CN109208610B - 一种近接大荷载偏压基坑开挖横支撑预应力动态调整方法 - Google Patents

一种近接大荷载偏压基坑开挖横支撑预应力动态调整方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种近接大荷载偏压条件下确定基坑横向支撑的支护预应力值及调整的方法，包含步骤一：计算基坑边壁土压力函数；步骤二：根据土压力函数确定各级横支撑预应力值。本发明的根据偏压荷载分布情况来计算基坑内各级横向支撑所应当施加的预应力值的方法，使得工程人员能够快速高效的根据现场存在的偏压荷载情况动态调整基坑横向支撑的支护参数，提高施工安全性和可靠性，具有工程实际价值。

Description

一种近接大荷载偏压基坑开挖横支撑预应力动态调整方法
技术领域
本发明涉及基坑支护、城市地铁车站开挖等技术领域，尤其涉及一种城市近接大偏压荷载存在条件下的地铁基坑支护参数确定及调整的方法。
背景技术
城市地铁车站基坑开挖过程中，经常遭遇基坑附近存在大型构筑物的情况，大体量的构筑物由于自身重力作用，会对周围土体造成挤压，开挖基坑时需要对周围区域土体进行预加固，否则会造成基坑开挖后由于土体挤压应力过大使得基坑边壁位移过大，出现基坑壁开裂甚至失稳的情况。基坑开挖后，对基坑进行支护的一种常用手段是通过施做刚性支撑，横跨于基坑之内，将基坑“撑开”。其本质是通过横撑中的内里，施加在基坑壁上，模拟基坑未开挖前的原始地应力状态。因此，在横撑中施加的预应力应当适度，不可过大也不可太小，若施加预应力过小，会造成支护力不足，无法使基坑变形稳定；若施加预应力过大，又会造成周围土体隆起，对周围既有建筑物造成损害。并且，实际工程中，基坑横向支撑设置往往不止一道，通常在竖向范围类设置了多道横向支撑，由于土中应力情况复杂，不同深度条件下的应力情况不同，因此对于每一道横向支撑的预应力施加也应当有所区别。本发明将介绍一种快速高效的根据现场存在的偏压荷载情况动态调整基坑横向支撑的支护参数。
发明内容
为了实现本发明的上述目的，本发明提出如下技术方案：
一种近接大荷载偏压基坑开挖横支撑预应力动态调整方法，包含如下步骤：
步骤一：计算基坑边壁土压力函数；
步骤二：根据土压力函数确定各排横支撑预应力大小。
进一步，基坑开挖前，施做围护结构；施做围护结构包括钻孔灌注桩和/或地下连续墙。
所述步骤一包括如下子步骤：
S11：根据实际情况，建立坐标系；
为求出偏压荷载以及土体自重应力在基坑边壁上产生的土压力，需要建立合适的坐标系，采用原点位于临近偏压荷载一端的基坑上部角点处，水平轴为土压力值p，垂直轴为基坑深度z，基坑深度值向下为正；其中，A’、B’为偏压荷载作用边界，偏压荷载近似为均布荷载，荷载集度为q；
计算在分布荷载q与土体自重应力作用下，在基坑边壁上产生的土压力值，并根据所述土压力值推算横向支撑内的预应力值；
S12：简化偏压荷载；
对于挡土墙后填土受局部荷载的情况，采用近似方法，通过从局部荷载两端点出引出与水平方向成θ的平行线，两条平行线与挡土墙界面的交点为A、B，根据经典土力学理论，将填土受局荷载看做在A、B之间有连续均布荷载作用；其中，θ角的大小与土体内摩擦角φ相关，其值为：
θ＝45°+φ/2 (1)
式中：φ——土体的内摩擦角；
S13：计算控制点土压力值；
根据S11和S12中的结果，推导A、B点的坐标值；OA’长度为L，A’B’长度为S，从而计算出OA、OB的长度，求得A、B点坐标值；A＝(0，Ltanθ)、B＝(0，(L+S)tanθ)；根据公式(2)计算出A点上部的土压力值；
Figure BDA0001782243200000031
式中：σA上——A点上部的土压力值；
γ——A点上部土的平均重度；
hOA——A点的深度；
Ka——A点上部的土压力系数，Ka＝tan2
Figure BDA0001782243200000032
c——A点上部土体的粘聚力；
根据公式(3)计算A点下部的土压力值；
Figure BDA0001782243200000033
式中：σA下——A点下部的土压力值；
q——近接偏压荷载集度值；
S14：计算挡土墙背后土压力函数值；
由S11、S12、S13子步骤所得结果，计算挡土墙背后的土压力函数；根据经典土力学理论，竖直墙体后的土压力值变化为随深度至变化的一次线性变化的规律；绘制出近接大荷载偏压情况下基坑开挖后的土压力分布规律，
