在边坡工程设计中若需要考虑暴雨工况时，在GEO5中可以通过以下两种方法来实现：方法一：步骤一：添加一个新工况［注1］，进入「地下水」界面，通过Geo5剪贴板复制当前地下水位，并粘贴，然后将水位上移到暴雨时的水位值，若此时部分水面超出地表时，编辑地下水位，使超出地表的水位位于地表以下。注1：点击工具栏中绿色的+号图标即可添加一个新工况。步骤二：进入「工况阶段设置」界面，选择「偶然设计状况」。根据不同规范，亦可以将暴雨工况考虑为「短暂设计状况」。步骤三：进入「分析」界面，进行分析，此时软件用「偶然设计状况」的安全系数作为设计的安全系数［注2］。注2：在模式中选择「分析设置」，点击「编辑当前设置」，弹出对话框，即可在里面编辑各个工况设计的安全系数。方法二：步骤一：进入「岩土材料」界面，添加新的岩土材料，可将其命名为「材料名-饱和」，输入暴雨时岩土材料的各项饱和参数值（土工试验往往会提供岩土体饱和状态下的各项参数值）。步骤二：添加一个新工况，进入「指定材料」界面将饱和状态下的岩土材料重新指定到各个岩土层中。步骤三：进入「工况阶段设置」界面，选择「偶然设计状况」。根据不同规范，亦可以将暴雨工况考虑为「短暂设计状况」。步骤四：进入「分析」界面，进行分析。在工程设计中若需要考虑地震工况时，在GEO5中可以通过以下方法来实现：步骤一：添加一个新工况，进入「地震荷载」界面，依据当地抗震设防烈度，设置抗震设防烈度等其他参数。步骤二：进入「工况阶段设置」界面，选择「地震设计状况」。步骤三：进入「分析」界面，进行分析。GEO5中其他工况的设计与暴雨工况、地震工况相类似。与其他软件相比，例如理正软件，其设计工况均为固定工况。例如在地震挡墙的基础上考虑洪水水位对工程的影响，因为理正中地震挡墙只能考虑有地震和无地震两种情况，理正软件中就需要新建一个文件来分析，较为麻烦，而且计算书还相互独立。而在GEO5中只需要在工况基础上添加一个新的工况，并提高地下水位即可以进行分析，既节约时间更便于设计。 查看全部

本文通过一个深基坑工程算例，来简单比较一下弹性支点法与弹塑性共同变形法计算结果之间的差异。弹性支点法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，这样就可以把支护结构作为弹性支承的地基梁进行计算。图1 弹性支点法计算模型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Winkler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。该方法还采用以下假设：     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现在我们通过某地铁深基坑算例，分别采用弹性支点法和弹塑性共同变形法进行计算分析，并将两者的计算结果分别与实测数据进行对比，以直观地比较这两种方法的计算精度。已知基坑设计开挖深度为17.1m，基坑宽度为22m；围护结构采用Φ800@1400钻孔灌注桩加三道Φ600钢管内支撑，桩长22.1m，嵌固深度5.0m；钢管内支撑壁厚16mm，水平间距3m，预加轴力分别为300kN、552kN和487kN。基坑场地地层物理力学参数如下：表1 地层物理力学参数基坑开挖工况为：表2 基坑开挖工况打开GEO5「深基坑支护结构分析」模块，软件默认采用的分析方法为弹性支点法。在工况阶段[1]中添加或设置好地层、水平反力系数、岩土材料和排桩后，在「开挖」界面中将基坑深度设置为2.3m，接着点击「分析」得到第一个工况阶段的开挖计算结果。图3 工况一计算结果添加工况阶段[2]，在「内支撑」界面中添加设置第一道内支撑。 图4 添加第一道内支撑以此类推，添加并分析完所有的工况阶段。图5 工况阶段7最后可以查看基坑开挖完成以后，支护变形、内支撑反力、支护内力和土压力分布计算结果。图6 kh+土压力分析结果图7 桩身内力计算结果图8 位移+土压力采用弹性支点法分析完成以后，可以在工况阶段[1]中点击「分析设置」，在分析设置界面中点击“编辑当前设置”按钮，在弹出的设置对话框中将“分析方法”选择为“弹塑性共同变形法”，这样便可以在前面的设置基础上采用弹塑性共同变形法直接进行分析。基坑开挖完成以后，弹塑性共同变形法的分析结果如下：图9 kh+土压力分析结果图10 桩身内力计算结果图11 位移+土压力现场监测结果显示，工况5时，桩顶水位位移为5mm，支护最大水平位移为6.12mm，位置在9.5m左右。图12 工况5支护变形监测结果分别对比工况5时弹性支点法和弹塑性共同变形法的计算结果，可以看到对于弹性支点法，桩顶位移为3.9mm，支护最大水平位移为15.6mm，位置在12m左右；对于弹塑性共同变形法，桩顶位移为3.8mm，支护最大水平位移的计算结果为7.3mm，位置也在12m左右。