CN105569050A - 一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法 - Google Patents

Abstract

一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法，包括确定基坑设计模型参数；确定内支撑布置形式；确定角撑（３）作用范围内相邻边界基坑侧壁总压力的大小；按照单支点桩静力平衡法确定侧壁总压力较小一侧围护结构的参数及角撑的内力；按照单支点桩静力平衡法确定侧壁总压力较大一侧围护结构的参数；根据各部分围护结构的最大弯矩及最大剪力确定围护结构材料及配筋；最后进行整体稳定性验算、抗倾覆验算、抗隆起稳定性验算。采用本发明提供的一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法，充分利用了围护结构的调节能力，使角撑结构两端压力对等，达到安全经济有效的支护目的，具有很高的推广应用价值。

Description

一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法

技术领域

本发明涉及一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法，属土木建筑工程施工技术领域。

背景技术

随着基坑支护技术的成熟，内支撑以其刚度大、控制变形能力强，不侵入基坑周围地下空间的优点越来越广泛的应用于各种大型基坑中。目前的内支撑，主要包括正交支撑形式、对撑角撑结合边桁架支撑形式、及圆环形支撑形式。

目前对于内支撑支护结构的设计，一般情况下，都是将基坑外侧的超载、水平土压力等侧向水平压力通过围护结构，全部通过坑内的内支撑系统进行平衡。围护体的设计主要是挡土、止水以及将水平力通过竖向抗弯的方式全部传递给内支撑，并不参与坑外水平力的分担。但在工程实际中，很多深大基坑通常都位于复杂的城市中，其周边分布各种高大建筑物，而且其坑边堆载及移动荷载的作用，使得基坑各边界的侧压力分布并不均衡。这就造成以内支撑为主的大型基坑支护存在安全隐患，对于以角撑为主的内支撑形式，若相邻边界的侧压力相差较大，不但不能发挥内支撑的优势，甚至造成支护失效。

因此，对于周边环境复杂，相邻边界侧压力不均衡的基坑，依据基坑的侧压力分布特点，对围护结构和角撑进行统筹分析，进行合理的支护设计，找到一种经济有效的支护方法，是一个很现实的技术问题。

发明内容

本发明的目的是，针对现有基坑支护角撑技术存在的问题，本发明提出一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法。

实现本发明的技术方案是，一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法，包括以下步骤：

(1)根据工程的地质勘探报告、建筑结构平面图等，明确各开边界土层、外部荷载等信息，简化基坑设计模型，确定大型基坑的各边界剖面参数，主要包括上部有效荷载分布，基坑深度与基坑各边界长度，以及3倍基坑深度范围内的地层土体的内摩擦角、粘聚力、容重及地下水位等；

(2)根据开挖基坑的尺寸形状及工程施工的需要，布置内支撑形式，应尽量规则均匀；相邻平行的主内支撑架通过桁架连接；根据一般工程经验，在充分发挥内支撑作用的同时，为避免内支撑的位置太低，造成基坑整体侧移，可设内支撑位于距地面0.3倍基坑深度的位置。

(3)按照朗肯土压力理论，计算单部角撑构件两端作用宽度范围内基坑侧壁上基坑深度范围内竖直方向的土压力分布，即距离地面z处的土压力值为 $e_a=K_a\·({\mathrm{\Σ\γ}}_i{z}_i+q)-2c\sqrt{K_a},$ 其中称为主动土压力系数；q是上覆荷载，kPa；c是计算点所在土体的粘聚力，kPa；是计算点所在土体的内摩擦角，°；γ_i是计算点上覆第i层土体的容重(水位以下的要按饱和重度参与计算)，KN/m³；z_i是计算点上覆第i层土体的厚度，m。再计算单部角撑构件两端作用长度范围内总的土压力大小。基坑角撑如图3所示。

(4)先对单部角撑构件作用范围内，基坑壁总压力小的一侧进行围护结构设计计算，设计该侧围护结构底端在基坑底以下Δh₁处(Δh₁单位为m)，相邻基坑侧壁总压力较小一侧的受力如图4所示。