A、B段土压力值高于其余部分的土压力值，AB段内土压力增大幅度等于荷载集度q与该处的土压力系数Ka之乘积，即Δp＝q·Ka；得出D点坐标为(σA上，zA),E点坐标为(σA下，zA)；
于是可得到曲线OD的方程：
Figure BDA0001782243200000034
曲线EF的方程：
Figure BDA0001782243200000041
综合式(4)和式(5),可得到挡土墙后的土压力函数P(Z):
Figure BDA0001782243200000042
式中各参数如前所述。
所述步骤二包括如下子步骤：
S21：确定横向支撑竖向间距d；
施工中依照类似工程或经验取值确定横撑竖向间距d，
S22：确定每级横向支撑的内力；
每级横撑的支撑影响范围为横撑所在标高的上、下二分之一横撑间距，第一级横向支撑位于地表附近，主要起支护稳定作用，拟定第一级横撑的标高为0，分析第i级横撑，
取第i级横撑进行分析，出现的受力情况有4类：
对于第1种情况，第i级横向支撑的影响范围全部落在土体自重应力影响范围内，此时由水平向力平衡可得横向支撑应当具有的预应力大小Fi1为：
Figure BDA0001782243200000043
式中：Fi1——第i级横向支撑在第1种情况下的预应力值；
d——每级横向支撑竖向间距；
P(Z1)——代入横撑影响范围上边界标高Z1的土压力函数；
P(Z2)——代入横撑影响范围下边界标高Z2的土压力函数；
对于第2种情况，有部分因外荷载引起的土压力落在了横向支撑影响范围内，此时由水平向力平衡可得横向支撑应当具有的预应力大小Fi2为：
Figure BDA0001782243200000051
式中：Fi2——第i级横向支撑在第2种情况下的预应力值；
d——每级横向支撑竖向间距；
P(Z1)——代入横撑影响范围上边界标高Z1的土压力函数；
P(Z2)——代入横撑影响范围下边界标高Z2的土压力函数；
ZB——B点高程；
q——挡土墙后偏压荷载集度；
对于第3种情况，与第2种情况类似，此时由水平向力平衡可得横向支撑应当具有的预应力大小Fi3为：
Figure BDA0001782243200000052
式中：Fi3——第i级横向支撑在第3种情况下的预应力值；
d——每级横向支撑竖向间距；
P(Z1)——代入横撑影响范围上边界标高Z1的土压力函数；
P(Z2)——代入横撑影响范围下边界标高Z2的土压力函数；
ZA——A点高程；
q——挡土墙后偏压荷载集度；
对于第4种情况，一般是由于偏压荷载作用范围较小，或者横向支撑间距过大才会出现第4种情况，此时由于偏压荷载作用导致的土压力增大全部作用在第i级横支撑的影响范围内，此时由水平向力平衡可得横向支撑应当具有的预应力大小Fi4为：
Figure BDA0001782243200000061
式中：Fi4——第i级横向支撑在第3种情况下的预应力值；
d——每级横向支撑竖向间距；
P(Z1)——代入横撑影响范围上边界标高Z1的土压力函数；
P(Z2)——代入横撑影响范围下边界标高Z2的土压力函数；
ZA——A点高程；
ZB——B点高程；
q——挡土墙后偏压荷载集度；
通过式(7)、(8)、(9)、(10)计算出每种情况下，第i级横向支撑内应当施加的预应力值。
根据第i级横向支撑内应当施加的预应力值调整基坑横向支撑的支护参数。
本发明还提供了近接大荷载偏压基坑开挖横支撑预应力动态调整方法的用途，用于基坑支护、城市地铁车站开挖。
本发明效果是：提供了一种根据偏压荷载分布情况来计算基坑内各级横向支撑所应当施加的预应力值的方法，使得工程人员能够快速高效的根据现场存在的偏压荷载情况动态调整基坑横向支撑的支护参数，提高施工安全性和可靠性，具有工程实际价值。
附图说明
图1为本发明为求出偏压荷载以及土体自重应力在基坑边壁上产生的土压力建立的坐标系示意图；
图2为本发明对于挡土墙后填土受局部荷载的情况建立的坐标系示意图；
图3为本发明近接大荷载偏压情况下基坑开挖后的土压力分布规律建立的坐标系示意图；
图4为本发明分析第i级横撑影响范围的标高情况建立的坐标系示意图；
图5为本发明不同受力情况下横向支撑的预应力示意图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的技术方案，下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明公开了一种近接大荷载偏压基坑开挖横支撑预应力动态调整方法，包含如下步骤：
步骤一：计算基坑边壁土压力函数；