图13 工况5弹性支点法支护变形              图14 工况5弹塑性共同变形法支护变形通过对比可以发现，弹塑性共同变形法的计算结果与实测结果更为接近，这是因为和弹性支点方法相比，弹塑性共同变形法可以更好的考虑结构前后土压力随支护结构变形的变化，可以更真实的反应出结构的变形和土压力的分布，从而也能得到更真实的计算结果。同时，在对于土压力不能超过极限土压力的考虑上，弹塑性共同变形考虑土体为理想弹塑性，部分区域的土体可以进入塑性状态，如果土压力超过极限土压力，则设置为极限土压力，即该处土体进入塑性状态。而弹性支点法则不做类似考虑，简化为总的土反力和总的被动土压力的比较，如果不能满足，则不进行任何计算上的调整，用户必须改变结构尺寸重新计算，即整个过程中土体都是弹性状态。 查看全部

源文件下载：生态挡墙.rar　　在岩土工程软件中，目前没有软件能单独模拟特殊生态挡墙。在GEO5中我们可以通过运用「混凝土砌块挡土墙」模块来解决这个问题。　　在岩土工程软件中，目前没有软件能单独模拟特殊生态挡墙。在GEO5中我们可以通过运用「混凝土砌块挡土墙」模块来解决这个问题。　　第一步：运行「混凝土砌块挡土墙」模块。在「项目信息」和「分析设置」界面中根据项目需求输入或选择相应的信息。　　第二步：点击添加工况1，建立模型。　　第三步：点击进入「墙身界面尺寸」界面，添加相应砌体参数。注：例如针对一种新型生态挡墙，其设计结构和砌体参数如图1所示：图1 生态挡墙结构和砌体参数图　　在GEO5「混凝土砌块挡土墙」模块中其砌体尺寸只有两种形式，如图2所示：图2 GEO5「混凝土砌块挡土墙」模块砌体尺寸图　　对于这种情况，我们可以将新型砌体分成上下两部分输入，通过几何计算确定输入的参数，针对案例工程，其砌体参数如图3所示。图3砌体参数　　第四步：点击进入「剖面土层」界面，添加输入各土层坐标值。　　第五步：点击进入「岩土材料」界面，添加各岩土材料。　　第六步：点击进入「指定材料」界面，将岩土材料赋到相应土层。　　第七步：点击其他界面输入相应信息，例如「基础」、「地下水」等。       注：针对新型挡墙其建立的模型如图4所示。 图4 生态挡墙模型图　　第八步：「分析」验算。点击相应界面即可进行计算，得出结果，例如「倾覆滑移验算」、「承载力验算」、「截面强度验算」。 注：在「混凝土砌块挡土墙」模块中验算承载力时将会启动「扩展基础设计」模块来进行分析，验算「外部稳定性」时将会启动「土质边坡稳定分析」模块来进行分析。特别说明：建模时将一个砌块分成了上下两部分，在「截面强度验算」时不需要验算假想截面。　　针对案例工程考虑干涸工况和地震工况等情况，启动「土质边坡稳定分析」模块　　第一步：在工况1的基础上分析正常水位下坡体稳定性，其三维图如图5所示。图5 正常水位下3D模型图　　其分析结果如图6所示。图6 正常水位下边坡稳定性分析结果　　第二步：添加一个新工况，进入「地下水」界面，将地下水改成「无地下水」，点击「分析」界面，得到相应结果。其模型如图7所示。图7枯水位下3D模型图　　其分析结果如图8所示。图8 枯水位时边坡稳定性分析结果　　第三步：添加一个新工况，进入「地震荷载」界面，输入相应的参数，点击「分析」，即可得到相应的结果。其模型如图9所示。图9 考虑地震荷载时3D模型图　　其分析结果如图10所示。图10 考虑地震荷载时边坡稳定性分析结果　　因此通过GEO5「混凝土砌块挡土墙」、「扩展基础设计」和「土质边坡稳定分析」模块就可以实现该工程需求。 查看全部

某些情况下使用GEO5深基坑支护结构模块分析悬臂式支护结构变形时，弹塑性共同变形法和弹性支点法的计算结果差异很大，其中弹塑性共同变形法的计算结果比较合理，而弹性支点法的计算结果则明显不符合实际情况。下面举一个例子进行说明。算例比较简单，土层为均质砂土，排桩长7.0m，基坑开挖深度为3.0m。图1 算例模型弹塑性共同变形法和弹性支点法的计算结果如下：图2 弹塑性共同变形法计算结果图3 弹性支点法计算结果从图中可以看到，弹塑性共同变形法计算得到的最大桩身位移为10.9mm，比较符合实际情况；而弹性支点法得到最大桩身位移达430.1mm，结果明显存在错误。我们与捷克专家认真分析了发生这种情况的原因，发现问题不在于软件，而是出在弹性支点法计算原理上。弹性支点法是将支护结构视作竖向放置的弹性地基梁，支护结构后方的土压力始终考虑为主动土压力，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，规程给出的土反力计算公式为：ps = ksv+ ps0      （1）式中，ps为分布土压力；ks为土的水平反力系数；v为土体压缩水平位移值；ps0为初始分布土压力，规程建议可采用无黏性土主动土压力。