CN108589736B - 一种基坑支护设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基坑支护设计方法，所述基坑支护包括围绕基坑的围护结构以及支撑在围护结构之间的内支撑，设计方法包括如下步骤：将单位宽度范围内的围护结构模拟为沿竖立方向的地基梁，将该地基梁沿竖向划分为多个梁单元，将围护结构两侧的地基土看做一系列竖向排列的土弹簧，围护结构的底部设置竖向支承约束；利用有限元方法进行结构计算，计算支护结构的变形情况以及土弹簧的弹性支撑力情况，载荷加载方式为随着向下挖掘，在已开挖区域解除开挖侧的土弹簧约束，并在非开挖侧施加主动土压力载荷；根据计算结果，解除受拉的土弹簧约束；再次运算，重复进行调整、计算，多次根据围护结构变形情况以及土弹簧的弹性支撑力情况调整模型，直受力状态满足要求。

Description

一种基坑支护设计方法

技术领域

本发明涉及建筑领域，具体地说，涉及一种基坑支护设计方法。

背景技术

随着城市建设的快速发展，地下空间的利用越来越重视，对深基坑围护结构的要求也越来越严格。基坑支护主要是抵挡基坑外侧的土体，因而土压力的确定将是基坑支护计算的关键。朗肯土压力理论建立了墙背光滑情况下的墙背水平土压力公式，给出的土压力为线性分布；库伦土压力理论只给出了土压力的合力，并没有给出土压力的分布，实际应用过程中大多假设土压力为线性分布。随着工程建设的发展与技术的进步，对于土压力的分布和变化规律有了更迸一步的认识。

在基坑工程中，经典土压力理论计算的结果是极限值，即达到主动极限状态或被动极限状态的接触压力。当围护结构处于正常工作状态时，主动极限状态有时候达不到，而被动极限状态往往难以达到，此时的接触压力并不是极限状态值。工程经验表明，围护结构的刚度、内支撑刚度、以及围护结构的变形形态对土压力的分布和变化起控制作用。比如：当围护结构向坑内变形时，坑外表现为主动土压力；当对内支撑或锚杆施加预应力而导致围护结构向坑外变形时，坑外表现为被动土压力等等。因此正常工作状态下的基坑实际量测的变形、土压力、支撑轴力等通常与经典理论计算结果不完全一致。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种基坑支护设计方法，所述基坑支护包括围绕基坑的围护结构以及支撑在围护结构之间的内支撑，设计方法包括如下步骤：S1，将单位宽度范围内的围护结构模拟为沿竖立方向的地基梁，并将该地基梁沿竖向划分为多个梁单元，将围护结构两侧的地基土看做多个竖向排列的土弹簧，围护结构的底部设置竖向支承约束；S2，利用有限元方法进行结构计算，计算围护结构的变形情况以及土弹簧的弹性支撑力情况，其中，载荷加载方式为随着向下挖掘，在已开挖区域解除开挖侧的土弹簧约束，并在非开挖侧施加主动土压力载荷；S3，根据计算结果，解除受拉的土弹簧约束；S4，再次运算，重复进行步骤S2、步骤S3，多次根据围护结构变形情况以及土弹簧的弹性支撑力情况调整模型，直到围护结构的受力状态满足要求。

优选地，在步骤S3中，若开挖侧出现受拉的土弹簧，需在对应区域的开挖侧增加主动土压力，同时在非开挖侧去除主动土压力。

优选地，当某一区域的土弹簧压力超过被动土压力时，解除该区域的土弹簧约束，并施加该区域对应的被动土压力。

优选地，所述围护结构为板桩。

优选地，土弹簧刚度系数K的计算公式为：

E_δ是土弹簧的变形模量；

μ是土弹簧的泊松比；

w为与土弹簧竖向间隔以及围护结构宽度有关的形状系数。

优选地，土弹簧的变形模量E_δ和土弹簧的泊松比μ是通过压板实验获得的。

优选地，将步骤S4的最终计算结果与采用等值梁法的计算结果进行比较，以便进一步验证所述基坑支护设计方法的可靠性。

等值梁法在理论上有过多的假设，不能计算位移和考虑施工阶段，无法完整的计算基坑支护的受力情况。常规弹性地基梁法没有考虑土弹簧约束的调整，可能出现土弹簧压力大于被动土压力的情况，与实际情况不符。而本发明则弥补了这两个方法的缺陷，可以更好地考虑桩-土之间的非线性关系，从而提高该设计方法的适用范围以及计算结果的准确性。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示本发明实施例的基坑支护的模型简图；

