<p>最近,有GEO5用户反馈,采用同样的设计参数,理正抗滑桩设计中设置很小的岩石单轴极限抗压强度能计算通过,GEO5的抗滑桩设计模块却显示嵌岩段“岩石横向承载力不满足要求”。其实理正抗滑桩设计并没有严格的按照规范对嵌岩段的承载力进行验算,即使嵌岩段岩石横向承载力小于计算的岩石反力时,软件也不会给出提示的。</p><p>下面我们将结合案例,针对两款软件在抗滑桩嵌固段(嵌岩段及嵌土段)计算的异同做详细说明。</p><p><strong>1.</strong><strong> </strong><strong>嵌固段计算模型</strong></p><p>理正抗滑桩的帮助文档介绍内力、位移采用<strong>弹性法</strong>计算。嵌固段并没有区分嵌岩和嵌土,分析模型为桩前有弹簧支座。但是从计算结果看嵌土时土反力不会大于桩前被动土压力,嵌岩时岩石反力不会大于岩石的横向承载力。</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015226813015.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">理正抗滑桩计算模型简图</p><p>GEO5抗滑桩的内力、位移采用<strong>弹塑性共同变形法</strong>计算,并考虑了嵌岩跟嵌土计算模型上的差异。嵌土时,桩前及桩后相当于土弹簧作用,<strong>土体按弹塑性材料</strong>考虑,最大应力不能大于被动土压力,最小应力不能小于主动土压力。嵌岩段,桩身一侧有弹簧作用(位置由桩身位移决定),<strong>岩体按弹性材料考虑</strong>,分析时岩石反力可以达到任意值,最终验算最大应力是否大于岩石的横向承载力。</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015252891365.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">GEO5抗滑桩计算模型简图</p><p>具体可参考:<a href="
https://wen.kulunsoft.com/article/15">抗滑桩计算中土体嵌固段和岩石嵌固段的区别</a></p><p><strong>2.</strong><strong> </strong><strong>抗滑桩嵌岩段设计</strong></p><p><strong>2.1 嵌岩段承载力验算</strong></p><p>抗滑桩设计应满足嵌固段承载力要求。依据《铁路路基支挡结构设计规范TB10025-2006(2009局部修订版)》,针对<strong>嵌岩段</strong>应当满足规范第10.2.10.1条规定,具体内容如下:</p><p>1 地层为岩层时,桩的最大横向压应力 σmax应小于或等于地基的横向容许承载力。地基的横向容许承载力与岩石单轴抗压极限强度的对应关系可按本规范附录表B.0.1采用。当桩为矩形截面时,地基的横向容许承载力可按下式计算:</p><p> <img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015281209620.png" alt="image.png"/> (10.2.10- 1)</p><p>式中:<img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015304989700.png" alt="image.png"/>--在水平方向的换算系数,根据岩石的完整程度、层理或片理产状、层间的股结物与胶结程度、节理裂隙的密度和充填物,可采用 0.5-1.0;</p><p><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015320609237.png" alt="image.png"/>--折减系数,根据岩层的裂隙、风化及软化程度,可采用 0.3-0.45;</p><p><img width="17" height="18" src="
https://wen.kulunsoft.com/stat ... ot%3B word_img="file:///C:\Users\南京库~1\AppData\Local\Temp\ksohtml25044\wps46.png" style="background:url(
https://wen.kulunsoft.com/stat ... rd.gif) no-repeat center center;border:1px solid #ddd"/><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015340476762.png" alt="image.png"/>--岩石单轴抗压极限强度 (kPa)。</p><p>GEO5软件严格按照上述规范验算,当不满足规范中的10.2.10-1公式时,软件会给出“<span style="color: #FF0000;">岩石地基横向承载力 不满足要求</span>”提示,如下图:</p><p><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015374641698.png" alt="image.png"/> </p><p>而理正软件目前只有「抗滑桩综合治理」模块可以进行嵌岩段设计。理正「抗滑桩综合治理」模块仅在桩的计算结果-->内力计算结果-->土反力图形上用红色线条表示的允许值。而关于它的设计值,也就是土反力由白色线条表示。</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015383130771.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">理正土反力结果图</p><p>依据理正土反力结果图,「抗滑桩综合治理」模块似乎也对嵌岩段进行了验算,但其实这里的验算与规范要求是不相同。下面举例说明,当嵌岩段设置如下:</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015396193099.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015403873002.