图4 弹性支点法计算模型对于支挡式结构，尤其是悬臂式支护结构，当桩长不是很长，桩体考虑为刚性桩时，在结构前后土压力作用下，桩体将绕开挖面以下桩身某点发生转动。转动点以下的桩后土压力为被动土压力，桩前土压力为主动土压力。 图5 悬臂前后土压力当悬臂桩嵌固深度不是很深，桩体转动相对较大时，转动点以下的桩后土压力理应为被动抗力，然而弹性支点法将桩后土压力总是考虑为主动压力，这样就忽略了被动抗力作用，计算得到的桩身变形自然会明显偏大。下面以GEO5弹性支点法的计算结果来详细说明： 图6 弹性支点法土压力和桩身位移结果从图中可以清楚地看到GEO5严格按照《规程》要求进行计算，桩后土压力始终为主动土压力；桩前土反力根据公式(1)进行计算，但大小介于桩前主动土压力与被动土压力之间。因为桩体转动较大，转动点以上的桩前反力全部达到了被动土压力，转动点以下的桩前反力全部为主动土压力，但没有考虑转动点以下桩后被动区的被动抗力作用，而实际上这部分被动抗力是很大的，这样就使得计算结果就明显失真，桩身位移显著偏大。但是如果嵌固段足够长，悬臂桩考虑为柔性桩，这样桩身便不会存在转动的问题，也就不会出现上述的计算错误。例如将本算例的桩长改为10m，其它参数不变，采用弹性支点法计算得到结果则很正常，符合实际情况。 图7 柔性桩弹性支点法计算结果因为弹塑性共同变形法将桩后土体同样使用弹簧来模拟，这样就考虑了桩后土压力随支护结构变形的变化，从而完全避免了上述弹性支点法存在的问题。图8 弹塑性共同变形法土压力和桩身位移结果从弹塑性共同变形法的计算结果可以看到，桩后被动区考虑了被动抗力作用，计算结果合理，符合实际情况。那么对于这个问题，理正深基坑是如何处理的呢？ 图9 理正深基坑计算结果从理正深基坑的计算结果可以看到，其桩后土压力也是按照《规程》要求始终考虑为主动土压力，桩前土反力也是根据公式(1)进行计算，但是对土反力的大小没有任何约束，桩前上部土反力甚至可以大于被动土压力，桩底的土反力甚至可以为负值，即产生拉力，这明显不符合实际条件。但为什么理正的计算结果看着还是比较合理呢？正是因为理正对桩前土反力的大小不受限制，转动点上部允许产生大于被动土压力的反力，转动点下方允许产生土拉力，这两个力都是抗力，尤其是转动点下方的土拉力（实际是不存在的），其作用效果类似于实际的桩后被动抗力，这样就等于间接考虑了桩后被动抗力的作用，所以最后计算结果看着会比较合理。可以说正是理正这一不合理的设置（对桩前土反力大小不进行约束）使弹性支点法的计算结果看得合理起来。不知理正当初这样设置是不是就是有意规避弹性支点法的计算问题。图9看着还不是很明显，这里更改一下开挖深度可以更加清楚地认识到理正桩前土反力的计算方法。 图10 理正深基坑计算结果《规程》中没有对桩前土反力的极值范围做出规定，只是要求基坑内侧土反力标准值不得大于嵌固段上的被动土压力标准值。理正深基坑不限制桩前土反力的大小，而GEO5深基坑支护结构分析模块为了符合实际情况，将土反力严格限制在桩前主动土压力与被动土压力之间，也正是因为此，使弹性支点法的问题得以暴露。为了解决这个问题，我们已经对深基坑支护结构分析模块中的弹性支点法作出一定的修正，即不限制桩前土反力的下限值（仍然约束土反力不得大于被动土压力），允许土反力出现负值，这部分负值便可以等效为桩后的被动抗力。和理正一样，这样做不是很合理，但这也是为了符合《规程》要求的而采取的一种折中方法。最后建议大家，以后在计算类似算例时，最好首先考虑采用弹塑性共同变形法进行计算，即使为了符合规程要求使用弹性支点法，也要用弹塑性共同变形法进行校核，以确保安全。 查看全部

对于抗滑桩等主要承受弯矩和剪力的排桩，当桩身长度较大时，如果桩身采用全长配筋，那么配筋数量将决定于桩身最大弯矩和最大剪力，这样往往会造成很大的浪费。一般情况下，我们可以根据桩身弯矩和剪力分布，对桩身进行分段配筋，弯矩和剪力大的地方多配筋，弯矩和剪力小的地方少配筋，这样可在一定程度上减少配筋量，从而节约钢筋成本。今天给大家简单介绍如何使用GEO5对桩身进行分段配筋设计和验算，这里以抗滑桩配筋为例。某抗滑桩桩长16m，根据桩身弯矩和剪力分布，设计分三段对桩身进行配筋，桩身分段长分别为5.0m、4.0m和7.0m。在抗滑桩设计模块中，为了实现分段配筋验算，需要根据桩身配筋分段长度，在「尺寸」界面中分别添加三段抗滑桩。 图1 抗滑桩桩身分段其它所有设置完成以后，进入「分析」界面，可以得到桩身最大位移、弯矩、剪力等计算结果。图2 桩身位移、弯矩和剪力包络图分析完成以后，方可以对桩身截面强度进行验算，点击进入「截面强度验算」界面，点击添加三个分析工况。