理正基坑讲座

理正软件基坑工程设计原理及常见问题汇报人：何德洪2012年7月勘察分院系列讲座之一国内常用的知名计算软件•《理正深基坑支护结构设计软件》基于我国北方、以及广州等地的土层情况，在“硬土”条件下更为适合，尤其是在锚杆、土钉的计算方面。一、基坑计算基本理论国内常用的知名计算软件•《启明星深基坑分析软件》(FRWS2006)，是基于上海市的土层情况拟合而得到的相关经验参数，适用于地下水位较高、土层条件较差的情况。一、基坑计算基本理论•土体作用在挡土墙、板桩墙、桥台等挡土结构物上的侧压力，称为土压力。一、基坑计算基本理论1、土压力的概念E填土面码头桥台E隧道侧墙EE被动主动一、基坑计算基本理论1、土压力的概念根据位移对土压力的影响，分为：静止土压力E0挡土结构不发生位移，土压力分布为三角形分布。主动土压力静止土压力被动土压力三种土压力静止Eo一、基坑计算基本理论1、土压力的概念主动Ea被动Ep被动土压力Ep挡土墙向着填土方向转动或移动时，随着位移量的逐渐增加，墙后土体受到挤压而引起土压力逐渐增大，当墙后填土达到极限平衡状态时，土压力增大为最大值，这时作用在挡土墙上的土压力。主动土压力Ea挡土墙背离填土方向转动或移动时，随着位移量的逐渐增加，墙后土体受到的土压力逐渐减小，当墙后填土达到极限平衡状态时，土压力降为最小值，这时作用在挡土墙上的土压力。一、基坑计算基本理论1、土压力的概念由于Ea与Ep都是两种极限平衡状态，因此其大小关系如下：Ea＜E0＜Ep工程上实际挡土结构的位移均难以控制与计算，其土压力值一般均位于这三种特殊土压力之间。-△+△+△-△Eo△a△pEaEoEp一、基坑计算基本理论2、土压力计算的主要理论方法静止土压力计算土压力的影响因素：挡土结构物的形式、刚度、表面粗糙度、位移方向、墙后土体的地表形态、土的物理力学性质、地基的刚度以及墙后填土的施工方法等。库伦土压力理论朗肯土压力理论主动土压力计算被动土压力计算极限平衡状态《地基规范》法2.1朗肯土压力理论（1）基本原理:认为墙后填土达到极限平衡状态时，与墙背接触的任一土单元体都处于极限平衡状态，然后根据土单元体处于极限平衡状态时应力所满足的条件来建立土压力的计算公式。（2）基本假定：挡土结构墙背垂直、光滑、挡土结构物刚性、挡土结构物墙后填土为均质刚塑性半无限体、挡土结构物墙后填土面水平、墙高H以下的土体状态及位移与其上的一致。采用这样假定的目的是控制墙后单元体在水平和竖直方向的主应力方向。（1）基本原理：墙后土体达到极限平衡状态时，填后填土是以一个三角形滑动土楔体的形式，沿墙背和填土土体中某一滑裂平面通过墙踵同时向下发生滑动。根据三角形土楔的力系平衡条件，求出挡土墙对滑动土楔的支承反力，从而解出挡土墙墙背所受的总土压力。2.2库伦土压力理论（2）基本假设：挡土墙和滑动土契体是刚体的，墙后填土为无粘性砂土，当墙身向前或向后偏移时，墙后滑动土契体是沿着墙背和一个通过墙踵的平面发生滑动。（1）分析方法极限平衡状态区别朗肯库伦土体内各点均处于极限平衡状态刚性楔体，滑面上处于极限平衡状态极限应力法滑动楔体法朗肯理论从任意一点的应力状态出发，先求土压力的强度分布，再计算土压力的合力。库伦理论从滑动土楔体的外力平衡条件出发，直接计算土压力的合力，然后根据需要计算土压力强度。2.3朗肯和库仑土压力理论的比较（2）应用条件比较序号朗肯库仑1挡土结构刚性挡土结构刚性2半无限体半无限体3墙背光滑、垂直墙背粗糙、倾斜4填土均质、表面水平填土为散体（c=0）、表面不水平5粘性土一般用图解法（3）计算误差墙背光滑、垂直（实际0）朗肯被动土压力比库伦主动土压力偏小由于实际滑裂面不一定是平面在工程实践中，土体达到被动极限状态时挡土墙的位移值很大，实际工程一般不允许，所以，当挡土墙处于被动土压力状态时，一般取被动土压力的1/3左右计算。主动土压力偏大被动土压力偏小郎肯库伦被动土压力偏大1）朗肯与库伦土压力理论均属于极限状态土压力理论。