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">计算模型</p><p>其他参数保持不变,仅设置单轴极限抗压强度R为变量,R分别取值1MPa,2MPa,2.5Mpa,5Mpa,10Mpa。在滑面上受滑坡推力的作用下(理正的第1种情况:滑坡推力),内力计算结果如下:</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015415950534.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">单轴极限抗压强度R=1Mpa</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015420507471.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">单轴极限抗压强度R=2Mpa</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015428632221.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">单轴极限抗压强度R=2.5Mpa</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015434899048.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">单轴极限抗压强度R=5Mpa</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015442785177.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">单轴极限抗压强度R=10Mpa</p><p>对比1MPa,2MPa,2.5Mpa的计算结果,我们发现软件的岩石反力取值是不会大于横向允许承载力的。当岩石反力(=位移*岩石水平反力系数)>横向允许承载力时,取横向允许承载力值。即岩石反力=min{弹簧刚度K*位移X,横向允许承载力},理正软件将岩石视为弹塑性材料。软件没有且不会出现“岩石横向承载力不满足要求”。</p><p><strong>2.2 理正嵌岩段设计的正确性</strong><strong>校验</strong></p><p>为进一步验证,我们缩短嵌固段,嵌岩段设置为1m,单轴极限抗压强度R=5MPa。此时对应的岩石地基横向容许承载力Rd=5000*0.3*0.5=750kPa,在此参数下进行对比分析。</p><p>GEO5抗滑桩软件计算会提示地基横向承载力不满足要求(岩石当成弹性材料考虑)。如下图:</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015467678427.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">抗滑桩嵌岩段1m,R=5Mpa,允许反力=750kPa</p><p>若将岩石当成弹塑性材料考虑,我们用两款软件对比计算。</p><blockquote><p>注:在GEO5中,我们用c足够大的弹塑性土体,来模拟理正模型中的弹塑性岩石,只要GEO5的允许反力(计算的被动土压力)与理正R=5MPa所能提供的岩石地基横向容许承载力Rd相当即可。</p></blockquote><p>GEO5计算出在允许反力≈780kPa时,结构不稳定,此时无法给出内力及位移详细计算结果。此时减小允许反力值,结构会更不稳,所以在允许反力=750kPa时,GEO5计算结构是会不稳定的。如下图:</p><p> </p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015486618818.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">弹塑性的土体模拟岩体,嵌岩1m深,允许反力≈780kPa</p><p>理正岩石允许反力=750kPa时,分析仍能给出内力及位移结果。虽然结果明显错误但有结果给出说明计算是收敛。如下图:</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015498184013.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">嵌岩1m深,R=5Mpa,允许反力=750kPa</p><p>如果岩石当成弹塑性材料考虑,那么当计算出的岩石反力>横向承载力的时候,计算出的岩石反力会进行调整然后进行二次迭代,而当变形足够大,势必会出现计算不收敛的情况,不收敛是计算不出结果的,此时结构不稳定,正如上面GEO5软件的提示。但我们发现无论理正中嵌岩段的岩石反力多小,软件都能计算出内力及位移。</p><p><strong>2.3结论</strong></p><p>理正抗滑桩软件岩石是当成弹塑性材料考虑的,岩石反力=min{弹簧刚度K*位移X,横向允许承载力},软件没有且不会出现“岩石横向承载力不满足要求”。软件并没有严格按照规范要求去验算嵌岩段。若岩石按弹塑性材料考虑,理正软件在嵌固段明显不满足要求,结构不稳定的时候,仍能输出内力及位移计算结果。GEO5抗滑桩软件岩石按弹性考虑,岩石反力=弹簧刚度K*位移X,分析时岩石反力可以达到任意值,最终验算最大应力是否大于岩石的横向承载力。验算是严格按照规范要求。</p><p><strong>3.</strong><strong> </strong><strong>抗滑桩嵌土段设计</strong></p><p><strong>3.1 嵌土段承载力验算</strong></p><p>针对<strong>嵌土段,规范10.2.10-2和10.2.10-3给出了横向允许承载力计算公式,可以按公式计算,此外规范</strong>10.2.10的条文说明对于规范正文也做了进一步说明,具体内容如下:</p><p>10.2.10 对于较完整的岩质岩层及半岩质岩层的地基,桩身作用于围岩的侧向压应力,一般不应大于容许强度。桩周围岩的侧向允许抗压强度,必要时可直接在现场试验取得,一般按岩石的完整程度、层理或片理产状、层间的胶结物与胶结程度、节理裂隙的密度和充填物、各种构造裂面的性质和产状及其贯通程度等情况,分别采用垂直允许抗压强度的0.5 ~ 1.0倍。当围岩为密实土或砂层时,其值为0.5倍,较完整的半岩质岩层为0.60~0.75倍,块状或厚层少裂隙的岩层为 0.75~ 1.0倍。