图3 添加分析工况在分析工况 [1] 中，截面编号选择1，即选择第一个桩身配筋分段，勾选验算截面强度，根据设计钢筋直径调整钢筋数量，验算结果表明，桩身分段一需要的最少配筋数量为17根。图4 分段一配筋验算在分析工况 [2] 中，截面编号选择2，即选择第二个桩身配筋分段，勾选验算截面强度，根据设计钢筋直径调整钢筋数量，验算结果表明，桩身分段二需要的最少配筋数量为34根。图5 分段二配筋验算在分析工况 [3] 中，截面编号选择3，即选择第三个桩身配筋分段，勾选验算截面强度，根据设计钢筋直径调整钢筋数量，验算结果表明，桩身分段三需要的最少配筋数量为55根。图6 分段三配筋验算如果不采用分段配筋，而是采用全长配筋，那么桩身全长需要的最小配筋数量为55根。图7 桩身全长配筋验算我们从中可以看到，采用分段配筋可以在一定程度上减少配筋数量，从而节约配筋成本。深基坑支护结构分析模块的分段配筋设计与验算与抗滑桩相同，这里就不再赘述。 查看全部

水土分算与水土合算等概念曾详细介绍过，具体可点击这里查看。当时我们借鉴南京水科院魏汝龙教授的观点，认为水土合算方法不甚合理，后来有工程师指出有效应力法和总应力法采用的是不同的强度指标参 数，两者之间不存在可比性，水土合算方法具有其合理性，所以魏汝龙教授的比较方法本身也可能存在一定的问题。GEO5在19版本的时候便加入了水土合算计算方法，所以目前GEO5软件中存在三种土、水压力计算方法，分别为：「有效应力」、「总应力」、「总应力φcu、ccu」。注：当分析设置中选择的验算方法不是「中国规范」时，在设置岩土材料参数时无法选择「总应力φcu、ccu」方法，因为欧美规范中已经淘汰了「总应力φcu、ccu」方法，即不再使用φcu和ccu指标。「有效应力」即水土分算法，「总应力φcu、ccu」即水土合算法，而「总应力」是国外规范采用的计算方法，它与水土合算法的思路一致，不同点是采用的强度指标不同。「总应力」法采用的是UU试验强度指标，因为饱和黏性土不固结不排水实验的φu为0，其抗剪强度用cu来表示，所以「总应力」法又称“φu零法”，这也是为什么在GEO5中选择「总应力」法时，只需要输入一个参数cu。需要说明的是，cu并不是通常意义上的黏聚力，确切的说，cu是土的抗剪强度（即已经包含了黏聚力、内摩擦角等在内的所有强度）和土体的有效应力大小相关，而内摩擦角、黏聚力是土的抗剪强度指标，和土体的有效应力大小无关。cu可以通过十字板剪切试验获得，对于埋深较大的黏性土，不同深度的cu是不同的，GEO5暂未提供输入线性cu的功能，但我们可以通过划分多层土来实现。《建筑基坑支护技术规程 JGJ120-2012》对土压力及水压力计算、土的各类稳定性验算时，土、水压力的分、合算方法及相应的土的抗剪强度指标类别的选取做有明确规定：1、对地下水位以上的黏性土、黏质粉土，土的抗剪强度指标应采用三轴固结不排水抗剪强度指标ccu、φcu或直剪固结快剪强度指标ccq、φcq，对地下水位以上的砂质粉土、砂土、碎石土，土的抗剪强度指标应采用有效应力强度指标c′、φ′；换言之，对于对地下水位以上的黏性土、黏质粉土，在GEO5中应选择「总应力φcu、ccu」法，此时土的抗剪强度指标可采用三轴固结不排水抗剪强度指标ccu、φcu或直剪固结快剪强度指标ccq、φcq；对地下水位以上的砂质粉土、砂土、碎石土，在GEO5中应选择「有效应力」法，此时土的抗剪强度指标应采用有效应力强度指标c′、φ′。2、对地下水位以下的黏性土、黏质粉土，可采用土压力、水压力合算方法；此时，对正常固结和超固结土，土的抗剪强度指标应采用三轴固结不排水抗剪强度指标φcu、ccu或直剪固结快剪强度指标ccq、φcq，对欠固结土，宜采用有效自重压力下预固结的三轴不固结不排水抗剪强度指标cuu、φuu；换言之，对地下水位以下的黏性土、黏质粉土，在GEO5中应选择「总应力φcu、ccu」法，对正常固结和超固结土，土的抗剪强度指标应采用三轴固结不排水抗剪强度指标ccu、φcu或直剪固结快剪强度指标ccq、φcq，对欠固结土，宜采用有效自重压力下预固结的三轴不固结不排水抗剪强度指标cuu、φuu。3、对地下水位以下的砂质粉土、砂土和碎石土，应采用土压力、水压力分算方法；此时，土的抗剪强度指标应采用有效应力强度指标c′、φ′，对砂质粉土，缺少有效应力强度指标时，也可采用三轴固结不排水抗剪强度指标ccu、φcu或直剪固结快剪强度指标ccq、φcq代替；换言之，对地下水位以下的砂质粉土、砂土和碎石土，在GEO5中应选择「有效应力」法，此时，土的抗剪强度指标应采用有效应力强度指标c′、φ′，对砂质粉土，缺少有效应力强度指标时，也可采用三轴固结不排水抗剪强度指标ccu、φcu或直剪固结快剪强度指标ccq、φcq代替。