图2-1是表示本发明实施例的基坑支护建立模型图；

图2-2是表示本发明实施例的基坑支护的初步计算结果图；

图2-3是表示本发明实施例的基坑支护的模型调整图；

图3-1是表示设计实例中第一施工阶段与等值梁法比较的弯矩图；

图3-2是表示设计实例中第二施工阶段与常规弹性地基梁法比较的弯矩图；

图3-3是表示设计实例中常规弹性地基梁法的土压力分布图；

图3-4是表示设计实例中本发明实施例的土压力分布图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的基坑支护设计方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

基坑支护结构包括围绕基坑的围护结构以及支撑在围护结构之间的内支撑。如图1所示，本发明将围护结构10看做一个竖向放置的地基梁，将地基土看做多个竖向排列的土弹簧，得到基坑围护结构的基本模型。本发明将三维空间结构简化为平面结构进行分析，取单位宽度范围内的围护结构，模拟为杆系结构，并沿竖立方向分割为n个梁单元，以便进行有限元分析。将地基土模拟为刚度系数为K的土弹簧，为了考虑基坑外侧(即图1中围护结构10的右侧)可能出现被动土压力的情况，将围护结构的开挖侧和非开挖侧均建立土弹簧约束，随着基坑开挖的进行，逐步解除基坑内侧(即图1中围护结构10的左侧)的土弹簧约束。围护结构10的底部设置竖向支承约束40，内支撑20模拟为弹性支撑，将其刚度系数设定为K_T。则从上之下，在已开挖区域，设置有几个内支撑20，就模拟为几个刚度系数设定为K_T的弹性支撑。而在基坑内侧的未开挖区域和基坑外侧，则根据分割的梁单元数量对应的模拟为相应数量的土弹簧30，将土弹簧30的刚度设定为K。

本发明所模拟的土弹簧有如下两个特点，其一是土弹簧不能承受拉力，即当计算模型中土弹簧出现拉力时，则解除该部位的土弹簧约束；其二是土弹簧压力不能超过被动土压力，最多只能是达到被动土压力。因为根据土压力的基本理论，被动土压力代表着土体在被动极限状态下的土压力最大值，因此，当某一区域的土弹簧压力超过被动土压力时，解除该区域的土弹簧约束，并施加该区域对应的被动土压力。

在上述土弹簧特点的前提下，基坑支护设计方法的流程如下：

S1，建立模型，如图2-1所示，围护结构10左侧为开挖区域，右侧为非开挖区域。用竖向放置的地基梁模拟围护结构10，并沿竖立方向分割为n个梁单元。将围护结构10两侧的地基土看做多个竖向排列的土弹簧。在非开挖区域的上部具有向下的均布载荷q。从图2-2中看出，左侧已经比图2-1向下开挖了一段。随着向下挖掘，在已开挖区域解除开挖侧的土弹簧约束，并在非开挖侧施加主动土压力载荷。

S2，初步计算，利用有限元方法进行结构计算，计算围护结构10的变形情况以及弹簧的弹性支撑力情况，计算后围护结构10的变形如图2-2所示。

S3，模型调整，解除受拉的土弹簧约束，若开挖侧出现受拉的土弹簧，则还需在本区域的开挖侧增加主动土压力，同时在非开挖侧去除主动土压力。下面具体说明一下，如图2-3所示，由于围护结构10的上部向左侧变形，使得右侧的土弹簧受拉，所以去除右侧上部的土弹簧30。而围护结构10的下部向右侧变形，则使得左侧的土弹簧受拉，右侧的土弹簧受压。则在围护结构10的下部左侧添加主动土压力，并且去除围护结构10的下部右侧的主动土压力。

S4，迭代运算，重复进行步骤S2、S3，多次根据围护结构10变形情况以及弹性支撑力情况调整模型，反复调整计算，直到围护结构10的受力状态满足要求。

在一个可选实施例中，采用变形模量E_δ和泊松比μ来确定土弹簧刚度系数K，变形模量E_δ和泊松比μ都可以通过压板实验获得，其试验方法简单，物理意义明确，可以更好的模拟土体的非线性力学行为。

