CN105586974B - 一种基坑支挡结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基坑支挡结构设计方法，包括以下步骤：建立基坑支挡结构的计算模型；计算基坑支挡结构的内支撑轴力；计算挡土构件水平位移分布值及其最大值；判断最大值是否满足工程要求；采用对内支撑施加变形来控制挡土构件的水平位移。本发明考虑温度影响和支撑点水平位移限值来设计内支撑结构，可充分利用内支撑的刚度和强度，优化挡土结构，有效控制挡土结构位移，降低基坑施工风险，具有简单、实用、经济等优点，可用于风险预防和应急处置，具有良好的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于基坑工程技术领域。
背景技术
随着城市建设步伐的加快，城市地下工程建设方兴未艾，深大基坑开挖不断涌现，在基坑工程中，其支挡结构常采用地连墙+内支撑结构。《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)中规定，在计算作用在支挡结构上的水平荷载时，应考虑“冻胀、温度变化等产生的作用”，而相关计算公式中未考虑温度变化的影响；在结构分析时，“内支撑结构可按平面结构进行分析，挡土结构传至内支撑的荷载应取挡土结构分析时得出的支点力；对挡土结构和内支撑结构分别进行分析时，应考虑其相互之间的变形协调”。因此，当周边环境工程对变形要求比较高时，常采用加固地基土和提高支挡结构刚度等措施，但在加固土体施工时先扰动土体，扰动土体常影响周边环境工程变形，造成如道路路面隆起、开裂等情况；提高支挡结构刚度将加大投资等，也由于岩土工程的复杂性，其计算参数的不准确，设计计算的力和变形常与实际不符合，因此，在基坑工程施工时，工程安全风险突出。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基坑支挡结构设计方法，考虑环境温度对支撑变形与受力及支撑点变形限值，解决基坑工程支挡结构设计计算与控制方法存在的不足，控制基坑周边环境工程的变形问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基坑支挡结构设计方法，包括以下步骤：
(1)建立基坑支挡结构的计算模型；
(2)在考虑温度变化和施加轴向变形的影响的情况下计算基坑支挡结构的内支撑轴力；
(3)步骤(1)的支挡结构计算模型和步骤(2)的内支撑轴力计算挡土构件水平位移分布值及其最大值；
(4)判断步骤(3)中的最大值是否满足工程要求；
(5)采用对内支撑施加变形来控制挡土构件的水平位移。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：
所述基坑支挡结构的计算模型包括挡土构件，所述挡土构件的内侧设有内支撑，所述挡土构件的下部伸入基坑内土体中，基坑内土体中设有沿所述挡土构件的下部的外侧均布的垂直于所述挡土构件的多根土内模拟弹簧，所述挡土构件的上端与内支撑齐平，所述挡土构件的上端设有与所述土内模拟弹簧方向一致的内支撑模拟弹簧。
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
a)确定内支撑的温度变化为ΔT(单位：℃)及其轴力变化为ΔFT(单位：kN)；
b)对内支撑施加轴力ΔFc(单位：kN)使其产生轴向变形Δδc(单位：m)；
c)获取内支撑的支撑点水平位移ΔVR(单位：m)及其水平力变化ΔFh(单位：kN)；
d)根据式(7)计算内支撑轴力Fh(单位：kN)；
式中：α——内支撑材料的线膨胀系数；
E——内支撑材料的弹性模量(单位：kN/m4)；
A——内支撑的截面积(单位：m2)；
I0——内支撑的长度m；
kR——计算宽度内弹性支点刚度系数，按《建筑基坑支护技术规程》(CJGJ120-2012)中规定计算或取值；
VR——挡土构件在支点处的水平位移值m；
VR0——设置支点时，支点的初始水平位移值(单位：m)；
Ph——挡土构件计算宽度内的法向预加力(单位：kN)。
