
图3-13 和图3-4中滑面对应的作用在第二排和第三排桩上的滑坡推力和抗力
由图3-13的计算结果可知，第三排所受滑坡推力为148.66kN/m，滑坡抗力为20.03kN/m，即第三排抗滑桩传递了部分推力至第二排和第三排桩之间的滑体。根据2.2节中的计算说明，该计算结果合理。同时，第二排桩所受滑体抗力为198.77kN/m，并不为零，因此，第二排桩的位置无须前移。
图3-14 和图3-5中滑面对应的作用在第一排至第三排桩上的滑坡推力和抗力
由图3-14的计算结果可知，第二排桩和第三排桩的桩前滑体抗力均不为零，根据2.2节中的计算说明，该计算结果合理，无须进一步的调整。
若出现第二排桩的桩前滑体抗力为零，则说明第二排桩发挥的承载力占比过大，第一排桩发挥承载力占比过小，第二排桩前滑体不稳定。此时需要降低第二排桩的承载力大小或增大桩间距，从而确保结果合理。调整后，需要回到工况阶段2重新分析调整后的滑面安全系数是否满足要求。
注：如果实际设计方案中仍然采用原有的桩型和桩间距设计第二排桩，则可以不返回工况阶段2进行修改。但是在计算抗滑桩受到的滑坡荷载时，必须降低第二排桩的承载力（此时其承载力不等于其真实的受剪承载力），因为其实际发挥出来的承载力在三排桩中的占比并没有这么大。保持原有第二排桩的设计方案并不会造成滑坡不稳定或抗滑桩承载力不足，仅仅会造成抗滑桩的浪费，因为其大部分承载力并没有发挥出来。
图3-15 和图3-6中滑面对应的作用在第三排桩上的滑坡推力和抗力
确定各排抗滑桩上分布的滑坡推力和抗力合理以后（若不合理，则需要通过调整各排抗滑桩的承载力来得到各抗滑桩实际发挥承载力的占比），即可以对每根抗滑桩进行详细的变形和配筋设计。
3.3.2 抗滑桩变形和配筋设计
进入「抗滑桩验算」界面，首先选择第一排抗滑桩及其对应的滑面（图3-16），然后点击「运行软件“抗滑桩设计”」，此时GEO5「抗滑桩模块」将启动，且软件已自动输入已有参数。
图3-16 选择需要验算的抗滑桩和对应滑面
由于嵌固段部分为土体（含碎石粉质黏土、全风化含角砾凝灰岩），部分为岩体（强风化和中风化含角砾凝灰岩），因此在「水平反力系数Kh」界面中选择「岩土材料参数中输入（m法、c法或K法）」，从而可以对土体采用m法，岩体材料K法。水平反力初始值A暂时保持为默认0值。
进入「岩土材料」界面，由于此处不涉及杂填土和粉质粘土（残余），输入任意m值即可。其他土体m值或K值若有勘察数据，直接输入，若没有，点击F1，查阅软件自带帮助中给出的给规范建议值。这里各岩土材料水平反力系数取值如表3-2所示。
表3-2 各岩土材料水平反力系数取值
进入「材料」界面，设置桩身材料，这里保持默认值C30/HRB400。进入「岩土作用力」界面，对滑面深度做适当修正，已保证嵌固段从含碎石粉质粘土开始。这里部分粉质粘土位于嵌固段是因为滑面搜索误差引起。滑面深度修正为7.2m，此时可以得到含碎石粉质粘土水平反力初始值为7.2m×20MN/m4=144MN/m3。返回「水平反力系数」界面，输入A的值。
再次返回「岩土作用力」界面，根据软件自带帮助中的建议设置滑坡推力分布图形。建议如下：
• 三角形分布 - 当滑体为砾石类土或块石类土时
• 矩形分布 - 当滑体为黏性土时
• 梯形分布 - 介于上述两者之间时
最终「岩土作用力」界面参数设置如图3-17所示。
图3-17 「岩土作用力」界面参数
部分嵌固段为岩体，而土体和岩体在桩身变形时其变形和力学特性并不相同，因此，这里需要指定嵌岩深度。进入「岩石」界面，勾选「桩身嵌岩」，并设置参数如图3-18所示。
注：国内其他常用的抗滑桩设计软件中土体也是按照岩石考虑来进行计算的，即嵌固段不区分土体和岩石，统一按照岩石考虑。
图3-18 桩身嵌岩参数设置
保持其他界面中参数不变，进入「分析」界面，得到内力和位移最值以及岩石地基承载力验算结果如图3-19，桩身变形如图3-20。计算结果满足要求。