基坑底部以下范围，围护结构外侧土压力仍按照朗肯主动土压力计算，围护结构内侧土压力则按照朗肯被动土压力计算，即距离坑底h处的土压力值为其中称为被动土压力系数；c是计算点所在土体的粘聚力，kPa；是计算点所在土体的内摩擦角，°；γ_i是计算点上覆基坑底以下的第i层土体的容重(水位以下的按饱和重度参与计算)，KN/m³；h_i是计算点上覆基坑底以下的第i层土体的厚度，m。计算围护结构外侧各层土压力的合力E_ai与围护结构内侧各层土压力的合力E_pi，对内支撑作用点求弯矩，依据ΣM_ai＝ΣM_Pi确定Δh₁值大小，其中M_ai为E_ai对内支撑点产生的弯矩，M_pi为E_Pi对内支撑点产生的弯矩；对支护结构进行水平静力平衡计算，并可得角撑的反力R＝(ΣE_ai-ΣE_Pi)/sinα＝T₁/sinα，其中α为单部角撑构件主撑构件与总压力较小的一侧基坑侧壁的夹角；T₁为角撑对基坑侧壁的作用力在垂直基坑侧壁方向上的分力。然后计算围护结构上最大弯矩M_max和最大剪力F_Smax。

(5)对于单部角撑构件两端作用范围内，总压力大的一侧，角撑构件对其的垂直作用力为T₂＝Rsinβ，其中β为单部角撑构件主撑构件与总压力较大的一侧基坑侧壁的夹角，相邻基坑侧壁总压力较大一侧的受力如图5所示。

设支护围护结构反弯点位于基坑底部以下Δh₀处，围护结构底端在基坑底部以下Δh₂(Δh₂≥Δh₀)处。围护结构反弯点以上的外侧部分和反弯点以下的内侧部分按照步骤三中的朗肯主动土压力进行计算，反弯点以下的外侧部分和反弯点以上的内侧部分按照步骤四中的朗肯被动土压力计算。分别计算各分层主动土压力的合力E_ai与各层被动土压力的合力E_pi，对内支撑点取矩，依据ΣE_ai＝ΣE_Pi建立方程一，并根据静力平衡条件T₂＝ΣE_外-ΣE_内，建立方程二，其中E_外是围护结构外侧的土压力合力；E_内是围护结构内侧的土压力合力。联立方程一和二可解得Δh₀、Δh₂，计算支护围挡结构上最大弯矩M_max，最大剪力F_Smax。

(6)根据各部分围护结构的最大弯矩及最大剪力确定各部分围护结构材料及配筋。最后进行整体稳定性验算、抗倾覆验算、抗隆起稳定性验算。

本发明的有益效果是，本发明综合考虑了围护结构和角撑的相互作用，充分利用了围护结构的调节作用，使相邻侧基坑边界侧压力不均衡的基坑通过围挡结构作用，传递到角撑上的力变为均等的，既保证了安全，又避免了单一加固角撑结构造成的浪费，具有很好的推广应用价值。

附图说明

图1本发明的原理示意图；

图2是简化基坑剖面模型图；

图3是基坑角撑示意图；

图4是相邻基坑侧壁总压力较小一侧的受力图；

图5是相邻基坑侧壁总压力较大一侧的受力图；

图中：1为上覆荷载；2为基坑底面；3为角撑；4为围护结构；5为角撑桁架；6为单个角撑构件两端作用范围；7为反弯点。

具体实施方式

现结合附图和具体实施例对本发明提出的不平衡基坑支护设计方法作进一步详细说明。本实施例选择江西省南昌市新建县某城中村改造工程，根据工程的相关资料查得地面1标高为0.0m，基坑深度为9m，东西方向长为40m，南北方向宽为20m，各层土体的参数如表1：

表1各土层参数设计值一览表

土层号	土层名称	土层厚度	r(KN/m3)	C(KPa)	φ(°)	K(m/d)
							①	杂填土	3.2	18	8	16	3.0
②	素填土	2.4	19.1	10	14	1.5
							③	粘土	3.0	19.5	25	32	0
④	淤泥质粉质粘土	4	17.9	13	15	0
							⑤	粉质粘土	3.2	20.1	26	21	2.5
⑥	粉细砂	4.1	19..65	0	27	18
							⑦	粉砂	7.0	20	0	24	18

地下水位一般为-6.0m左右。

设置内支撑3位于-3m处，单部角撑在长边上的作用范围长12m，在短边的作用范围长9m。因无外部荷载作用，故长边侧为总压力较大侧。对总压力较小侧进行围护结构分析，设出围护结够长度，在围护结构外侧按照朗肯主动土压力进行计算，在围护结构的内侧按照朗肯被动土压力进行计算，得到围护结构外侧各层土压力的合力E_ai与围护结构内侧基坑底以下各层土压力的合力E_pi，对内支撑点取矩，依据ΣM_ai＝ΣM_Pi确定单部角撑作用范围内，总压力较小侧基坑侧壁围护结构的深度为13m，角撑内力为106KN。