最后，我们再总结一下水土分算（有效应力）和水土合算（总应力、总应力φcu、ccu）在力学计算上的区别：1)  水土分算：计算时既考虑土体本身产生的土压力，也考虑水产生的水压力，对于边坡稳定性，则考虑作用在条块上的水压力；2)  水土合算：计算时只考虑土体本身产生的土压力，不考虑水压力，对于边坡稳定，不考虑作用在条块上的水压力，即当采用水土合算指标时，输入的地下水仅在视图上有意义，并不参与运算。从一定意义上讲，我们可以认为水土合算采用的强度指标已经考虑了水的影响，且由于黏性土渗透率较低，水并不单独作用在支护结构上，水土可以合为一体，因此可以不用考虑水压力的影响。 查看全部

在GEO5「抗滑桩设计」或「深基坑支护结构分析」模块中，对于混凝土圆形桩，软件给出的配筋结果是相对于整个截面的，只要根据配筋结果在整个截面上均布配筋即可。然而，对于矩形截面的混凝土桩，根据梁的配筋计算理论，软件仅给出了受弯最大一侧的配筋结果。因此，大多数情况下为了方便施工，如果采用两侧对称配筋，那么真实的纵筋数目为软件中输入钢筋数目的两倍。但是，有些情况下，尤其是抗滑桩，由于其截面尺寸较大、桩长较长，采用两侧对称配筋可能会造成材料浪费。下面针对两种不同的情况说明如何合理的对矩形桩进行配筋。情况一：弯矩完全在桩的一侧此时根据软件计算结果，仅在桩右侧配筋即可，左侧按照构造要求配置纵向钢筋即可。注：在抗滑桩设计相关手册中关于构造配筋有如下说明：抗滑桩的两侧和受压边，应适当配置纵向构造钢筋，其间距不大于30cm，直径不宜小于12mm。桩的受压边两侧，应配置架力钢筋，其直径不宜小于16mm。当桩身较长时，纵向构造钢筋和架力钢筋的直径应增大。若桩身较长，即使弯矩完全在桩一侧，也可以选择分段配筋，而非通常配筋。关于在GEO5中如何进行分段配筋，请查看：如何在GEO5抗滑桩和深基坑分析模块中进行分段配筋情况二：弯矩在桩的双侧此时，可以根据弯矩图将桩分成两端，如下图所示：注：分段时不要求分段处位于弯矩零点，上下偏移均可以，只要能包含相应的最大弯矩即可。分段配筋后，得到上段受弯侧纵向配筋数量和下段受弯侧纵向配筋数量，矩形桩另一侧可进行相应的构造配筋即可。关于在GEO5中如何进行分段配筋，请查看：如何在GEO5抗滑桩和深基坑分析模块中进行分段配筋对于弯矩分布更为复杂的情况，如下图，根据需要将抗滑桩分成更多段即可。需要注意的是，具体的配筋还应当结合工程师的实际经验进行判断，而非照本宣科。例如下图中最下方的右侧弯矩就可以完全按照最上方的右侧弯矩结果进行配筋，而无需再单独计算，将桩划分为三段。 查看全部

实际监测的基坑支护结构上土压力分布与《建筑基坑支护技术规程》中理论计算的分布结果不一致，这给工程师设计工作带来了困惑，本文探究了造成这种差异的原因，并通过一个例题，证明了GEO5深基坑分析模块中的弹塑性共同变形法能很好地模拟这种情况。深基坑开挖工程中，锚杆和内支撑是常用的支护形式，随着支护结构的变形，其两侧的土压力分布会发生相应的变化，特别是在锚杆和内支撑直接作用的部位，工程实际监测出的土压力与理论计算的有很大差异。《建筑基坑支护技术规程》中采用平面杆系结构弹性支点法进行基坑支护结构的分析，该方法假设支护结构右边为主动土压力，左边为Winkler弹簧，在整个计算过程中，结构后面的土压力始终是主动土压力，而实际监测显示，在支护结构右边、锚杆或内支撑作用点的附近，土压力要大于主动土压力，甚至随着开挖深度的增加，当施工下一级锚杆或内支撑时，上一级的锚杆和内支撑处监测的土压力反而可能变大。这是由于土体是弹塑性材料而导致的。理想弹塑性材料的应力——应变关系曲线和回弹曲线如图1所示。加载过程中，弹性应变阶段应力—应变呈直线关系，直线的斜率为材料的弹性模量E；当弹性应变发展到极限，开始出现塑性应变，且随着应变增大，应力不再变化。卸荷过程中，回弹曲线不沿着压缩曲线原路径发展，当σ减小为0时，ε并不为0，如图所示，两条曲线之间的差值即为材料的塑性变形量。图1深基坑开挖初期，随开挖深度的增大，土压力符合主动土压力分布规律；当开挖到一定深度，为保证坑壁稳定，需采用锚杆或内支撑（尤其是预应力锚杆）进行支护，支护结构作用于坑壁，使坑壁位移向坑外发展，坑壁位移减小，土压力逐渐趋近于静止土压力；继续开挖至下一级锚杆或内支撑施工，监测发现，此时上一级支护处的土压力反而可能变大，这是因为随着第二级支护的施工，对坑壁位移约束作用更大，坑壁位移可能减小，根据弹塑性材料应力——应变关系图，土体发生再压缩后土压力不按照原先路径变化，而是按照图2所示路径变化。这和实测结果是相符的。图2GEO5深基坑支护结构分析软件采用弹塑性共同变形法对围护结构进行分析。