GEO5与理正岩土挡土墙计算结果对比.pdf

1 GEO5 与其他岩土软件计算结果对比 1 GEO5 与理正岩土挡土墙计算结果对比 在挡土墙计算中 基本所有的不同形式挡土墙的计算都是相同的 主要的不同在于不同 形式挡土墙的截面强度验算所选验算截面会有所同 该节通过重力式挡土墙的计算 从土压 力 倾覆滑移安全系数 水压力 地基承载力等方面对比了 GEO5 挡土墙计算和理正岩土 挡土墙模块的计算结果 以说明 GEO5 和理正岩土的异同点 而所有验算中 起决定性作 用的主要是土压力的计算结果 1 1 均质土 非粘性土 基本参数 1 墙身尺寸 墙身尺寸 采用如下图所示挡墙截面尺寸 2 岩土材料 岩土材料 土体名称 天然重度 kN m3 内摩擦角 粘聚力 kPa 结构和土体间摩擦角 基底摩擦系数 砂土 19 30 0 12 0 3 3 两者都不考虑地下水 超载 作用力 地震荷载等影响 而且假设前后坡面都为水平 2 结果与讨论 倾覆稳定性验算 滑移稳定性验算 倾覆力矩 k mNm 抗倾覆力矩 k mNm 安全系数 滑动水平分力 kN m 抗滑水平分力 kN m 安全系数 GEO5 14 77 39 87 2 7 17 73 14 93 0 84 理正 14 774 39 866 2 698 17 729 14 931 0 842 结论结论 可以看到 当土层是非粘性土的时候 GEO5 和理正计算出的土压力大小是一模一样的 倾覆滑移验算结果也是一样的 1 2 均质土 粘性土 基本参数 1 墙身尺寸 墙身尺寸 采用和 1 1 节相同的挡墙截面尺寸 2 岩土材料 岩土材料 土体名称 天然重度 kN m3 内摩擦角 粘聚力 kPa 结构和土体间摩擦角 基底摩 擦系数 砾质粉土 软 可塑 19 25 5 12 0 3 3 两者都不考虑地下水 超载 作用力 地震荷载等影响 而且假设前后坡面都为水平 土压力计算方法 土压力大小 kN m 土压力作用位置 距离墙底 m GEO5 库伦土压力理论 18 13 0 83 理正 库伦土压力理论 18 125 0 833 3 结果与讨论 倾覆稳定性验算 滑移稳定性验算 倾覆力矩 k mNm 抗倾覆力矩 k mNm 安全系数 滑动水平分力 kN m 抗滑水平分力 kN m 安全系数 GEO5 5 52 37 84 6 85 9 79 14 42 1 47 理正 5 325 37 778 7 095 9 544 14 409 1 51 讨论 讨论 可以看粘性土的库伦土压力 GEO5 计算结果比理正稍大 不过土压力作用点位置一样 因此 GEO5 计算得到的倾覆滑移安全系数和理正相比也较保守 经典的库伦土压力是无法考虑粘性土的 中国规范中也没有给出粘性土的库伦土压力 公式 在理正中 其采用的是力的多边形来考虑粘聚力的影响 图 1 而 GEO5 通过引入 Kac 粘聚力产生的土压力系数 来考虑粘聚力的影响 式 1 图 1 理正计算粘性土土压力的方法 GEO5 中考虑粘性土库伦土压力的方法 土压力计算方法 土压力大小 kN m 土压力作用位置 距离墙底 m GEO5 库伦土压力理论 10 01 0 558 理正 库伦土压力理论 9 757 0 56 4 2 azaac KcK 式 1 式中 当 4 cos ahc ac K K coscoscos 1tan tan 1 sin ahc K 当 4 aca KK 其中 土体内摩擦角 结构与土体间的摩擦角 墙后坡面的倾角 墙背与竖直线的夹角 参考文献 Arnold Verruijt Soil mechanics Delft University of Technology 2001 2006 更多帮助信息请参阅 GEO5 用户手册 F1 进一步的比较可以发现 对于粘性土 GEO5 计算出来的库伦土压力和理正岩土得到的 库伦土压力方向也是相同的 也就是说在相同的作用点和同样的方向 GEO5 