用这两种理论计算出的土压力都是墙后土体处于极限乎衡状态下的主动与被动土压力。2）两种分析方法上存在的较大差别，主要表现在研究的出发点和途径的不同。朗肯理论是从研究土中一点的极限平衡应力状态出发，首先求出的是作用在土中竖直面上的土压力强度a或p及其分布形式，然后再计算出作用在墙背上的总土压力Ea和Ep，因而朗肯理论属于极限应力法。库伦理论则是根据墙背和滑裂面之间的土楔，整体处于极限平衡状态，用静力平衡条件，先求出作用在墙背上的总土压力Ea或Ep，需要时再算出土压力强度a或p及其分布形式，因而库伦理论属于滑动楔体法。（4）朗肯理论与库伦理论的比较小结3）上述两种研究途径中，朗肯理论在理论上比较严密，但只能得到理想简单边界条件下的解答，在应用上受到限制。库伦理论显然是一种简化理论，但由于其能适用于较为复杂的各种实际边界条件，且在一定范围内能得出比较满意的结果，因而应用广泛。4）朗肯理论的应用范围：墙背垂直、光滑、墙后填土面水平，即=0，=0，=0，无粘性土与粘性土均可用。库伦理论的应用范围：用于包括朗肯条件在内的各种倾斜墙背的陡墙，填土面不限，即、、可以不为零或等于零，故较朗肯公式应用范围更广；数解法一般只用于无粘性土，图解法则对于无粘性土或粘性土均可方便应用。而当填土面水平，填背直立和光滑时，库伦土压力公式和朗金土压力公式完全相同，这说明朗金土压力是库伦土压力的一个特例。5）计算误差：朗肯和库伦土压力理论都是建立在某些人为假定的基础上，朗肯假定墙背为理想的光滑面，忽略了墙与土之间的摩擦对土压力的影响，库伦理论虽计及墙背与填土的摩擦作用，但却假定土中的滑裂面是通过墙锺的平面，与比较严格的挡土墙土压力解（按极限平衡理论，考虑，土体内的滑裂面是由一段平面和一段对数螺线曲面所组成的复合滑动面求得），计算结果都有一定的误差。6）对于主动土压力计算，各种理论的差别都不大。朗肯土压力公式简单，且能建立起土体处于极限平衡状态时理论破裂面形状和概念，在具体实用中，要注意边界条件是否符合朗肯理论的规定，以免得到错误的结果。库伦理论可适用于比较广泛的边界条件，包括各种墙背倾角、填土面倾角和墙背与土的摩擦角等，在工程中应用更广。被动土压力的计算、当和较小时，这两种古典土压力理论尚可应用，而当和较大时，误差都很大，均不宜采用。为了克服经典土压力理论适用范围的局限性《地基规范》提出一种在各种土质、直线形边界等条件下都能适用的土压力计算公式。主动土压力合力可按下列公式计算:2.4《地基规范》法acakrHE221当墙后的填土为粘性土，且表面有连续均布荷载q作用时：3、《建筑基坑支护技术规程》中规定的土压力荷载分析：（a）自重压力（b）坡顶均布压一、基坑计算基本理论水平荷载（主动土压力）水平抗力（被动土压力）水平荷载计算简图3、《建筑基坑支护技术规程》中规定的土压力•《建筑基坑支护技术规程》JGJ120‐99采用了朗肯土压力理论，并规定对于黏土及粉土采用水土合算；对于碎石土及砂土，采用水土分算；•当计算基坑底面以下各深度处的基坑外侧主动土压力时，规定竖向自重应力一律采用基坑底面标高处的数值。•当需要严格限制支护结构水平位移时，应采用静止土压力。•挡土墙验算过程中主要采用库伦土压力。3、《建筑基坑支护技术规程》中规定的土压力4、不同支挡型式采用的土压力计算方式支挡型式条件土压力计算模式选择挡土墙土质边坡《地基规范》公式填土无粘性土库伦支挡满足朗肯条件朗肯基坑支护朗肯严格限制位移静止土压力4、边坡稳定分析方法无粘性土坡——相对简单粘性土坡——复杂一、基坑计算基本理论两种情况AWNT分析方法：考虑为无限长坡考察一无限长坡，坡角为，分析一微单元A。破坏形式：表面浅层滑坡强度参数：内摩擦角无粘性土坡cosNW微单元A自重:W=VsinTW沿坡滑动力：对坡面压力：(由于无限土坡两侧作用力抵消)cosRNtgWtg抗滑力：cossinsRWtgFtgTWtg抗滑力滑动力抗滑安全系数：WRNAWNT4.1一般情况无粘性土土坡的稳定分析4.2粘性土坡的稳定分析强度参数：粘聚力C，内摩擦角破坏形式：危险滑裂面位置在土坡深处，对于均匀土坡，在平面应变条件下，其滑动面可用一圆弧（圆柱面）近似。