步骤二：根据土压力函数确定各排横支撑预应力大小；
步骤一包括如下子步骤：
S11：根据实际情况，建立坐标系；
为求出偏压荷载以及土体自重应力在基坑边壁上产生的土压力，需要建立合适的坐标系，本发明中采用原点位于临近偏压荷载一端的基坑上部角点处，如图1所示，水平轴为土压力值p，垂直轴为基坑深度z，基坑深度值向下为正。其中，A’、B’为偏压荷载作用边界，偏压荷载近似为均布荷载，荷载集度为q。
由于基坑开挖前，已经施做钻孔灌注桩、地下连续墙等围护结构，因此，只需计算出在分布荷载q与土体自重应力作用下，在基坑边壁上产生的土压力值即可。并根据此土压力值推算横向支撑内的预应力值。
S12：简化偏压荷载；
一般地，对于挡土墙后填土受局部荷载的情况，可采用近似方法，通过从局部荷载两端点出引出与水平方向成θ的平行线，如图2所示。两条平行线与挡土墙界面的交点为A、B，根据经典土力学理论，可以将填土受局荷载看做在A、B之间有连续均布荷载作用。而在其他地方可以忽略这种影响。其中，θ角的大小与土体内摩擦角φ相关，其值为：
θ＝45°+φ/2 (1)
式中：φ——土体的内摩擦角；
S13：计算控制点土压力值；
根据S11和S12中的结果，可以推导出A、B点的坐标值。OA’长度为L，A’B’长度为S，可以计算出OA、OB的长度，求得A、B点坐标值。A＝(0，Ltanθ)、B＝(0，(L+S)tanθ)。于是，可根据公式(2)计算出A点上部的土压力值。
Figure BDA0001782243200000081
式中：σA上——A点上部的土压力值；
γ——A点上部土的平均重度；
hOA——A点的深度；
Ka——A点上部的土压力系数，Ka＝tan2
Figure BDA0001782243200000082
c——A点上部土体的粘聚力；
根据公式(3)计算A点下部的土压力值。
Figure BDA0001782243200000091
式中：σA下——A点下部的土压力值；
q——近接偏压荷载集度值；
S14：计算挡土墙背后土压力函数值；
由S11、S12、S13子步骤所得结果，计算出挡土墙背后的土压力函数。根据经典土力学理论，竖直墙体后的土压力值变化为随深度至变化的一次线性变化的规律。绘制出近接大荷载偏压情况下基坑开挖后的土压力分布规律，如图3所示。
A、B段土压力值高于其余部分的土压力值，是因为上部偏压荷载等效后，在挡土墙AB范围内产生的等效荷载作用结果。AB段内土压力增大幅度等于荷载集度q与该处的土压力系数Ka之乘积，即Δp＝q·Ka。可得D点坐标为(σA上，zA),E点坐标为(σA下，zA)。
于是可得到曲线OD的方程：
Figure BDA0001782243200000092
曲线EF的方程：
Figure BDA0001782243200000093
综合式(4)和式(5),可得到挡土墙后的土压力函数P(Z):
Figure BDA0001782243200000101
式中各参数如前所述。
步骤二包括如下子步骤：
S21：根据施工要求，确定横向支撑竖向间距d；
施工中，要考虑施工便捷性和经济性，横向支撑的竖向间距不可过大，也不可过小。过小的间距会阻碍施工并造成经济浪费，过大间距会造成基坑失稳的风险。因此，应当根据实际情况，确定横撑竖向间距d，一般地，可依照类似工程或经验取值即可。
S22：确定每级横向支撑的内力；
为便于分析，本发明认为每级横撑的支撑影响范围为横撑所在标高的上、下二分之一横撑间距，通常，第一级横向支撑位于地表附近，主要起支护稳定作用，拟定第一级横撑的标高为0，分析第i级横撑，其影响范围的标高情况如图4所示。
取第i级横撑进行分析，其可能出现的受力情况有4类，如图5所示。受力情况的差异是由于第i级横向支撑的影响范围是否落在偏压荷载q的影响范围内所造成的，并且根据影响范围的不同也有不同的差异。
对于第1种情况，第i级横向支撑的影响范围全部落在土体自重应力影响范围内，此时由水平向力平衡可得横向支撑应当具有的预应力大小Fi1为：
Figure BDA0001782243200000102
式中：Fi1——第i级横向支撑在第1种情况下的预应力值；
d——每级横向支撑竖向间距；
P(Z1)——代入横撑影响范围上边界标高Z1的土压力函数；
P(Z2)——代入横撑影响范围下边界标高Z2的土压力函数；
对于第2种情况，有部分因外荷载引起的土压力落在了横向支撑影响范围内，此时由水平向力平衡可得横向支撑应当具有的预应力大小Fi2为：
