第七章：多支点锚拉式排桩基坑支护分析
本章将为用户介绍如何进行多支点锚拉式排桩基坑支护结构的设计和验算。
例题源文件请在这里下载：http://pan.baidu.com/s/1dFEirjb
任务
验算一个多支点锚固的排桩在基坑支护中的稳定性。支护桩为 21.0m 长的排桩。基坑深度为15.0m，墙后坡面水平。超载为 25.0kN/m2 的永久荷载，坑外地下水深 10.0m。
图 7.1 多支点锚拉式排桩支护算例
表 7.1 岩土材料参数
所有土层中，结构与岩体间的摩擦角均为 7.5°，饱和重度与天然重度相等，且算例计算中还采用了岩土体的变形模量。
表 7.2 锚杆的位置和尺寸
所有锚杆的截面直径都是 d=32.0mm，弹性模量 E=210.0GPa，锚杆水平间距为 b=4.0m。
注：和第六章中的案例一样，这里我们锚杆类型依然选择“未指定”。锚杆承载力验算留到最后一步再进行，这样可以大大提高我们的设计效率。
计算
为解决该算例中的问题，使用“GEO5深基坑支护结构分析”软件（2017版），选择「分析设置」界面 →「选择分析设置」，选择“中国—建筑行业（JGJ）”。
图 7.2 「选择分析设置」界面
下一步，选择「尺寸」界面 →「添加」（若软件已随机给出一种材料，选择「编辑」），如图 7.3
设置排桩截面：
图 7.3 「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）。
接下来，我们将分阶段模拟基坑的开挖与支护，使计算更接近于实际的工程状况。在每个工况阶 段内，都需要关注结构的内力和变形情况，如果支护结构在某个工况阶段变形过大，我们需要改进设 计方案，例如增长支护桩、减少开挖深度或增大锚杆锚固力等。
按照表 7.1 给出的岩土参数，定义「岩土材料」，在「指定材料」界面中将不同的岩土材料指定 给相应的「剖面土层」。
图 7.4 将岩土材料指定给相应的地层
选择「地下水」界面，设置基坑内外的地下水埋藏深度均为 10m。
图 7.5 「地下水」界面
下一步，选择「超载」界面，如图 7.6，设置坑外超载。
图 7.6 「超载」界面
在工况阶段[1]，设置开挖深度为 3.0m。
图 7.7 「开挖」界面 —— 工况阶段[1]
接下来，在各个工况阶段，需要做如下设置与分析：
工况阶段[1]：基坑开挖深度 3.0m；
工况阶段[2]：在 2.5m 深处，设置编号 1 锚杆；
坑内外地下水位不变。
图 7.8 工况阶段[2]
工况阶段[3]：基坑开挖深度 6.5m；
工况阶段[4]：在 5.5m 深处，设置编号 2锚杆；
坑内外地下水位不变。
图 7.9 工况阶段[4]
工况阶段[5]：基坑开挖深度 9m；
工况阶段[6]：在 8.5m 深处，设置编号 3 锚杆；
坑内外地下水位不变。
图 7.10 工况阶段[6]
工况阶段[7]：基坑开挖深度 11.5m，坑内地下水位降为 12m；
工况阶段[8]：在 11m 深处，设置编号 4 锚杆；
7.11 工况阶段[8]
工况阶段[9]：基坑开挖深度 13.5m，坑内地下水位降为 15.5m；
工况阶段[10]：在 13m 深处，设置编号 5 锚杆；
7.12 工况阶段[10]
在工况阶段[11]中，基本开挖至 15m 深，且开挖之后不再增设锚杆，坑内地下水位为 15.5m，坑 外地下水位为 10.0m。
图 7.13 工况阶段[11]
注：当支护桩产生变形时，锚杆（或支撑）内力也随之改变，且变化值取决于锚杆的刚度和变形。在 此过程中，锚固力可能增大，也可能减小（预应力损失），用户可在设置该锚杆后的任一工况阶段内 采用“锚杆补张拉”选项来更改锚杆锚固力的大小，如图 7.14。
图 7.14 锚杆补张拉
计算结果：
图 7.15 为最后一个工况阶段 —— 工况阶段[11]的分析结果：
图 7.15 工况阶段[11]分析结果 —— “kh+土压力与位移”
图 7.16 工况阶段[11]分析结果 —— “内力”
图 7.17 工况阶段[11]分析结果 —— “位移+土压力”
所有工况阶段的分析均顺利完成，这意味着在所有工况阶段内，支挡结构都能正常发挥其功能， 且基坑也能在开挖过程中保持稳定。用户在设计时，应根据基坑的实际容许变形，判断计算结果是否 满足要求，并且通过“内部稳定”界面验算锚杆最大容许锚固力是否满足要求。
内部稳定性验算：
选择【内部稳定】界面，可知各个工况内，锚杆的最大容许锚固力满足要求。