图3-19 桩身内力计算结果
图3-20 桩身变形计算结果
进入「截面强度验算」界面，设置内力分项系数为1.25，根据抗剪和抗弯验算结果进行配筋（图3-21）。计算结果显示桩身抗剪承载力不满足要求。此时，可以考虑剪力筋，并降低剪力筋间距，或提高混凝土强度等级。这里我们返回「材料」界面，选择混凝土强度为C35，再次「分析」，并进入「截面强度验算」界面，抗剪满足要求（图3-22）。
图3-21 桩身配筋验算，抗剪验算不满足要求（C30）
图3-22 桩身配筋验算，抗剪满足要求（C35）
注：第一排抗滑桩全长15.6m，考虑到经济效益，最好进行分段配筋设计。关于如何在GEO5「抗滑桩模块」中进行配筋设计的详细说明请点击这里。
第一排桩计算完成后，截取部分需要的截图至计算书，然后点击「退出并保存」，返回GEO5「土坡模块」。在「抗滑桩验算」界面中添加分析工况2，保持滑面不变，选择第二排抗滑桩并启动GEO5「抗滑桩模块」进行验算（图3-23），验算流程和第一排抗滑桩相同。
图3-23 启动GEO5「抗滑桩模块」验算第二排抗滑桩
同理，添加分析工况3，保持滑面不变，验算第三排抗滑桩。添加分析工况4和5，更改滑面（图3-4），验算第二排和第三排抗滑桩。添加分析工况6，更改滑面（图3-6），验算第三排抗滑桩。最终经过多次验算和调整，确定各排桩详细设计方案如表3-3。
表3-3 各排桩设计方案
至此，持久设计状况下三排抗滑桩的设计均已完成。从表3-3可以看到，在进行详细设计时，由于岩石地基横向承载力和桩身受剪承载力不满足要求，提高了第二排桩的桩径至1.2m（原为1m），说明在确定初步设计方案后，在详细设计过程中仍可能需要对桩的尺寸进行调整，例如桩径、嵌固深度等。
3.4 工况阶段4–暴雨工况
除了对持久设计状况下的滑坡进行分析，还需要分析暴雨工况下的边坡稳定性。该案例中由于地下水位较浅，不采用替换饱和参数的方法分析暴雨工况，而采用复制地下水位，并适当提高地下水位标高的方法。
添加工况阶段4，进入「地下水」界面。通过Geo剪贴板复制当前地下水位，并粘贴，然后将水位上移2m。此时部分水面会超出地表，编辑地下水位，使超出地表的水位位于地表以下（图3-24）。
注：关于Geo剪贴板的详细使用说明请点击这里。
图3-24 暴雨工况 – 提高地下水位
进入「工况阶段设置」界面，选择「偶然设计状况」。
进入「分析」界面，对三组滑面（图3-4~3-6）进行分析。分析结果如下：
• 分析工况1（对应图3-4滑面）：计算安全系数1.44 > 1.05，满足要求
• 分析工况2（对应图3-5滑面）：计算安全系数1.88 > 1.05，满足要求
• 分析工况3（对应图3-6滑面）：计算安全系数1.39 > 1.05，满足要求
进入「抗滑桩验算」界面，参照3.3节中的流程，对抗滑桩进行详细设计。这里需要注意的一点是，对于偶然设计状况，在进行配筋验算时，内力的分项系数设置为1。最终计算结果显示，桩身变形和截面强度验算均满足要求。
3.5 工况阶段5–地震工况
添加工况阶段5，进入「地震荷载」界面，依据当地抗震设防烈度，设置抗震设防烈度为7度（0.1g），且不考虑竖向地震作用，其他参数保持不变（图3-25）。
图3-25 添加地震荷载
由于工况阶段4修改了地下水位，因此进入工况阶段3「地下水」界面，通过Geo剪贴板复制地下水位，再返回工况阶段5「地下水」界面，粘贴地下水位。这样就可以保持地下水位和初始状态不变。
注：也可以在工况阶段4中考虑地震工况，而工况阶段5中考虑暴雨工况。
进入「工况阶段设置」界面，选择「地震设计状况」。
接下来的步骤和工况阶段4相同，分别验算边坡稳定性、抗滑桩变形和截面承载力。
至此，该工程案例设计完成，接下来利用GEO5强大的计算书功能将整个设计流程和不同设计状况生成到计算书中即可。
