GEO5深基坑预留土堤盆式开挖计算介绍

概述：GEO5可以设计计算桩前预留土堤，进行盆式开挖的深基坑。有不少工程师朋友可能都试用过该功能，但是由于没有详细去了解软件对这种情况的计算原理，有时会出现一些与预期不太一样的结果。导致一些工程师朋友使用软件设计时，只是用软件做一个辅助验算，出一个计算书。针对这种情况，非常有必要对软件的计算原理做一个详细的说明。

1. 悬臂式结构土压力计算

首先我们先看一下规范里面关于基坑支护结构的计算原理图。基坑外侧土压力计算采用，主动土压力（一般利用库仑土压力公式进行计算）。基坑内侧的土压力，不再使用被动土压力，而是利用竖向温克尔弹性地基梁进行迭代计算土反力。

图1 悬臂式结构

土反力p由弹簧刚度k和变形得到；弹簧刚度与水平反力系数m（K、c）和桩前土体埋深决定。岩土材料确定之后，m是个定值，当做常量考虑，弹簧刚度仅与埋深有关（z-h）。

图2 基坑开挖示意图

这里h为当前工况的基坑开挖深度，z为土层计算点到地面的距离，z-h即为桩前土体的埋深。随着开挖进行，开挖深度加深，弹簧刚度会变小，土反力调整，位移调整，结构内力调整。根据施工情况进行分步开挖分析，土反力就会随之调整，这也是规范里推荐使用增量法进行设计的原因所在。

2. 土反力最大值

图3 土体分步开挖

主动土压力大小不变，随着开挖加深，弹簧范围和大小都在减小，弹簧为提供足够的抗力，需要有足够大的变形。但土体（弹簧）变形又不能无限增大，那么土体最大位移为多少时，土体会破坏？

直接通过土体变形来判断土体是否能破坏，是很难实现的。那么我们应该怎么判断土体破坏呢？我们可以换一个思路——用土反力和极限土压力进行对比，来判断土体变形是否可控。岩土体是弹塑性的，土体变形到一定程度，就会进入塑形状态，这时候，变形继续增加，土反力却不会继续增大。土反力最大值不应大于被动土压力，大过被动土压力，土体就超出临界状态，会产生破坏。

综上，由变形与弹簧刚度计算的土反力，最大值不应大于被动土压力。当土反力不大于被动土压力时，应取实际计算值；当土反力大于被动土压力时，即土体进入塑形变形区时，应对土反力进行调整。调整方法介绍如下。

3. 土体塑形变形时土反力取值

图4 土压力和位移（弹性）

该图是深基坑分析模块分析结果图，绿色虚线代表经典土压力（极限土压力），蓝色实线代表土反力。相同条件下，作用在挡土构件上的土压力，被动土压力＞静止土压力＞主动土压力。同一深度下，最外侧绿线是被动土压力，最内侧绿线为主动土压力，中间绿线为静止土压力。蓝色的线为土反力，即真实土压力。真实土压力大小，应介于主动土压力与被动土压力之间。

图5 土压力和位移（弹塑性）

随着开挖深度加深，会导致计算土反力继续增大，土体进入塑形状态，这时按p=ky计算土压力，会导致计算土反力超过被动土压力，这不符合土体规律。软件在这个时候会有一个调整（如图红色线框标注位置）。软件比较计算土反力，与被动土压力的大小。当该单元的土反力大于被动土压力的时，会用该单元范围内的被动土压力代替土反力，进行下一次迭代，直到所有单元的土反力都不大于被动土压力为止。图中红框标注位置，被动土压力线与土压力线重合。

4. 盆式开挖土压力计算

图6 盆式开挖

桩后土体依然使用土压力，桩前土体依然使用土弹簧计算，比较土弹簧与被动土压力的大小。难点在于预留土堤之后，土弹簧和被动土压力应该如何考虑，我们不妨先看一下桩前土体的被动土压力的变化。与水平开挖相比，如果盆式开挖范围在破裂面以外，那么不必考虑被动土压力变化；开挖范围在破裂面内时，则需要考虑被动土压力的减小。这里被动土压力计算，需要联合使用图解法和解析法，具体计算可以参考土力学教程中特殊土压力计算。预留土堤部分的土弹簧，依然按正常土体取值（土弹簧刚度与岩土材料和埋深有关）计算土反力。这时需要考虑的一个问题就是，预留土堤能否像水平土层那样提供那么大的土反力，如何判断，标准是什么。判断标准依然是土反力与被动土压力的大小。假如土反力小于被动土压力力，那么 计算土压力取土反力；假如土反力大于被动土压力，那么就将土反力调整为被动土压力。注意，这里提到的被动土压力是考虑了盆式开挖之后的被动土压力。这样就确保了预留土提部分的土反力计算是合理的。

5. 盆式开挖预留土堤注意事项

（1）假如预留土堤部分，计算出来大范围都进入塑性变形，即土反力与被动土压力线重合，那么需要考虑，是否开挖过大，或者预留土堤宽度过窄。

（2）预留土堤部分，需验证边坡是否稳定，可以调用外部稳定性验算，用限制搜索，完成桩前边坡的验算。

（3）当预留土堤宽开挖计算结果与未进行盆式开挖相比几乎没有变化时，说明预留土堤宽度已经足够大了。我们也可以通过调整预留土堤宽度，找到临界值。如果变形、塑性变形、土堤边坡稳定性都能满足要求时，我们可以认为预留土堤形状是合适的。

（4）上海市基坑工程技术规范DGTJ08-61-2010对盆式开挖有一些要求，这里贴出来以供参考。