搜索得到了更 大一点的主动土压力 对于本节的例题 进一步对地基承载力的验算进行了比较 由于土压力的差别 最终得 到的基底作用力有一点点区别 但是换做非粘性土时 基底作用力完全一致 当基底偏心距 为正时 法向力合力作用点偏向墙趾 若 GEO5 中选择中国规范最为验算方法 则地基承 载力的验算 GEO5 和理正完全一致 这里需要单独说明的是偏心距为负时 法向力合力作 用点偏向墙踵 的情况 该例题中计算得到的偏心距为负 下表是 GEO5 和理正给出的计 算结果 承载力验算 偏心距 基底应力 GEO5 0 Pk 40 07 理正 0 076 Pk 40 024 Pk max 55 172 Pk min 24 876 可以注意到 在 GEO5 中 当计算出的偏心距为负的时候 软件会自动取偏心距的值为 0 从而考虑基底应力为均布 也就是说 此时 GEO5 值计算出 Pk 的值 根据 建筑地基基 5 础设计规范 GB 50007 2011 地基承载力验算通过下面两个验算公式来进行 Pk fa 式 2 Pk max h2 则计算公式中 的 h1 和 h2 应当互换 也就是说浸水面积始终由下游水位确定 GEO5 和理正计算结果的区别就在于浮托力的计算 渗透压力的计算是相同的 GEO5 中直接通过将浸水面积内的墙体容重替换为 w 来考虑浮托力 其中 为墙体重度 w 为水重度 这就是为什么有地下水时 GEO5 计算结果中的墙体重力减小的原因 当然 当 只有墙体一侧有地下水时是不考虑浮托力作用的 理正对浮托力的计算进行了简化 并没有考虑准确的浸水面积 理正中直接将浮托力考 虑为一矩形均布力 大小为 1 w FhD 浮 这样计算的问题在于 当挡墙存在墙趾墙踵 或 挡墙墙面 墙背不垂直时 理正还考虑了下图红色区域 B 的浮托力 而这部分根本没有 墙体 也就是说理正的浮托力和实际情况相比是偏大的 计算结果过于保守 14 在计算结果上 GEO5 和理正对扬压力的考虑除了上述区别 还有另外一点区别 在 GEO5 中浮托力和扬压力是分开考虑的 浮托力在计算倾覆力矩和抗倾覆力矩之前已经通过 折减墙体重量进行了考虑 也就说浮托力的作用使得墙体产生的抗倾覆力矩减小了 不过渗 透压力产生的力矩在 GEO5 中是作为倾覆力矩考虑的 换句话说 GEO5 中的浮托力是负的 抗倾覆力矩 而渗透压力是正的倾覆力矩 理正中将浮托力和渗透压力作为一个力来考虑 产生的力矩统一是为倾覆力矩 而 GEO5 中浮托力的部分相当于是作为负的抗倾覆力矩来 考虑的 结论 结论 当挡墙前后都有地下水时 GEO5 中浮托力大小为墙体浸水面积产生的浮力 而理正则 对公式进行了简化 没有考虑墙趾上作用的水压力 计算结果和实际浮力相比偏大 在抗倾覆验算方面 GEO5 因为挡墙浸水部分采用墙体的浮重度 因此浮托力产生的力 矩在计算安全系数时相当于负的抗倾覆力矩 而理正因为将浮托力和渗透压力统一考虑 因 此 浮托力和渗透压力一样 产生的力矩在计算安全系数时都作为倾覆力矩考虑 1 9 均质非粘性土 地震作用 基本参数 1 考虑有一个设防烈度为 8 度 0 2g 的水平地震作用 2 其他参数与 1 1 节中一样 结果与讨论 作用在墙体上的地震力 kN m 土压力 kN m 地震引起的土压力 kN m 15 GEO5 2 30 18 13 1 93 理正 2 30 20 060 倾覆稳定性验算 滑移稳定性验算 倾覆力矩 k mNm 抗倾覆力矩 k mNm 安全系数 滑动水平分力 kN m 抗滑水平分力 kN m 安全系数 GEO5 20 33 40 35 1 98 21 92 15 05 0 69 理正 18 785 40 348 2 148 21 921 15 051 0 687 讨论 讨论 首先需要说明的一点是 虽然理正和 GEO5 中选择的地震大小均为 8 度 0 2g 但实 际计算采用的地震加速度为 0 2g Cz