根据内支撑的温度变化为ΔT(单位：℃)及其轴力变化为ΔFT(单位：kN)，内支撑变形控制系统施加给内支撑产生的轴向变形为Δδc(单位：m)及其轴力ΔFc(单位：kN)，支撑点水平位移为ΔVR(单位：m)及其水平力变化ΔFh(单位：kN)，内支撑轴力Fh(单位：kN)的计算公式如下：
Fh＝ΔFT+ΔFc+ΔFh+Ph (1)
ΔFT＝α·ΔT·E·A (2)
ΔFh＝kR·ΔVR0 (4)
Ph＝kR·VR0 (5)
VR＝ΔVR+VR0 (6)
将式(2)式-(6)代入式(1)，则内支撑轴力的计算公式为：
所述步骤(2)中考虑温度变化具体是指根据当地气温变化，分别确定和计算ΔT与Δδc的取值范围。
所述步骤(5)具体是指根据式(8)，通过增大或减小内支撑产生的轴向变形Δδc来控制挡土构件在支点处的水平位移值VR，
式中σCmax——取内支撑材料极限抗压强度标准值与内支撑失稳时应力设计标准值的小值(kPa)。
本发明的有益效果是：本发明考虑温度影响和支撑点水平位移限值来设计内支撑结构，可充分利用内支撑的刚度和强度，优化挡土结构，有效控制挡土结构位移，降低基坑施工风险，具有简单、实用、经济等优点，可用于风险预防和应急处置，具有良好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1是本发明的基坑支挡结构的计算模型示意图，其中，qo为地面均布荷载，A点是支撑点，即计算点。
具体实施方式
参照附图。
为了解决内支撑4受温度变化影响产生温度应力和温度荷载，同时也为了控制挡土结构1水平位移，针对支挡结构计算模型中相关计算参数，提出了基坑支挡结构设计计算与控制方法。
一种基坑支挡结构设计方法，包括以下步骤：
(1)建立基坑支挡结构的计算模型：所述基坑支挡结构的计算模型包括挡土构件1，所述挡土构件1的内侧设有内支撑4，所述挡土构件1的下部伸入基坑内土体中，基坑内土体中设有沿所述挡土构件1的下部的外侧均布的垂直于所述挡土构件的多根土内模拟弹簧3，所述挡土构件1的上端与内支撑4齐平，所述挡土构件1的上端设有与所述土内模拟弹簧3方向一致的内支撑模拟弹簧2。
(2)在考虑温度变化和施加轴向变形的影响的情况下计算基坑支挡结构的内支撑轴力；
(3)步骤(1)的支挡结构计算模型和步骤(2)的内支撑轴力计算挡土构件水平位移分布值及其最大值；
(4)判断步骤(3)中的最大值是否满足工程要求；
(5)采用对内支撑施加变形来控制挡土构件的水平位移。
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
a)确定内支撑的温度变化为ΔT(单位：℃)及其轴力变化为ΔFT(单位：kN)；
b)对内支撑施加轴力ΔFc(单位：kN)使其产生轴向变形Δδc(单位：m)；
c)获取内支撑的支撑点水平位移ΔVR(单位：m)及其水平力变化ΔFh(单位：kN)；
d)根据式(7)计算内支撑轴力Fh(单位：kN)；
式中：α——内支撑材料的线膨胀系数；
E——内支撑材料的弹性模量(单位：kN/m4)；
A——内支撑的截面积(单位：m2)；
I0——内支撑的长度m；
kR——计算宽度内弹性支点刚度系数，按《建筑基坑支护技术规程》(CJGJ120-2012)中规定计算或取值；
VR——挡土构件在支点处的水平位移值m；
VR0——设置支点时，支点的初始水平位移值(单位：m)；
Ph——挡土构件计算宽度内的法向预加力(单位：kN)。
根据内支撑的温度变化为ΔT(单位：℃)及其轴力变化为ΔFT(单位：kN)，内支撑变形控制系统施加给内支撑产生的轴向变形为Δδc(单位：m)及其轴力ΔFc(单位：kN)，支撑点水平位移为ΔVR(单位：m)及其水平力变化ΔFh(单位：kN)，内支撑轴力Fh(单位：kN)的计算公式如下：
根据内支撑的温度变化为ΔT(单位：℃)及其轴力变化为ΔFT(单位：kN)，内支撑变形控制系统施加给内支撑产生的轴向变形为Δδc(单位：m)及其轴力ΔFc(单位：kN)，支撑点水平位移为ΔVR(单位：m)及其水平力变化ΔFh(单位：kN)，内支撑轴力Fh(单位：kN)的计算公式如下：
Fh＝ΔFT+ΔFc+ΔFh+Ph (1)
ΔFT＝α·ΔT·E·A (2)
ΔFh＝kR·ΔVR0 (4)
Ph＝kR·VR0 (5)
VR＝ΔVR+VR0 (6)
