CN108487258A - 一种粉砂土地层刚性围护结构非平衡设计方法 - Google Patents

一种粉砂土地层刚性围护结构非平衡设计方法 Download PDF

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Abstract

一种粉砂土地层刚性围护结构非平衡设计方法，包括以下步骤：（1）确定非平衡基坑的剖面参数以及土体物理力学参数；（2）确定围护结构的位移模式和模型简图；（3）基于应力应变关系对内支撑轴力进行计算；（4）分别对基坑较深侧和较浅侧围护结构的主动土压力和被动土压力进行计算，并根据力矩平衡和水平力平衡确定两侧支护结构的深度；（5）分别计算两侧支护结构的最大弯矩及最大剪力，并根据最大弯矩和最大剪力分别确定两侧支护结构的材料及配筋；（6）进行整体稳定性验算、抗倾覆验算、抗隆起稳定性验算。本发明克服了常规基坑设计方法中无法考虑的非平衡开挖情况，能够对非平衡支护结构进行整体的受力分析，并合理设计两侧支护结构。

Description

一种粉砂土地层刚性围护结构非平衡设计方法
技术领域
本发明涉及一种粉砂土地层刚性围护结构非平衡设计方法，属土木工程施工技术领域。
背景技术
随着我国土地资源的日益紧张以及地下空间建设的快速发展，非平衡开挖的基坑越来越常见，常规的计算方法只能应用于围护结构在基坑对称开挖情况下的设计。
目前，对于非平衡开挖的基坑，现行《建筑基坑支护技术规程》规定按最不利作用效应一侧进行设计计算，该处理方法会造成投资和施工量的增大。基坑两侧开挖深度的不同将导致基坑支护结构上两侧受到的土压力分布不同，从而使得两侧支护结构内力分布不对称，两侧支护结构所需的深度也将有所不同。
综上所述，考虑工程实际情况，对于粉砂土地层刚性围护结构在非平衡开挖情况下进行合理设计，节约投资和施工量，防范工程风险，是非常有工程应用价值的技术问题。
发明内容
本发明的目的是，针对上述现有技术存在的问题，提供一种粉砂土地层刚性围护结构非平衡设计方法，对非平衡开挖情况下的粉砂土地层刚性围护结构进行合理设计。
本发明实现的技术方案为，一种粉砂土地层刚性围护结构非平衡设计方法，其步骤如下：
(1)确定非平衡基坑的剖面参数以及土体物理力学参数；
(2)确定围护结构的位移模式和模型简图；
(3)基于应力应变关系对内支撑轴力进行计算；
(4)分别对基坑较深侧和较浅侧围护结构的主动土压力和被动土压力进行计算，并根据力矩平衡和水平力平衡确定两侧支护结构的深度；
(5)分别计算两侧支护结构的最大弯矩及最大剪力，并根据最大弯矩和最大剪力分别确定两侧支护结构的材料及配筋；
(6)进行整体稳定性验算、抗倾覆验算、抗隆起稳定性验算。
所述内支撑轴力计算表达式如下：
式中：Δs是两倍的基坑围护结构容许位移值；B是支撑的计算长度；E是支撑材料的弹性模量；A是支撑的截面积；S是支撑的水平间距；b是模型的平面计算宽度，一般假定为1m；
所述基坑较深侧和较浅侧围护结构的主动土压力计算式如下：
式中：L为待求的基坑较深侧以及较浅侧的桩长；sa为土体的主动极限位移，取0.001～0.005L；是土层的等效重度，对多层土层通过分层总和法求得；δ是支护结构与土体间的外摩擦角；smax为支护结构的容许位移值；K0为静止土压力系数；z为土压力计算处的深度；Ka为库伦主动土压力系数；
式中：是土层的等效内摩擦角，对多层土层通过分层总和法求得；
所述基坑较深侧和较浅侧围护结构的被动土压力计算式如下：
式中：h为基坑的开挖深度；sp为土体的被动极限位移，取0.01～0.05(L－h)；Kp为库伦主动土压力系数：
所述两侧支护结构的深度确定方法如下：根据对转动点取矩和以及支撑处水平力平衡分别确定较深侧与较浅侧支护结构的桩长L：
其中，N为内支撑轴力。
所述非平衡基坑的剖面参数包括基坑较深侧的开挖深度与基坑较浅侧的开挖深度；所述土体物理力学参数包括三倍较深侧开挖深度范围内土层的内摩擦角φ及重度γ。
所述围护结构的位移模式，为绕坑底下一点向坑内转动，围护结构的位移最大值位于围护桩桩顶，该位移最大值由基坑围护结构的容许位移值确定。
本发明的有益效果在于，采用本发明提供的粉砂土地层刚性围护结构非平衡设计方法，克服了常规基坑设计方法中无法考虑的非平衡开挖情况，能够对非平衡支护结构进行整体的受力分析，合理设计两侧支护结构，计算方法简单可行，可以在确保安全的前提下有效节约工程造价，减小施工量，具有很好的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明的粉砂土地层刚性围护结构非平衡设计方法示意图；
图2是简化基坑剖面模型图(含支护结构位移模式)；
图3是基坑整体受力分析示意图；
图中：1为内支撑；2为浅侧支护结构；3为深侧支护结构；4为支护结构位移模式；5为浅侧开挖区坑底；6为深侧开挖区坑底；7为转动点。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示本实施例粉砂土地层刚性围护结构非平衡设计的具体步骤如下：
S1：确定非平衡基坑的剖面参数以及土体物理力学参数：
如图2所示，某非平衡基坑的剖面参数如下：
基坑地面标高为0，浅侧开挖区坑底5标高为－6.0m，深侧开挖区坑底6标高为－8.0m。即深侧开挖深度h1＝8.0m，浅侧开挖深度h2＝6.0m。
于支护结构顶部设一道内支撑1，支撑长度B＝30m，支撑刚度EA为1.854×106kN，支撑水平间距S＝15m。
三倍较深侧开挖深度范围内的土体物理力学参数如表1所示：
表1土层参数
对多层土体进行分层总和法处理，得到地层土体的等效内摩擦角等效有效重度
S2：确定围护结构的位移模式，确立模型简图；
支护结构的容许位移值smax＝5cm，位移最大值位于围护桩桩顶，围护结构的位移模式，为绕坑底下一转动点向坑内转动，含位移模式的模型简图如图2所示。
S3：基于应力应变关系对内支撑轴力进行计算；
S4：分别对基坑较深侧和较浅侧围护结构的主动土压力和被动土压力进行计算，并根据力矩平衡和水平力平衡确定两侧支护结构的深度；基坑整体受力分析如图3所示。
S41：基于位移修正，分别计算基坑较深侧和较浅侧围护结构的主动土压力：
S42：基于位移修正，分别计算基坑较深侧和较浅侧围护结构的被动土压力：
S43：根据对转动点取矩，可获得支撑轴力的计算式：
将S41、S42得到的主动土压力、被动土压力计算式代入S43的支撑轴力计算式，对较深侧和较浅侧的计算式中均有支护结构的深度L一个未知数，将S3求得的内支撑轴力N＝412kN代入计算，解得浅侧围护结构和深侧围护结构的桩长分别为10.4m，17.0m。
S5：分别计算两侧支护结构的最大弯矩及最大剪力，并根据最大弯矩和最大剪力分别确定两侧支护结构的材料及配筋；
S6：进行整体稳定性验算、抗倾覆验算、抗隆起稳定性验算。
与规范中所述的直接按不利一侧进行设计的方法相比，本实施例提供的方法能够整体分析非平衡支护结构的受力模式，并且能够考虑支护结构的位移，从变形角度控制设计，大大改进了现有计算方法。在提供的实施例中每延米节省支护结构长约6.6m，节约大量工程造价。