该方法的基本假设是结构周围的岩土材料是理想的弹塑性Winkler材料。材料性质由土的水平反力系数 kh和极限弹性变形决定，其中水平反力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。 同时，该法和弹性支点法的一个最重要的区别在于，该方法可以考虑坑外土压力随结构变形的变化。下面介绍一个用GEO5软件中的弹塑性共同变形法分析的实例：如下图所示，对某基坑先开挖3.5m, 通过GEO5深基坑支护结构分析软件得到的土压力分布和结构位移结果如下图所示：图3分析结果显示结构右边的土压力并不一定是主动土压力，在结构上部，因为结构位移较大，因此达到了主动土压力，但是随着深度的增加，结构位移的减小，土压力逐渐趋近与静止土压力，这和现场实测的结果是一致的。因此，弹塑性共同变形法计算得到的结果更加真实。对上述基坑进一步开挖，为保证基坑稳定性，在深度为2.9m处施加一排锚杆，然后继续开挖至5.5m深度处，得到的土压力分布和结构位移结果如下图所示：图4这里可以看到，因为锚杆限制了结构上部的位移，再加上锚杆预应力的作用，锚杆上方的结构在该工况阶段的位移朝向坑外（总位移朝向坑内），根据上文提到的土体的弹塑性性质，结构上部的土压力大于主动土压力，这和实测结果也是相符的。GEO5深基坑支护结构分析软件可以很好地模拟本文最初提出的问题。 查看全部

很多用户在使用GEO5中的有效应力法和总应力法计算土压力时遇到一些参数取值方面的困惑，有些用户把国际上常用的总应力法和国内的水土合算混淆了，因此，这里为大家比较一下各种方法的异同点，以帮助大家更好地使用GEO5以及更好地理解有效应力法、总应力法、水土分算、水土合算在土压力计算中的异同点。1.有效应力法顾名思义，有效应力法是基于太沙基有效应力原理的，太沙基有效应力原理公式为：σ =σ′+μ其中：σ为总应力，σ′为有效应力，μ为孔隙水压力。这即是广为人知的有效应力原理。基于此原理，在计算支护结构时，我们将作用在支护结构上的压力分为两部分，即土骨架竖向有效应力产生的水平应力和水产生的水平压力。土体竖向有效应力乘以土压力系数即为土体水平方向上的应力，同时，考虑土体粘聚力，可以得到有效应力法计算主动土压力的公式（被动土压力同理）：其中： γ’为土体浮容重 　　　γw为水容重 　　　K’a为有效应力指标求得的土压力系数(不同的土压力计算方法得到的土压力系数会有所不同) 　　　γ'h即为土体的有效应力 　　　γwh即为水产生的水平应力（水在任意方向的应力都相等）。这里需要说明的一点是，GEO5中的库伦土压力可以考虑粘聚力的影响，某些国内岩土应用软件中的库伦土压力在考虑粘聚力的影响时计算结果有时候是不正确的。2.水土分算水土分算即将土骨架产生的压力和水产生的压力分开考虑，这和有效应力法的思想是一致的，也就是说水土分算即有效应力法。国际上统称为effective stress method（有效应力法），而水土分算是国内独有的说法。因此，若要在GEO5中使用水土分算，选择有效应力法即可。此时采用有效应力强度指标。3.总应力法在国际上，总应力法又称“φu零法”，因为在饱和粘性土的不固结不排水实验中我们可以得到下图：从图中可以看到，此时φu始终为零，土体的不排水抗剪强度可以用cu来表示。cu即为土体的不排水抗剪强度，这也就是为什么在GEO5中当我们选择总应力法时，没有φu的原因，因为此时φu=0。另外，需要强调的一点是cu并不是我们通常意义上的粘聚力，更确切的说，cu是土的抗剪强度，而内摩擦角、粘聚力是土的抗剪强度指标。关于两者的区别，以及更准确的理解cu的含义，请参阅文献《软黏土地基土体抗剪强度若干问题》（龚晓南）。点击这里下载。对于主动土压力的计算，图中σ1即为土体竖向总应力σz，σ3即为土体水平向应力σx（主动），因此，可以得到总应力中计算主动土压力的基本公式如下（被动土压力同理）：其中：σz为总应力。GEO5的总应力法中还可以考虑结构和土体之间的粘结力a，修正后的总应力法主动土压力计算公式为：可以注意到，总应力法计算公式中并没有水压力μ这一项，因为所谓的总应力法是忽略了土体在剪切时产生超静孔压的影响而采用总应力不变的概念，并不牵涉到静水压力。当然，不管在砂性土或粘性土中，在地下水位以下始终存在静水压力，但它与总应力法的计算没有关系。4.  水土合算水土合算即将土骨架产生的压力和水产生的压力结合在一起考虑，这和总应力法的思想是一致的。正是因为思想一致，因此很多国内的工程师将国际上常用的总应力法和我国特有的水土合算混为一谈，其实二者虽然在思想上一致，但是在抗剪强度指标选择，土压力计算公式上却并不一致。在指出二者区别并阐述水土合算原理之前，需要明确什么时候采用总应力法或水土合算计算土压力。