海南，海南有色工程勘察设计院 海南海口 570206
摘要：在基坑设计施工中，由于的施工环境和基坑周边荷载复杂，其支护结构受到各种因素影响其结构稳定性具有很强的不确定性，工程人员难于判断基坑支护结构的受力和位移情况。近年来基坑事故频发，基坑安全问题受到越来越多的关注，传统的经验法已经不适应越来越复杂的基坑环境。随着计算机的发展，从中衍生出许多基坑设计数值mn手段。目前基坑设计辅助常用软件有理正、GEO5等，不同软件计算过程，考虑方向不同，往往存在其较大的差距，就对于更好模拟现场情况对设计，施工有重大的参考价值。通过对理正深基坑，GEO5进行数值模拟，研究其两者差异对工程人员提供帮助。
关键词：理正深基坑；深基坑；库论GEO5；数值模拟；排桩支护
Based on GEO5 and Lizheng deep foundation pit pile supporting comparative study
在现代城市发展中，土地资源越来越贫瘠，人们不得不向天空地下争取空间，在建设过程中不可避免的要开挖基坑，随着基坑深度的增加，支护结构也重要起来。在基坑开挖过程中，基坑支护结构往往是临时结构，选择一个经济合理的支护结构往往很重要。工程师们通过各种辅助手段，在安全和经济中取得平衡，在这过程中，如何尽可能模拟现实的土体情况至关重要。国内主流的有理正，GEO5等软件，笔者通过两者进行实际工程模拟探究其合适用情况
1 工程背景：
本基坑工程开挖深度为 16.6m，由于基坑开挖深度较大，为了便于施工，基坑-5m 以上部分按 1：0.5 放坡开挖，并采用锚杆加网喷支护。坡面设置三道锚杆，竖向间距为 1.5m，距离地面分别为 1.6m、3.1m 和 4.6m。锚杆长度分别为10m、10m、6m，倾角为 10°，水平间距为 1.5m，锚杆采用单根Φ22 螺纹钢。
基坑-5m 以下部分采用桩锚支护结构，支护结构是由排桩和锚索两部分组成。排桩桩径为 800mm，有效桩长 18.0m，桩顶标高-5.0m，桩间距为 1.0m；桩身混凝土强度等级 C30，混凝土保护层厚度 50mm；钢筋笼主筋采用对称布置，钢筋选用 16Φ25@2000，螺旋箍筋选用Φ10@150。设置四道锚索，锚索水平倾角为 15°，间距 2.5m，预应力均为 180.0kN；锚索采用 4 束Φ7.5 钢绞线，分别设在距地面 8.9m、13.4m、15.9m 及 18.4m 处；锚索总长均为 26m。场地地层从上往下依次为素填土、砾砂、黏土①、细沙、黏土②、强风化岩。各土层的深度和物理力学参数请参照表 1。图 1 为基坑开挖支护示意图。
表 1 岩土材料参数表
注：因为理正土压力计算方法采用的是朗肯土压力法，所以无法考虑结构与岩土间的摩擦力，为了使条件统一这里将结构与岩土间摩擦角设置为 0。
图 1 基坑开挖支护示意图
2 基坑稳定性对比分析
2.1 Fellenius / Petterson 法
最简单的条分法只考虑对滑动面中心取矩的整体力矩平衡方程。忽略条块间的剪切力 Xi 和法向力 Ei。安全系数 SF 可以由下式直接得到：
ui-条块上的孔隙水压力
ci，φi-岩土体强度参数有效值
Wi-条块重量
Ni-各条块滑面段上的法向力
αi-各条块滑面段的倾斜角度
li-各条块滑面段的长度
2.2 理正基坑整体稳定性计算
使用理正深基坑支护结构设计软件进行结构计算，计算结果显示桩身最大位移值为-30.83mm，最大弯矩为348.4kN•m，最大剪力为215.13kN（图2）。（注：默认情况下 GEO5 不会对排桩的刚度进行折减，所以使用理正进行计算时需 将“刚度折减系数 K”设置为 1.0。）
图2 理正内力位移包络图
理正在整体稳定性计算过程中，计算方法采用：瑞典条分法。应力状态为：有效应力法，条分法中的土条宽度：1.00m（图3）。
图3 整体稳定验算简图
计算方法：瑞典法（Fellenius / Petterson），条分法中的土条宽度：1.00m，应力状态为：有效应力法。
