第六章：单支点锚拉式排桩基坑支护分析
本章中，将为用户介绍如何设计和验算单支点锚拉式基坑支护结构。验算内容包括锚杆的内部稳定性、结构的截面强度以及结构的整体稳定性。
例题源文件请在这里下载：http://pan.baidu.com/s/1kVdypQf
任务
进一步分析算例5中设计的支锚式排桩结构设计方案。
计算
为了解决该问题，我们采用“GEO5 深基坑支护结构分析”软件（2017版）进行计算，分析过程包括如下三个工况阶段：
工况阶段[1]：排桩尺寸设计+基坑开挖 2.5m
工况阶段[2]：在 1.5m 深处，添加锚杆
工况阶段[3]：基坑开挖至 4.0m
工况阶段[1]：基本参数输入
为了计算方便，可以直接将算例5中的数据复制过来，具体操作为：在“GEO5 深基坑支护结构设计”软件中选择「编辑」→「复制数据」，然后在“GEO5 深基坑支护结构分析”软件中，选择「编辑」→「粘贴数据」。此时，大部分计算所需数据都已成功导入。
图 6.1 「编辑」复制数据与粘贴数据
图 6.2 粘贴数据时的界面
在「分析设置」界面中，依然选择“中国—建筑行业（JGJ）”，最小主动土压力系数设为0，结构重要性系数为 1.1。
下一步，选择「水平反力系数 Kh」界面，选择“m法”作为水平反力系数计算方法，设置“结构在嵌固(坑底)处的水平位移量”为10mm（该值为《建筑基坑支护技术规程 JGJ120-2012》中给出的建议值）。若选择“岩土材料参数中输入”作为计算方法，则可以在【岩土材料】界面中添加岩土材料时设置不同岩土材料的m值、c值或K值（更多信息请见帮助文件—F1）。
图 6.3 「水平反力系数 Kh」界面
注：1. 土的水平反力系数是采用弹塑性共同变形法（弹塑性非线性模型）进行分析时的一个重要参数。水平反力系数 Kh 的值影响着土体的变形，而土体的变形又影响着土压力的大小，且主动 土压力与被动土压力分别对应着土体不同的变形区间（更多信息请见帮助文件—F1）。
2.软件中除了支持中国规范中提出的m法、c法和K法，当我们在【分析设置】界面中修改水平反力系数计算方法为非“中国规范”时，我们还能选择其他更多的水平反力系数计算方法，例如可以基于土体压缩模量和结构刚度计算水平反力系数，或基于旁压试验计算水平反力系数等。这些计算方法为我们可靠的确定土体变形提供了更多的参考（更多信息请见帮助文件—F1）。
3.当水平反力系数计算方法中采用了m法或c法时，参数“嵌固(坑底)处水平反力系数的初始值”将对结果产生影响。该值主要适用于滑坡的情况，即嵌固段以上由于滑体的超载作用，导致嵌固段处的水平反力系数并不是零（更多信息请见帮助文件—F1）。
下一步，选择「岩土材料」界面，双击每个材料进行「编辑」，输入泊松比（这个参数在“GEO5深基坑支护结构分析”软件需要输入），具体参数见表6.1。
表 6.1 泊松比和压缩模量
| 岩土材料 | 含细粒土砂，中密 | 粘土质砂 | 低塑性粘土，硬塑 |
泊松比 | 0.3 | 0.35 | 0.40 |
| 岩土特性 | 无粘性土 | 无粘性土 | 粘性土 |
注：结构产生变形之前的初始状态需要使用静止土压力，或结构变形很小时我们可以设置坑外土压力为静止土压力。软件中计算静止土压力时，输入的岩土材料类型（粘性土或无粘性土）不同，采用的计算公式也不同。值得注意的是，即使是典型的无粘性土，用户也可按照粘性土的计算公式来计算其静止土压力，只需将岩土材料设置为“粘性土”即可；反之，当用户按照无粘性土的静止土压力计算公式来计算粘性土时，除了将岩土材料类型设置为“无粘性土”之外，还需在计算中采用其等效内摩擦角（更多详细内容请见帮助文件——F1）。
在「尺寸」界面中，“结构类型”设置为“排桩”，根据第五章的计算结果，选择铰支结果作为设计桩长，取 l=7m，桩的其他参数如图 6.4：
注：如果无法判断桩底支座为铰支还是固支，则选择较长的桩长作为设计桩长。例如，该例题也可以 选择参照固支计算结果，取 l=9m。
图 6.4 「尺寸」的设置
注：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，需要折减被动区土体土反力的计算宽度，当选择“计算”时，软件将根据规范自动为我们计算。当采用弹塑性共同变形法时，将对嵌固段被动区和主动区土压力的计算宽度均进行折减（更多信息请见F1帮助文件）。
下一步，选择「开挖」界面，工况阶段[1]的开挖深度为 2.50m。
图 6.5 「开挖」界面 —— 工况阶段[1]
下一步，选择「分析」，求得工况阶段[1]的分析结果。
图 6.6 「分析」结果 —— 工况阶段[1]，kh+土压力与位移
图 6.7 「分析」结果 —— 工况阶段[1]，内力