总应力法主要用于饱和粘性土的不排水情况，理由如下：1) 对于粘性土的不排水情况，土体受剪将产生超静孔隙水压力，而这部分水压力通常又无法正确测量或计算，因此宜通过总应力来计算土压力，而不是通过有效应力和水压力。2) 在渗透性较低的粘性土中，水压力的影响不会在短时间内显示出来，有人甚至认为有效应力原理不适用于这种土。3) 国内勘察单位还未能普遍地配备有三轴试验设备，因而有效应力强度指标比较难以获得。国际上通用的总应力法采用不排水抗剪强度cu来衡量饱和粘性土在不排水情况下的抗剪强度，在上述3.总应力法中已说明。cu可以通过UU试验（三轴不固结不排水剪切试验）得到，而国内通常通过CU试验（固结不排水剪切试验）或CQ（直剪固结快剪试验）来测量土的不排水抗剪强度，测得强度指标分别为ccu、φcu和ccq、φcq。和UU试验不同，CU试验和CQ试验得到的φ≠0，也就是说起摩尔库伦包络线并不水平，所以采用cu作为强度参数的总应力法土压力计算公式不再适用于CU试验和CQ试验得到强度参数。因为水土合算不再考虑有效应力，将水土考虑为一个整体，因此，采用ccu、φcu或ccq、φcq作为强度参数的水土合算主动土压力计算公式为（被动土压力同理）：其中：σa为总应力，c为ccu或ccq，　　　Ka为由ccu、φcu或ccq、φcq计算得到的主动土压力系数。　若按照有效原理将总应力拆分为有效应力和水压力，得到下式：其中：σ’为有效应力，μ为水压力。由该式可以看出，水土合算和水土分算的主要区别在于，水土合算中水压力被主动土压力系数折减了，或被被动土压力系数增大了，从公式的角度来看，其他没有任何区别，当然，还有一个区别就是两者选用的抗剪强度参数不同。对于同一种土，φcu或φcq是小于有效应力指标φ’的，因此，Ka>K’a，也就是说仅仅采用固结不排水抗剪强度指标（ccu、φcu）或快剪强度指标（ccq、φcq）就基本弥补了忽略剪切引起超静孔隙水压力的影响，按照上面的式子，如果再对静水压力进行折减，结果将偏于不安全。关于采用固结不排水抗剪强度指标（ccu、φcu）或快剪强度指标（ccq、φcq）作为总应力法强度参数的一些问题，请参阅文献：《总应力法计算土压力的几个问题》（魏汝龙）。点击这里下载。文献《总应力法计算土压力的几个问题》中推导了一种更为合理和安全的计算方法，该方法的计算公式和有效应力法（水土分算）计算公式一模一样，唯一的区别在于两者采用的强度参数不同。我们认为文献《总应力法计算土压力的几个问题》中的方法更为合理，因为静水压力始终是存在的，不能因为土体剪切就折减静水压力，同时，超静孔隙水压力的影响也通过采用固结不排水抗剪强度指标（ccu、φcu）或快剪强度指标（ccq、φcq）而得到了弥补。另外，对于施工时间较长的基坑，超静孔隙水压力最终将会消散，如果仍然采用折减孔隙水压力的公式，显然是非常不合理且偏不安全的。同时，上海基坑规范只有水土分算也是基于同样的原理。由上一段的讨论可知，在采用水土合算时，我们仅仅需要在水土分算的基础上，将有效应力指标替换为固结不排水抗剪强度指标（ccu、φcu）或快剪强度指标（ccq、φcq）即可，也就是说在GEO5中，我们只要选择有效应力法，并输入固结不排水抗剪强度指标（ccu、φcu）或快剪强度指标（ccq、φcq）即可。最后简单总结如下：1、在GEO5中，水土分算可以直接选择有效应力法并输入有效应力强度参数。2、对于总应力法，国际上惯用的强度参数为不排水抗剪强度cu，此时φu=0。我国《建筑基坑支护技术规程》中采用的强度指标为固结不排水抗剪强度指标（ccu、φcu）或快剪强度指标（ccq、φcq），且计算公式中通过土压力系数对静水压力进行了折减（主动）或增大（被动），计算结果偏不安全。3、文献《总应力法计算土压力的几个问题》（魏汝龙）中建议对总应力法进行修正，提出了更为合理的总应力法计算公式，该公式在形式上和有效应力法相同，但是强度参数不同，有效应力法为采用有效应力强度参数，总应力法采用总应力强度参数。4、对于饱和粘性土，由于渗透性低，超静孔隙水压力消散缓慢，采用总应力法更为合理，且采用文献《总应力法计算土压力的几个问题》（魏汝龙）中的计算公式比《建筑基坑支护技术规程》中的计算公式更为合理和安全。5、《建筑基坑支护技术规程》中的水土合算计算公式并不被国际认可，因为通过土压力系数折减（主动）或增大水压力（被动）没有理论依据。6、在GEO5中，选择有效应力法并输入固结不排水抗剪强度指标（ccu、φcu）或快剪强度指标（ccq、φcq）时，即采用的是文献《总应力法计算土压力的几个问题》（魏汝龙）中提出的公式，计算结果较《建筑基坑支护技术规程》保守，但我们认为更为合理，唯一的区别在于是否采用主动土压力系数折减静水压力（被动土压力同理）。同样的，上海基坑规范也是这样考虑的。