将式(2)式-(6)代入式(1)，则得到内支撑轴力的计算公式-式(7)。
所述步骤(2)中考虑温度变化具体是指根据当地气温变化，分别确定ΔT与Δδc的取值范围。
所述步骤(5)具体是指根据式(8)，通过增大或减小内支撑产生的轴向变形Δδc来控制挡土构件在支点处的水平位移值VR。
本发明的实践中的具体实施步骤如下：
步骤一：按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ1202012)相关规定，分别计算支挡结构外侧各层土中计算点的主动土压力强度标准值pak(kPa)与土压力计算宽度ba(m)、内侧各土层分布土反力ps(kPa)与初始土反力ps0(kPa)及计算宽度bo(m)等。
步骤二：计算或选取式(7)和式(8)中的相关常量值，包括α、E、A、I0、kR和σCmax。
步骤三：根据当地气温变化和式(8)，分别确定和计算ΔT与Δδc的取值范围。
步骤四：分别取ΔT与Δδc的平均值，利用式(7)建立Fh与VR线性关系，
并代入图1所示的支挡结构设计计算模型，计算出挡土构件水平位移分布值
及其最大值。判断其最大值是否满足工程要求，若不满足工程要求，则需进
一步优化设计挡土结构1或采取加固土体措施(例如挡土结构加宽、加深，
土体采用高压旋喷桩加固等)，直至满足工程要求为止。
步骤五：由于土体参数取值的不准确性和基坑工程施工复杂性，在基坑工程
施工全过程，需要对温度、轴力、水平位移及地下水位等进行监控量测与信
息反馈，并根据实测数据，通过式(8)，不断调整Δδc值来控制VR值，以
满足工程要求，
式中：σCmax——取内支撑材料极限抗压强度标准值与内支撑失稳时应力设计标准值的最小值(kPa)。
Claims (3)
1.一种基坑支挡结构设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)建立基坑支挡结构的计算模型；所述基坑支挡结构的计算模型包括挡土构件，所述挡土构件的内侧设有内支撑，所述挡土构件的下部伸入基坑内土体中，基坑内土体中设有沿所述挡土构件的下部的外侧均布的垂直于所述挡土构件的多根土内模拟弹簧，所述挡土构件的上端与内支撑齐平，所述挡土构件的上端设有与所述土内模拟弹簧方向一致的内支撑模拟弹簧；
(2)在考虑温度变化和施加轴向变形的影响的情况下计算基坑支挡结构的内支撑轴力；
(3)根据步骤(1)的支挡结构计算模型和步骤(2)的内支撑轴力计算挡土构件水平位移分布值及其最大值；
(4)判断步骤(3)中的最大值是否满足工程要求；
(5)采用对内支撑施加变形来控制挡土构件的水平位移；
所述步骤(2)具体包括以下步骤：
a)确定内支撑的温度变化为ΔT及其轴力变化为ΔFT，温度变化ΔT的单位为℃，轴力变化ΔFT的单位为kN；
b)对内支撑施加轴力ΔFc，使其产生轴向变形Δδc，轴力ΔFc的单位为kN，轴向变形Δδc的单位为m；
c)获取内支撑的支撑点水平位移ΔVR及其水平力变化ΔFh，水平位移ΔVR的单位为m,水平力变化ΔFh的单位为kN；
d)根据式(7)计算内支撑轴力Fh，内支撑轴力Fh的单位为kN；
式中：α——内支撑材料的线膨胀系数；
E——内支撑材料的弹性模量，单位为kN/m4；
A——内支撑的截面积，单位为m2；
I0——内支撑的长度，单位为m；
kR——计算宽度内弹性支点刚度系数，按《建筑基坑支护技术规程》(CJGJ120-2012)中规定计算或取值；
VR——挡土构件在支点处的水平位移值，单位为m。
2.如权利要求1所述的一种基坑支挡结构设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中考虑温度变化具体是指根据当地气温变化，分别确定和计算ΔT与Δδc的取值范围。
3.如权利要求1所述的一种基坑支挡结构设计方法，其特征在于：所述步骤(5)具体是指根据式(8)，通过增大或减小内支撑产生的轴向变形Δδc来控制挡土构件在支点处的水平位移值VR，
式中：σCmax——取内支撑材料极限抗压强度标准值与内支撑失稳时应力设计标准值的最小值，单位为kPa。
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