Claims (3)

1.一种粉砂土地层刚性围护结构非平衡设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)确定非平衡基坑的剖面参数以及土体物理力学参数；
(2)确定围护结构的位移模式和模型简图；
(3)基于应力应变关系对内支撑轴力进行计算；
(4)分别对基坑较深侧和较浅侧围护结构的主动土压力和被动土压力进行计算，并根据力矩平衡和水平力平衡确定两侧支护结构的深度；
(5)分别计算两侧支护结构的最大弯矩及最大剪力，并根据最大弯矩和最大剪力分别确定两侧支护结构的材料及配筋；
(6)进行整体稳定性验算、抗倾覆验算、抗隆起稳定性验算；
所述内支撑轴力计算表达式如下：
式中：Δs是两倍的基坑围护结构容许位移值；B是支撑的计算长度；E是支撑材料的弹性模量；A是支撑的截面积；S是支撑的水平间距；b是模型的平面计算宽度，一般假定为1m；
所述基坑较深侧和较浅侧围护结构的主动土压力计算式如下：
式中：L为待求的基坑较深侧以及较浅侧的桩长；sa为土体的主动极限位移，取0.001～0.005L；是土层的等效重度，对多层土层通过分层总和法求得；δ是支护结构与土体间的外摩擦角；smax为支护结构的容许位移值；z为土压力计算处的深度；K0为静止土压力系数；Ka为库伦主动土压力系数；
式中：是土层的等效内摩擦角，对多层土层通过分层总和法求得；
所述基坑较深侧和较浅侧围护结构的被动土压力计算式如下：
式中：h为基坑的开挖深度；sp为土体的被动极限位移，取0.01～0.05(L－h)；Kp为库伦主动土压力系数：
所述两侧支护结构的深度确定方法如下：根据对转动点取矩和以及支撑处水平力平衡分别确定较深侧与较浅侧支护结构的桩长L：
其中，N为内支撑轴力。
2.根据权利要求1所述的一种粉砂土地层刚性围护结构非平衡设计方法，其特征在于，所述非平衡基坑的剖面参数包括基坑较深侧的开挖深度与基坑较浅侧的开挖深度；所述土体物理力学参数包括三倍较深侧开挖深度范围内土层的内摩擦角及重度γ。
3.根据权利要求1所述的一种粉砂土地层刚性围护结构非平衡设计方法，其特征在于，所述围护结构的位移模式，为绕坑底下一点向坑内转动，围护结构的位移最大值位于围护桩桩顶，该位移最大值由基坑围护结构的容许位移值确定。
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