滑裂面圆弧半径（m）R = 19.573，圆心坐标X（m）X = -0.742，圆心坐标Y（m）Y = 15.512。整体稳定安全系数 Ks = 1.552 > 1.30，满足规范要求。
2.3 GEO5 基坑稳定性计算过程
使用GEO5支护结构分析软件进行结构计算，计算结果显示桩身最大位移值为--15.5mm，最大弯矩为776.53kN•m，最大剪力为395.37kN（图4）。
（a）GEO5位移结果图
（b）GEO5弯距结果图
（c）GEO5弯距结果图
图4 GEO5内力位移包络图
GEO5边坡稳定性验算使用（瑞典法（Fellenius / Petterson））图5，其：
滑面上下滑力的总和：Fa =3060.63 /m
滑面上抗滑力的总和：Fp =5910.21 /m
下滑力矩：Ma =75903.72kNm/m
抗滑力矩：Mp =146573.25kNm/m
安全系数 = 1.93 > 1.35
边坡稳定性 满足要求
图5 GEO5整体稳定验算简图
2.4 计算结果对比
默认情况下 GEO5 给出最大弯矩和剪力是每延米的计算结果，在和理正进行对比时，需要将计算结果乘以桩间距，这样得到结果的才是每根桩的最大弯矩和剪力（表2）。
表2 排桩计算结果对比
通过对比发现两者计算数值差异较大，这是由于GEO5和理正采用库伦理论计算土压力时，对粘聚力的考虑有所不同，因此计算结果略有区别，GEO5 的主动土压力偏大。在实际工程中，由于粘聚力的试验结果往往离散性很大，因此，很难准确确定土体的粘聚力。同时，土体粘聚力受外界因素，例如水，的影响较大，只有在比较确定粘聚力不会轻易降低的情况下才可以直接采用试验值，一般均建议采用较保守的值或者采用等效内摩擦角。
3 理正基坑于GEO5锚杆稳定性计算
3.1理正基坑锚杆计算结果
理正基坑锚杆计算力结果为表3，表4
表3 锚杆水平方向内力
3.2 GEO5锚杆计算结果
GEO5其支护结构稳定性结果如表5：
表5 锚杆内部稳定性验算
设计安全系数 FS= 1.50 < 3.61 = FSminim.
内部稳定性整体验算满足要求。
3.3 理正与GEO5锚杆稳定性结果分析：
在锚杆稳定性计算中其理正给出的是受力情况，GEO5给出的是安全系数，两者没有孰优孰劣，就表达情况而言，都有其适用范围，就理正锚杆受力情况而言，十分清楚的表达了锚杆受力情况，但实际工程中，锚杆
现场由于各种影响，实际受力并不清楚。GEO5的安全系数发表达较值观，不考虑受力情况只给出安全系数，但是模糊了其受力情况，不能很好判断其支护结构的失稳状态。
4 结论
本文依据理正和GEO5软件相同案例对其基坑支护结构的位移，受力情况进行了模拟分析，主要得到如下结论：
（1）通过对两款软件的对比分析，其两者都可以很好模拟其基坑开挖、支护情况，两者之间虽然存在一些差异，但总体变化趋势基本一致，验证了支护方案的可靠性和所建数值模型的合理性就结果而言，理正在计算中相对GEO5过于保守，操作上，GEO5更简单，直观。
（2）操作上，GEO5相同模型在模块之间更方便进行计算，反观理正，操作繁琐，不同模块的计算要进行退出再操作，对于操作人员无疑提高了其工作量。这些问题都会随机计算机软件的发展，得到进一步的优化，简化操作，提高效率。
（3）库论GEO5还存在一定的不足，相比理正，GEO5不能到基坑进行整体模拟，对复杂的基坑而言，远远不够。基坑稳定性受到多重因素影响，单个断面分析，对于基坑整体安全缺乏说服力。
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论文作者:许东翰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第12期
论文发表时间:2018/6/19
标签：基坑论文; 理正论文; 结构论文; 稳定性论文; 工程论文; 锚杆论文; 数值论文; 《基层建设》2018年第12期论文;