如何在GEO5中基于基坑规范计算双排桩

在GEO5 2017及以前的版本中，无论是「深基坑支护结构分析」还是「抗滑桩设计」模块都不能直接输入双排桩，但是可以通过「岩土工程有限元还分析」模块进行了。关于如何在有限元模块中模拟双排桩，这里有一个例题供参考：
基坑规范中的双排桩计算方法实际上为杆系有限元方法，因此也可以通过有限元模块进行模拟。在我们的《工程实例手册》，工程实例2中对于门型抗滑桩的处理实际上就采用了有限元的方法来基于规范进行计算，
在介绍具体的建模思路之前，我们先对《建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-2012）》中的双排桩计算模型做一个简单的分析（图1）。


从图中可以看出，基本假设有以下几点：
　　• 后排桩后始终作用主动土压力。
　　• 桩间土和前排桩被动区的土采用弹簧模拟。
　　• 整个结构是一个门型钢架结构。
　　• 被动区土体的反力不能大于被动土压力。

基于以上假设，下面给出建模的具体思路：
1）用「土压力计算」模块计算出作用在桩后的主动土压力、静止土压力。
2）启动「岩土工程有限元分析」模块。在「建模工况」中创建好模型并生成有限元网格。
3）进入「第一工况阶段」，添加梁单元模拟双排桩，并根据之前土压力模块计算出的静止土压力，换算成梁荷载加至后排桩（梁）上，桩后土体竖向应力等效成荷载加至桩后土体上，并进行初始地应力分析。
4）新建「第二工况阶段」，冻结桩前第一步开挖的土体，进行分析（在此工况阶段中可将桩后的静止土压力换成主动土压力，查看位移结果，若桩倒向坑外，则说明桩后土压力还没有达到主动土压力，仍采用静止土压力）。
5）分析完后，新建其他工况阶段，继续分析后期开挖情况。
注：根据《建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-2012）》中的要求，需要验算土反力合力是否大于桩前被动土压力的合力值，若土反力小于被动土压力合力，则说明嵌固段承载力满足要求，若土反力大于被动土压力合力，则说明嵌固段发生破坏，需要重新调整设计方案。
在《铁路路基支挡结构设计规范（TB10025-2006）》中对于嵌固段的验算则相对简单，只需要土反力小于桩前1/3处的被动土压力即可。

上述验算只有当土体采用弹性本构模拟时才需要进行（规范中的弹簧是始终弹性的），如果土体采用弹塑性模型，例如摩尔-库仑模型，则不需验算，因为如果被动区破坏，不会得到收敛的分析结果。也可以通过查看塑性应变来查看嵌固段塑性区的分布。
下面举例说明，假设土体为单一土层，深度为10m，其参数如图2所示。

图2 岩土参数

墙后剖面选择水平，不考虑地下水位、超载和地震的影响。在「土压力计算」模块中点击分析。其结果如图3所示。



图3 土压力分析结果

结果显示桩后主动土压力水平方向合力大小为217.88kN/m，静止土压力为489.43kN/m。土压力的详细分布值可以在GEO5的计算书中查看。
启动GEO5有限元模块，建立初始模型（为了后期方便添加排桩位置和开挖深度，在建模阶段，可多添加几条多段线），加密后启动网格生成。如图4所示。

图4 GEO5有限元模型生成网格

点击添加工况阶段1，进行初始地应力分析。在分析初始地应力之前，冻结桩后土体，用梁单元模拟双排桩，添加结果如图5所示。在土压力模块中将我们计算的桩后静止土压力换算成梁荷载加至后排桩上，这里静止土压力为三角形分布，桩长10m，桩底处梁荷载97.886kN/m2。将桩后土体的竖向应力等效成条形荷载γD=19*10=190kN/m2加载到后排桩桩后土体上，梁荷载和条形荷载添加结果如图6所示。初始地应力分析结果如图7所示。可以看到桩前土体的初始地应力和预想的一致。

图5 有限元模型梁单元模拟双排桩


图6 有限元模型用梁荷载模拟桩后主动土压力，用超载模拟桩后土体竖向应力


图7 有限元模型初始地应力分析

初始地应力分析完毕后，点击添加工况2，冻结桩前第一步开挖的土体，点击分析，结果如图8所示（此时作用的梁荷载仍为静止土压力）。

图8 基坑有限元模型开挖第一步X向位移图（梁荷载为静止土压力）

注：此阶段可另采用梁荷载为主动土压力进行分析，根据分析结果，工程师结合实际经验选择合适的土压力。只有结构发生足够的位移时，桩后的土压力才是主动土压力。
点击添加新工况3，冻结桩前第二步开挖的土体，将梁荷载换成被主动土压力，点击分析，结果如图9所示。

图9 基坑有限元模型开挖第二步X向位移图（梁荷载为主动土压力）


图10 桩身弯矩图


图11 桩身剪力图

开挖完毕后，取读桩前土反力（如图11），由于这里我们采用的是弹塑摩尔-库仑模型，不进行嵌固段承载力验算。
至此，如何用在GEO5中基于基坑规范计算双排桩的介绍完毕，如果有更好的想法，欢迎在下方留言与我们交流讨论。