Ci 其中 Cz 为综合影响系数 这里取 0 25 Ci 为地震 作用重要性系数 这里取 1 0 也就是说 采用中国规范时 实际计算采用的地震加速度往 往是抗震设防烈度中加速度的四分之一 在理正的计算结果中 理正给出的是土压力和地震引起的土压力的合力 而 GEO5 的 计算结果是分别给出的 这对实际的计算没有影响 两者的最终结果是一样的 但是 从第二张表格可以注意到 GEO5 和理正计算的倾覆安全系数有所差异 差异产 生的原因在于地震引起的土压力作用点不同 不同的理论建议的地震引起的土压力作用点不 一样 一般在 0 33 0 7H H 结构高度 之间选择 GEO5 默认选择 0 66H 作为地震引起的 土压力作用点 而理正选择 0 33H 显然 在有地震荷载时 GEO5 算出的抗倾覆稳定安全 系数偏保守 如果在 地震荷载 界面中把 GEO5 中的地震的合力作用点改为 0 33H GEO5 和理正的计算结果将一模一样的 需要另外说明的一点是 理正中不可以设置地震引起的土 压力的作用位置 1 10 考虑超载作用 基本参数 1 1 添加一个条形超载 大小 59 1kN m 2 长度 3 4m 16 注 在理正中是通过换算土柱的方法的来计算超载的 所以 59 1 换算成土柱为 高 2 9m 宽 3 4m 根据 铁路路基设计规范 附录 A 来换算 2 2 其他参数与 1 1 节中一样 结果与讨论 土压力 kN m 作用位置 距墙底 m 超载引起的土压力 kN m 作用位置 距墙底 m GEO5 18 13 0 83 44 51 1 24 理正 61 127 1 127 倾覆稳定性验算 滑移稳定性验算 倾覆力矩 k mNm 抗倾覆力矩 k mNm 安全系数 滑动水平分力 kN m 抗滑水平分力 kN m 安全系数 GEO5 68 69 50 97 0 74 61 27 17 71 0 29 理正 67 963 50 719 0 746 60 280 17 644 0 293 讨论 讨论 可以看到 GEO5 和理正在有超载时计算结果是一样的 值得注意的一点是 在结果输 17 出中 GEO5 分别给出了土压力和超载引起的土压力 而理正直接给出的是两者的合力 下 面把挡墙加高到 6m 再次比较计算结果 土压力 kN m 作用位置 距墙底 m 超载引起的土压力 kN m 作用位置 距墙底 m GEO5 104 4 0 20 94 56 3 34 理正 207 156 2 5 倾覆稳定性验算 滑移稳定性验算 倾覆力矩 k mNm 抗倾覆力矩 k mNm 安全系数 滑动水平分力 kN m 抗滑水平分力 kN m 安全系数 GEO5 513 06 275 61 0 54 194 61 58 81 0 30 理正 506 572 278 847 0 550 202 629 59 324 0 293 结论结论 当墙后坡面作用有条形超载时 GEO5 的计算结果和理正相同 2 0 均质粘性土 郎肯土压力理论 基本参数 1 岩土材料 岩土材料 土体名称 天然重度 3 k mN 内摩擦角 粘聚力 kPa 结构和土体间摩擦角 基底摩擦系数 砾质粉土 软可塑 19 25 5 0 0 3 2 其他参数与 1 2 节一样 结果与讨 计算土压力方法 计算出土压力大小 kN m 土压力作用位置 距离墙底 m 18 倾覆稳定性验算 滑移稳定性验算 倾覆力矩 k mNm 抗倾覆力矩 k mNm 安全系数 滑动水平分力 kN m 抗滑水平分力 kN m 安全系数 GEO5 6 03 35 34 5 86 10 80 13 80 1 28 理正 6 404 35 343 5 519 11 021 13 800 1 252 讨论 讨论 对于这个简单的朗肯土压力模型 理正和 GEO5 的计算结果应当相同 但是两者计算 结果却有一点差别 所以我们通过手算来验证一下计算结果 2 0 0 2 1 H z