7、当不存在或不考虑地下水时，文献《总应力法计算土压力的几个问题》和《建筑基坑支护技术规程》采用水土合算得到的结果一样。8、GEO5中可以考虑采用不排水抗剪强度作为强度参数的有效应力法，该方法是国际上惯用的总应力法。9、GEO5 v19版已添加《建筑基坑支护技术规程》中的水土合算法。10、虽然《建筑基坑支护技术规程》给出了一种水土合算的计算公式，但是我们依然建议大家采用有效应力的公式来考虑水土合算，不对静水压力进行折减，因为这种方法更合理且更安全。11、文献《总应力法计算土压力的几个问题》（魏汝龙）中的水土合算公式虽然和有效应力法公式一样，但本质是不一样的，因为两者采用的强度参数种类完全不同。关于岩土材料界面中其他更多参数的选取方法，请参阅帖子“关于GEO5在挡土墙和基坑设计中岩土参数的选取”。 查看全部

从有效应力原理的角度来讲，土压力计算分为两种方法：有效应力法和总应力法。这两种方法中的土压力计算公式和抗剪强度参数等均不同。目前，有效应力法其实大家已经很熟悉，因为我们在规范上、教科书上学习的朗肯土压力、库伦土压力都是基于有效应力法进行推导的，而总应力法在国内用的还比较少。今天就和大家分享一下这两种方法分别适用于什么样的土体情况，以及两者的区别和特点等，以帮助大家更好的使用GEO5中提供的有效应力法和总应力法。有效应力法 　　太沙基饱和土有效应力原理公式：σ =σ′+μ 　　式中:σ为总应力； σ′为有效应力； μ为孔隙水压力　　总应力为由固体颗粒、孔隙中的水和气体共同承担的应力；有效应力为土颗粒间的接触应力，控制着土体体积变化和抗剪强度。　　有效应力原理阐明了碎散颗粒材料与连续固体材料在应力——应变关系上的重大区别。有效应力原理表示研究平面上的总应力、有效应力与孔隙水压力三者之间的关系：保持不变时，孔隙水压力与有效应力可以相互转化，即：空隙水压力的减小等于有效应力的等量增加。　　采用有效应力法计算主动土压力的基本公式如下（被动土压力同理）：　　式中：　　pa—第i层土中计算点的主动土压力　　σz土中竖向总应力　　μa孔隙水压力　　ka,i第i层土的主动土压力系数　　ci第i层土的有效粘聚力　　其中土压力的计算方法由具体的土压力理论确定。　　采用有效应力法计算土压力时，需要采用有效应力强度指标—有效内摩擦φ’和有效粘聚力c’。有效应力强度指标可以通过固结不排水试验或固结排水试验得到。对于渗透性好的土，例如砂土，可以很容易地通过室内试验得到其有效应力强度指标，但是，对于渗透压性差的土，例如粘土，则很难通过室内试验得到其有效应力强度指标， 通常情况下，设计时往往会采用一些经验参数来作为粘性土的有效应力强度指标。总应力法　　由于很难获得饱和粘性土的有效应力强度指标，因此，在计算饱和粘性土的土压力时，我们通常采用另外一种强度指标—不排水抗剪强度cu。总应力法中采用不排水抗剪强度cu作为土体强度参数，该参数可以由不固结不排水试验得到。饱和粘性土不固结不排水试验结果如下图：　　从上图可以看到，φu=0，因此，国际上也称总应力法为φ=0法。对于主动土压力的计算，图中σ1即为土体竖向总应力σz，σ3即为土体水平向应力σx，因此，我们可以得到总应力中计算主动土压力的基本公式如下（被动土压力同理）：                                                                                                                                        　　GEO5的总应力法中还可以考虑结构和土体之间的粘结力a，修正后的总应力法主动土压力计算公式为：　　可以注意到，总应力法计算公式中并没有水压力μa一项，因为所谓的总应力法是忽略了土体在剪切时产生超静孔压的影响而采用总应力不变的概念, 并不牵涉到静水压力。当然， 不管在砂性土或枯性土中， 在地下水位以下始终存在静水压力，但它与总应力法的计算没有关系。小结　　1.  有效应力法采用有效内摩擦角φ’和有效粘聚力c’作为土体的强度参数，土体和结构接触面上的强度参数采用摩擦角δ。有效应力强度指标可以通过固结不排水试验和固结排水试验得到。有效应力法适合于容易得到有效应力强度指标的渗透性较好的土体。　　2.  总应力法采用不排水抗剪强度指标cu作为土体的强度参数，土体和结构接触面上的强度参数采用粘结力a。不排水抗剪强度通过不固结不排水试验得到。总应力法适用于不容易得到有效应力强度指标的渗透性很差的土，例如饱和粘性土。更多关于有效应力法和总应力法的文章点击这里：GEO5中有效应力法、总应力法、水土分算、水土合算的说明土压力计算中有效应力法、总应力法、水土分算、水土合算的异同点 查看全部