图7.18 锚杆内部稳定性验算
验算外部稳定性：
选择【外部稳定性分析】界面，启动“土质边坡稳定分析”模块，选择【分析】界面，按照图7.20设置滑动面、分析方法和分析类型，点击【开始分析】。
图7.19 【外部稳定性】计算结果
由计算结果可知，支挡结构的安全系数为
SF=2.11>SFS=1.35 满足要求
注：在“土质边坡稳定分析”模块中，软件并不显示锚杆的锚固段部分，因为GEO5 2017并不验算锚杆的抗拔抗拉，因此，并不考虑滑面穿过锚固段的情况。如果需要考虑滑面穿过锚固段，可以将自由端设置的长一些即可。实际的锚杆抗拔抗拉，根据锚固力手动验算一下就可。
截面强度验算：
选择工况阶段[11]，在右侧模式菜单栏选择【截面强度验算】。从包络图中读得所有工况内，弯矩、剪力和位移的最大值：
位移最大值 18.4mm （位移向坑外）
最大弯矩标准值 398.19kNm/m*1.5m = 597.285kNm
最大剪力标准值 247.17kN/m*1.5m = 370.755kN
图7.20 所有工况阶段的包络图
由包络图可知，在基坑开挖过程中，最大位移为18.4mm，满足一般基坑的变形设计要求。排桩内力设计值根据桩间距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：
排桩最大弯矩设计值： M=1.25γ0Mmax=1.25×1.5×1.1×398.19=821.26kNm
排桩最大剪力设计值： V=1.25γ0Vmax=1.25×1.5×1.1×247.17=509.79kN
采用钢筋直径32mm，10根钢筋，混凝土保护层厚度40mm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》（JGJ 120-2012），需要设置“作用基本组合的综合分项系数”为1.25。
结论
支护结构在施工完成后的位移最大值为18.2mm，位移方向向坑外移动。满足一般基坑的设计要求。
注：
1. 如果在某一工况阶段内，分析无法顺利完成，则支护结构不满足设计要求。此时用户需要更改一些设计参数，如增加支护结构长度、增大锚固预应力、改变锚杆的位置或数量等。
2. 本算例给出的设计方案只在安全上满足设计要求，不一定是经济适用的。用户在设计过程中要结合实际的工程造价、周边环境等因素，对设计方案进一步完善。
采用弹性支点法（《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）给出的计算方法）计算出的位移往往与实际监测数据不符，因为弹性支点法假设坑外土压力始终为主动土压力或静止土压力，并不随结构的变形而变化。
GEO5“深基坑支护结构分析”模块同时也提供了欧美常用的弹塑性共同变形法（更多关于弹塑性共同变形法信息请见帮助文件——F1），该方法可以考虑坑外土压力随结构变形的变化，更加符合实际情况。图7.21中给出了弹性支点法和共同变形法的计算模型。
图7.21 弹性支点法计算模型和弹塑性共同变形法计算模型
下面，我们选择弹塑性共同变形法对本案例重新计算进行计算。进入【分析设置】界面，点击“编辑当前设置”按钮，在弹出的编辑当前设置窗口中修改“分析方法”为“弹塑性共同变形法”。
图7.22 修改分析方法为“弹塑性共同变形法”
计算后得到的计算结果如下：
位移最大值 3.6mm （位移向坑内）
最大弯矩标准值 138.76kNm/m*1.5m =208.14 kNm
最大剪力标准值 135.16kN/m*1.5m =202.74 kN
图7.23 所有工况阶段的包络图
注：可以注意到，选择弹塑性共同变形法得到的计算结果和弹性支点法并不相同。在位移包络图中，弹性支点法得到的大部分工况阶段的位移都是朝向坑外的（图7.20），而共同变形法得到的位移都是朝向坑内的（图7.23）。由实际监测数据可知共同变形法得到的计算结果更准确，原因在于施加预应力锚杆后，坑外土压力会相应的增大，从而阻止结构向坑外移动，而弹性支点法中并不对此考虑，导致出现结构向坑外发生较大的移动，这与土体的性质是不符合的。
在实际工程中，为了符合规范要求，我们需要采用弹性支点法，但是当该方法的计算结果不合理时，建议采用共同变形法进行进一步的复核，从而得到合理的设计结果。
关于弹塑性共同变形法的更多内容，可以点击查看：土体弹塑性变形对基坑外侧土压力的影响；弹性支点法与弹塑性共同变形法计算结果对比分析