对于一般土层或风化成土、砂砾状的岩层地基,<strong>抗滑桩在侧向荷载作用下发生转动变位时,桩前的土体产生被动土压力,而在桩后的土体产生主动土压力。桩身对地基土体的侧向压应力一般不应大于被动土压力与主动土压力之差。在工程设计中,要使锚固段完全满足要求,有时会很困难,所以根据多年的工程经验,满足滑动面以下深度 h<sub>2</sub>/3 和h<sub>2</sub>(滑动面以下桩长)处的横向压应力应小于或等于被动土压力与主动士压力之差即可。</strong>此时滑动面以下h2/3深度范围内进入塑性区。</p><p>依据GEO5抗滑桩计算理论,GEO5土体按弹塑性材料考虑,采用弹塑性共同变形法,嵌土段桩前及桩后都有土弹簧作用,结构受力由下式计算:</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015529673204.png" alt="image.png"/></p><p>针对GEO5抗滑桩的嵌土段,作用在变形结构上的土压力最大不能大于被动土压力,最小不能小于主动土压力。即桩前计算土压力≤桩前被动土压力,桩后计算土压力≥桩后主动土压力。那么-桩后计算土压力≤-桩后主动土压力。据此可推导得到,桩前计算土压力-桩后计算土压力≤桩前被动土压力-桩后主动土压力恒成立。而GEO5的土反力是桩前桩后计算土压力的合力。也就是GEO5抗滑桩的计算土反力≤桩前被动土压力-桩后主动土压力,依据GEO5的计算理论,如果软件计算结果收敛,无结构不稳定的提示,那么计算结果将严格满足规范第10.2.10的条文说明的“<strong>桩身对地基土体的侧向压应力一般不应大于被动土压力与主动土压力之差。</strong>”</p><p>此外,我们可以依据GEO5分析结果的“土压力+位移”图示很容易判断被动区土体的塑性区的范围。</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015561456784.png" alt="image.png"/> </p><p>理正<strong>土体也是按弹塑性材料</strong>考虑,由于计算模型的不同,理正软件的计算土反力特指滑坡面以下桩的土抗力,由下式计算:</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015578780627.png" alt="image.png"/></p><p>在桩的计算结果-->内力计算结果-->土反力图形上用红色线条表示的被动土压力数值。理正软件计算的土反力不会大于被动土压力,同样也可以根据图形来判断被动区塑性区范围。</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015588409095.png" alt="image.png"/> </p><p>首先,理正软件是没有按照规范正文要求去进行计算允许横向承载力计算,其次,因为没有考虑桩后主动土压力,所以也不能按规范条文说明去验算嵌土段是否满足滑动面以下深度 h2/3 和h2(滑动面以下桩长)处土反力是否小于等于被动土压力与主动土压力之差。综上,理正抗滑桩的嵌土段并没有按照规范要求进行验算。</p><p><strong>3.2 理正嵌土段设计的正确性</strong><strong>校验</strong></p><p>举例用两款软件分析下列抗滑桩:</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015602169359.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">计算简图</p><p>两款软件的计算结果:</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015624596342.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">理正计算最大位移= -73.28(mm)</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015631100298.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">GEO5计算最大位移= -26.9(mm)</p><p>两款软件位移计算结果相差太多,下面我们用有限元分析软件OptumG2进行复核。将抗滑桩桩后嵌固段以上9m以上的土折算成超载施加在模型里,同时将理正计算出来的滑坡推力的水平和竖直分布力施加在模型中。选择弹塑性分析方法,具体如下:</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015644374963.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">初始地应力分析</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015665247033.png" alt="image.png"/></p><p style="text-align: center;">弹塑性分析</p><p>分析结果:</p><p style="text-align: center;"><img src="
https://wen.kulunsoft.com/uplo ... ot%3B title="1585015690771650.png" alt="image.png"/> </p><p style="text-align: center;">Optumn G2的计算结果(位移28.02mm)</p><p>相比较理正的70.28mm的水平位移,Optumn G2的计算结果(位移28.02mm)与GEO5(位移26.9mm)的更接近。</p><p><strong>3.3结论</strong></p><p>理正跟GEO5两款抗滑桩软件,均可以依据结果图示判断被动区塑性区范围,但是两款软件土反力计算公式不相同,由于理正嵌固段不考虑桩后土弹簧作用,所以计算结果只考虑桩前土抗力。嵌土段没有考虑桩后主动土压力,所以无法按照规范正文或条文说明的要求去验算。而GEO5软件只要计算结果收敛,没有结构不稳定的提示,那么计算结果将严格满足规范第10.2.10的条文说明的“<strong>桩身对地基土体的侧向压应力一般不应大于被动土压力与主动土压力之差。</strong>”</p><p><br/></p>