OR4.2粘性土坡的稳定分析瑞典条分法毕肖普（Bishop）法简布(Janbu)法郎畏勒法斯宾塞（Spencer）法Morgenstern-Price法萨尔玛（Sarma）法不平衡推力法极限平衡分析方法确定性方法不确定性方法极限分析法数值分析法有限元法(FEM)边界元法(BEM)离散元法(DEM)快速拉格朗日分析法(FLAC)块体理论(BT)数值流形法(NMM)随机概率分析法（1）整体圆弧法(瑞典圆弧法)•均质土•二维•圆弧滑动面•滑动土体呈刚性转动•在滑动面上处于极限平衡状态ORdW2）平衡条件：各力对O的力矩平衡1）假设条件：•是将假定滑动面（圆弧滑动面）以上的土体分成n个垂直土条，对作用于各土条上的力进行力和力矩平衡分析，求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数。3）瑞典条分法AORCsbB-2-101234567•该法由于忽略土条之间的相互作用力的影响，因此是条分法中最简单的一种方法。•该方法计算出的安全系数偏低。（2）毕肖普（bishop）法CAORibBidiTiNiWiPiPi+1Hi+1Hi•均质土•二维•滑动面为圆弧•滑动土体呈刚性转动•不忽略条间作用力•每条在滑动面上处于极限平衡状态•每条上作用力在y方向（竖直）上静力平衡；•假定各土条底部滑动面上的抗滑安全系数均相同，即等于整个滑动面的平均安全系数，取单位长度边坡按平面问题计算；1）假设条件：平衡条件：总体对圆心O力矩平衡。1）特点a）任意形式滑裂面，不一定是圆弧b）满足各条X、Z静力平衡c）满足各条力矩平衡d）满足整体力矩平衡（3）简布（Janbu）法2）安全系数公式:•计算比较繁杂sec2iFs=[cilicosi+(wi+Hi)tgi](wi+Hi)tgi]1+tgitgi/Fs2345678910111P0=0P11=0分析方法瑞典法Bishop法Janbu法条间力的假定不考虑土条间作用力条间力合力方向水平假定条间力作用于土条底以上1/3处假设条件一般均质土一般均质土任意土（分层土）滑面形状圆弧圆弧任意计算精度Fs偏小10%较高比较难确定满足平衡条件力的平衡各条垂直力√√各条水平力××√力矩平衡整体力矩√√√各土条力矩××√（4）几种分析计算方法的对比5、土的抗剪强度指标值的选用（1）土的抗剪强度指标值选用应合理：指标值过高，有发生滑坡的可能；指标值过低，没有充分发挥土的强度，不经济；实际工程中，应结合边坡的实际加荷情况，填料的性质和排水条件等，合理的选用土的抗剪强度指标。如果能准确知道土中孔隙水压力分布，采用有效应力法比较合理。重要的工程应采用有效强度指标进行核算。对于控制土坡稳定的各个时期，应分别采用不同试验方法的强度指标。其实从实质上来说，有效应力法和总应力法并没有什么差别。只是在表示方法上有所不同，有效应力法在表示的时候需要用总应力减去孔隙水压力，而很多时候没有测定孔隙水压力，都是直接采用总应力法。通过分析可知：1）在不固结不排水情况下，土体抗剪强度采用两种方法是一样的，也就是有效应力圆和总应力圆的直径相同。2）固结不排水时，土体抗剪强度采用的两种方法采用的参数各不相同，也就是粘聚力和内摩擦角参数都不同。3）固结排水时，总应力总是等于有效应力，也就是说两种方法参数基本一致。（2）土的抗剪强度指标值比较（3）工程中选取原则有效应力法：使用有效应力强度指标c、总应力法：使用总应力强度指标cu或ccu、cu土体的抗剪强度参数的恰当选取是影响土坡稳定分析成果可靠性的主要因素。原则:(1)尽可能采用有效应力方法；(2)试验条件尽量符合土体的实际受力和排水条件。35二、理正软件计算内容简介1、单元计算–计算方法•经典法