图 6.8 「分析」结果 —— 工况阶段[1]，位移+内力
添加工况阶段[2]：添加锚杆
图 6.9 添加工况阶段[2]
在工况阶段[2]中，模拟排桩的锚固。「分析设置」，「剖面土层」，「水平反力系数」，「岩土材料」，「尺寸」界面在此工况阶段无法使用，因为在所有工况阶段中，这些参数都应当是相同的。
选择「锚杆」界面 →「添加」，我们将在 1.5m 深处添加一排锚杆。锚杆直径 50.0mm，总长度9.0m，间距 2.5m，倾角为 15°，轴向预应力为 240kN。
图 6.10 「锚杆」的参数设置
注：
1.在进行该工况阶段的分析时，将对锚杆的刚度加以考虑，因为进一步开挖后，支挡结构会产生位移，锚杆的内力也将随之改变。
2.本案例中我们并不对锚杆的承载力（抗拉和抗拔）进行验算，因此锚杆类型选择“未指定”。通常情况下，锚杆的承载力很难通过计算准确确定，只能通过一些初略的经验公式得到大致的结果，但是这样的结果有时候也是不准确的，甚至是和我们的经验相矛盾的，此时，我们应该相信自己的经验。有条件的情况下，建议对锚杆进行拉拔试验，以确定锚杆是否能承受软件计算中得到的锚杆最大受力。在实际项目中，我们建议先不要指定锚杆的具体类型，待分析完成，方案确定以后，再指定锚杆类型，设置一系列锚杆和砂浆、砂浆和土体的粘结参数，以及锚杆的材料参数。也就是说我们把锚杆的验算留到最后一步完成，前期则尽量通过最少的参数确定方案的可行性，而不是把时间浪费在大量不具有关键性作用的参数取值和输入上。
下一步，选择「分析」界面，得到锚杆锚固后的计算结果。
图 6.11 「分析」—— 工况阶段[2]，kh+土压力与位移
添加工况阶段[3]：开挖至 4.0m
图 6.12 添加工况阶段[3]
选择「开挖」界面，将“基坑深度”设为 4.0m。
下一步，选择「分析」界面，得到工况阶段[3]的分析结果。
图 6.13 「分析」—— 工况阶段[3]，kh+土压力与位移
图 6.14 「分析」—— 工况阶段[3]，内力
图 6.15 「分析」—— 工况阶段[3]，位移+土压力
注：可以注意到，锚杆锚固力因为排桩的变形从初始的 240kN 预应力，变为了 160.67kN。
截面强度验算
选择「截面强度验算」界面，就可以进行截面承载力和配筋率的验算，如图 6.16 所示：
图 6.16 「截面强度验算」验算结果
排桩内力值根据桩间距 1.5m，截面承载力的分项系数 1.25 和结构重要性系数 1.1 得到：
排桩最大弯矩设计值： M=1.25γ0Mmax=1.25×1.5×1.1×145.22=299.52kNm
排桩最大剪力设计值： V=1.25γ0Vmax=1.25×1.5×1.1×86.12=177.62kN
采用钢筋直径 32mm，8根钢筋，混凝土保护层厚度 30mm的配筋方案，截面强度验算结果满足要求，点击“详细结果”按钮，可以得到更详细的信息。
注：截面强度验算时，对于一级结构，需要在分析设置界面中设置“结构重要性系数”为 1.1。包络 图给出的是作用标准组合得到的内力值，当验算配筋时，根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012），需要设置截面承载力的分项系数（即“作用基本组合的综合分项系数”）为 1.25。
内部稳定性验算
选择「内部稳定」界面，可知锚杆的内部稳定性不满足设计要求，这意味着锚杆的锚固力足以使
岩土体产生破裂并将一部分岩土块体拔出。
注：锚杆内部稳定性验算并不是锚杆的抗拔和抗拉验算。中国规范并不对此进行验算，但是欧美规范对此均有规定。该验算主要验算岩土体是否会因锚杆锚固力过大而产生内部破裂，从而导致阴影部分岩土块被直接拉出（不同于锚杆的单独拔出，实际上在真实工程中很少出现锚杆的单独拔出，而这里验算的内部破坏反而更为常见）。具体计算理论请参阅帮助文档——F1。
图 6.17 「内部稳定」验算结果
整体稳定性验算
选择「外部稳定性分析」，启动“土质边坡稳定分析”模块，选择「分析」界面，设置好初始滑
动面、分析方法和分析类型，点击「开始分析」。
图 6.18 「外部稳定性」计算结果
由计算结果可知，整体稳定的安全系数为：
SF=1.78>SFs=1.30 满足要求
结论
支护结构的最终位移最大值为 19.4mm，满足一般基坑的设计要求。
注：如果在某一工况阶段内，软件提示无法得到计算结果，则表示结构位移过大，无法收敛，不能满 足设计要求。此时用户需要更改一些设计参数，如增加支护结构长度、增加支护结构刚度、增大锚固 预应力、改变锚杆的位置等
其他验算结果：截面强度、内部稳定性、整体稳定性均满足要求。如果存在渗流，软件中还需要验算渗流稳定性。