对于单部角撑构件两端作用宽度范围内，总压力大的一侧基坑侧壁，得出角撑对其的垂直作用力为65KN，设出支护围挡结构反弯点的位置和围护结构长度，对内支撑点取矩，依据ΣE_ai＝ΣE_Pi建立方程一，并根据静力平衡条件T₂＝ΣE_外-ΣE_内，建立方程二，确定总压力较大侧的围护结构深15m。

跟一般基坑支护内支撑设计方法相比，本发明提供的方法避免了角撑两端压力不对等的情况，避免了安全隐患。

Claims (8)

1.一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法，其特征在于，所述方法包括：

确定基坑的剖面参数；设置内支撑的布置形式；

确定单部角撑构件两端作用范围内，基坑侧壁上基坑深度范围内的总压力大小；

确定单部角撑构件作用范围内基坑侧壁总压力较小一侧围护结构的参数及角撑的内力；

确定单部角撑构件作用范围内基坑侧壁总压力较大一侧支护结构的参数；

根据各部分围护结构的最大弯矩及最大剪力确定围护结构材料及配筋；

进行整体稳定性验算、抗倾覆验算、抗隆起稳定性验算。

2.根据权利要求1所述的一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法，其特征在于，所述基坑的剖面参数包括上部有效荷载分布，基坑深度与基坑各边界长度，以及3倍深基坑深度范围内的地层土体的内摩擦角、粘聚力及饱和重度及基坑边界上的荷载。

3.根据权利要求1所述的一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法，其特征在于，所述内支撑的布置形式为，相邻平行的主内支撑架通过桁架连接，内撑位于距地面0.3倍基坑深度的位置。

4.根据权利要求1所述的一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法，其特征在于，所述单部角撑构件两端作用宽度范围内，计算基坑侧壁上基坑深度范围内竖直方向的土压力分布，即距离地面z处的土压力值为 $e_a=K_a\·({\mathrm{\Σ\γ}}_i{z}_i+q)-2c\sqrt{K_a}$

其中为主动土压力系数；q是上覆荷载，kPa；c是计算点所在土体的粘聚力，kPa；是计算点所在土体的内摩擦角，单位为°；γ_i是计算点上覆第i层土体的容重，单位为KN/m³；z_i是计算点上覆第i层土体的厚度，单位为m；再计算单部角撑构件两端作用长度范围内总的土压力大小。

5.根据权利要求1所述的一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法，其特征在于，所述基坑侧壁总压力较小一侧的围护设计和计算，先设围护结构底端在基坑底以下Δh₁处；基坑底部以下范围，围护结构外侧土压力仍按照朗肯主动土压力计算，围护结构内侧土压力则按照朗肯被动土压力计算；计算围护结构外侧各层土压力的合力E_ai与围挡结构内侧各层土压力的合力E_pi，对内支撑作用点求弯矩，依据内支撑作用点弯矩平衡，确定Δh₁值大小；然后根据水平静力平衡计算角撑的反力；最后计算围护结构上最大弯矩M_max和最大剪力F_Smax。

6.根据权利要求1所述的一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法，其特征在于，所述基坑侧壁总压力较大的一侧的支护设计和计算，先计算单部角撑构件对其的垂直作用力；然后设围挡结构反弯点位于基坑底部以下Δh₀处，支挡结构底端在基坑底部以下Δh₂(Δh₂≥Δh₀)处；围护结构反弯点以上的外侧部分和反弯点以下的内侧部分按照朗肯主动土压力进行计算，围护结构反弯点以下的外侧部分和反弯点以上的内侧部分按照朗肯被动土压力计算；再分别计算各分层主动土压力的合力E_ai与各层被动土压力的合力E_pi，对内支撑点取矩，依据弯矩平衡和水平静力平衡，建立方程组解出Δh₀、Δh₂；最后计算围护结构上最大弯矩M_max，最大剪力F_Smax。

7.根据权利要求5所述的一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法，其特征在于，所述围护结构外侧土压力值为：

距离坑底h处的土压力值为其中为被动土压力系数；c是计算点所在土体的粘聚力，单位为kPa；是计算点所在土体的内摩擦角，单位为°；γ_i是计算点上覆基坑底以下的第i层土体的容重，单位为KN/m³；h_i是计算点上覆基坑底以下的第i层土体的厚度，单位为m。

8.根据权利要求5所述的一种相邻边界侧压力不均衡基坑角撑支护结构设计方法，其特征在于，所述角撑的反力按下式计算：

其中α为单部角撑构件主撑构件与总压力较小的一侧基坑侧壁的夹角；T₁为角撑对基坑侧壁的作用力在垂直基坑侧壁方向上的分力。