对于某一土弹簧，假定其集中力为N，土弹簧宽度为d，竖向间距为b，将土弹簧集中力转换为均布力为：

求得该处土弹簧的变形为：

其中，E_δ和μ分别为该处土弹簧的变形模量和泊松比，w为与b/d有关的形状系数，优选地，当b/d＝1.0时，w＝0.88。

则土弹簧刚度系数可定义为

在一个可选实施例中，支撑刚度系数K_T通过有限元法获得，可以针对内支撑结构整体建立模型，并进行整体结构分析，得出载荷与变形的关系，从而确定支撑刚度系数K_T。具体说，对内支撑四周的板桩施加均布载荷，并根据载荷计算出内支撑的平均变形值，从而根据载荷与平均变形值的比计算得到支撑刚度系数K_T。

下面以一个具体实例来说明该设计方法，并将该设计方法的计算结果与常规设计方法进行比较，以验证其设计的可靠性。

某市高速公路大桥主墩深基坑支护，基坑深度6.1m，基坑外侧地面载荷为20kPa，工程地质参数如表1所示。

本基坑采用钢板桩支护，钢板桩规格为拉森Ⅳ型，桩长18m，嵌固深度9.3m，设置2道内支撑，第一道内支撑设置在竖向1m处，第二道内支撑设置在竖向3.5m处。采用边开挖边支撑方式，分两个阶段进行施工，开挖面低于支撑高度0.5m。

下面将本发明的设计方法(c法)与采用等值梁法(a法)和常规弹性地基梁法(b法)的计算结果进行比较，将第一阶段的c法的桩身弯矩与等值梁法进行比较，如图3-1所示，可以看出，本发明的方法和等值梁法的计算结果接近，说明本发明的方法是准确可靠的。

将第二阶段的c法的桩身弯矩与b法进行比较。如图3-2所示，b法得出的桩身的最大弯矩为152KN﹒m。c法得出的最大弯矩为378KN﹒m，差异比较大，经分析可能是常规的弹性地基梁法中，当土弹簧压力超过被动土压力时并没有解除土弹簧约束造成的。

为了验证此分析的正确性，提取b法和c法的土弹簧约束反力，并绘制与被动土压力的对比分析图。如图3-3、图3-4所示，图中虚线为被动土压力曲线，通过对比分析图可以看出，采用b法得到的桩前土压力(即靠近围护结构的位置)远远大于被动土压力，特别是坑底附近，桩前土压力与实际情况不符。由于对桩前土压力的处理不完善，导致b法的计算结果有较大误差，特别是在软弱土层区域。而采用c法通过处理后得到的桩前土压力始终未超过被动土压力，符合地基土特性。因此，可以判断c法的计算结果更可靠。

在一个可选实施例中，所述围护结构为板桩。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基坑支护设计方法，所述基坑支护包括围绕基坑的围护结构以及支撑在围护结构之间的内支撑，其特征在于，设计方法包括如下步骤：

S1，将单位宽度范围内的围护结构模拟为沿竖立方向的地基梁，并将该地基梁沿竖向划分为多个梁单元，将围护结构两侧的地基土看做多个竖向排列的土弹簧，围护结构的底部设置竖向支承约束；

S2，利用有限元方法进行结构计算，计算围护结构的变形情况以及土弹簧的弹性支撑力情况，其中，载荷加载方式为随着向下挖掘，在已开挖区域解除开挖侧的土弹簧约束，并在非开挖侧施加主动土压力载荷；

S3，根据计算结果，解除受拉的土弹簧约束；

S4，再次运算，重复进行步骤S2、步骤S3，多次根据围护结构变形情况以及土弹簧的弹性支撑力情况调整模型，直到围护结构的受力状态满足要求。

2.根据权利要求1所述的基坑支护设计方法，其特征在于，在步骤S3中，若开挖侧出现受拉的土弹簧，需在对应区域的开挖侧增加主动土压力，同时在非开挖侧去除主动土压力。

3.根据权利要求1所述的基坑支护设计方法，其特征在于，

当某一区域的土弹簧压力超过被动土压力时，解除该区域的土弹簧约束，并施加该区域对应的被动土压力。

4.根据权利要求1所述的基坑支护设计方法，其特征在于，所述围护结构为板桩。

5.根据权利要求1所述的基坑支护设计方法，其特征在于，

土弹簧刚度系数K的计算公式为：

E_δ是土弹簧的变形模量；

μ是土弹簧的泊松比；

w为与土弹簧竖向间隔以及围护结构宽度有关的形状系数。

6.根据权利要求5所述的基坑支护设计方法，其特征在于，

土弹簧的变形模量E_δ和土弹簧的泊松比μ是通过压板实验获得的。

7.根据权利要求1所述的基坑支护设计方法，其特征在于，

将步骤S4的最终计算结果与采用等值梁法的计算结果进行比较，以便进一步验证所述基坑支护设计方法的可靠性。