Figure BDA0001782243200000111
式中：Fi2——第i级横向支撑在第2种情况下的预应力值；
d——每级横向支撑竖向间距；
P(Z1)——代入横撑影响范围上边界标高Z1的土压力函数；
P(Z2)——代入横撑影响范围下边界标高Z2的土压力函数；
ZB——B点高程；
q——挡土墙后偏压荷载集度；
对于第3种情况，与第2种情况类似，此时由水平向力平衡可得横向支撑应当具有的预应力大小Fi3为：
Figure BDA0001782243200000112
式中：Fi3——第i级横向支撑在第3种情况下的预应力值；
d——每级横向支撑竖向间距；
P(Z1)——代入横撑影响范围上边界标高Z1的土压力函数；
P(Z2)——代入横撑影响范围下边界标高Z2的土压力函数；
ZA——A点高程；
q——挡土墙后偏压荷载集度；
对于第4种情况，一般是由于偏压荷载作用范围较小，或者横向支撑间距过大才会出现第4种情况，此时由于偏压荷载作用导致的土压力增大全部作用在第i级横支撑的影响范围内，此时由水平向力平衡可得横向支撑应当具有的预应力大小Fi4为：
Figure BDA0001782243200000121
式中：Fi4——第i级横向支撑在第3种情况下的预应力值；
d——每级横向支撑竖向间距；
P(Z1)——代入横撑影响范围上边界标高Z1的土压力函数；
P(Z2)——代入横撑影响范围下边界标高Z2的土压力函数；
ZA——A点高程；
ZB——B点高程；
q——挡土墙后偏压荷载集度；
于是，通过式(7)、(8)、(9)、(10)可计算出每种情况下，第i级横向支撑内应当施加的预应力值。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种近接大荷载偏压基坑开挖横支撑预应力动态调整方法，包含如下步骤：
步骤一：计算基坑边壁土压力函数；
步骤二：根据土压力函数确定各排横支撑预应力大小；
其特征在于：步骤一包括如下子步骤：
S11：根据实际情况，建立坐标系；
为求出偏压荷载以及土体自重应力在基坑边壁上产生的土压力，需要建立合适的坐标系，采用原点位于临近偏压荷载一端的基坑上部角点处，O为坐标系原点，水平轴为土压力值p，垂直轴为基坑深度z，基坑深度值向下为正；其中，A’、B’为偏压荷载作用边界，L为偏压荷载距原点最近处距离，偏压荷载近似为均布荷载，荷载集度为q；
计算在分布荷载q与土体自重应力作用下，在基坑边壁上产生的土压力值，并根据所述土压力值推算横向支撑内的预应力值；
S12：简化偏压荷载；
对于挡土墙后填土受局部荷载的情况，采用近似方法，通过从局部荷载两端点出引出与水平方向成θ的平行线，两条平行线与挡土墙界面的交点为A、B，根据经典土力学理论，将填土受局荷载看做在A、B之间有连续均布荷载作用；其中，θ角的大小与土体内摩擦角φ相关，其值为：
θ＝45°+φ/2 (1)
式中：φ——土体的内摩擦角；
S13：计算控制点土压力值；
根据S11和S12中的结果，推导A、B点的坐标值；OA’长度为L，A’B’长度为S，从而计算出OA、OB的长度，求得A、B点坐标值；A＝(0，Ltanθ)、B＝(0，(L+S)tanθ)；根据公式(2)计算出A点上部的土压力值；
Figure FDA0002521279460000011
式中：σA上——A点上部的土压力值；
γ——A点上部土的平均重度；
hOA——A点的深度；
Ka——A点上部的土压力系数，
Figure FDA0002521279460000012
c——A点上部土体的粘聚力；
根据公式(3)计算A点下部的土压力值；
Figure FDA0002521279460000021
式中：σA下——A点下部的土压力值；
q——近接偏压荷载集度值；
S14：计算挡土墙背后土压力函数值；
由S11、S12、S13子步骤所得结果，计算挡土墙背后的土压力函数；根据经典土力学理论，竖直墙体后的土压力值变化为随深度至变化的一次线性变化的规律；绘制出近接大荷载偏压情况下基坑开挖后的土压力分布规律，
A、B段土压力值高于其余部分的土压力值，AB段内土压力增大幅度等于荷载集度q与该处的土压力系数Ka之乘积，即Δp＝q·Ka；得出D点坐标为(σA上，zA),E点坐标为(σA下，zA)；
于是可得到曲线OD的方程：
Figure FDA0002521279460000022
当0<Z<ZA和Z>ZB (4)
曲线EF的方程：
Figure FDA0002521279460000023
当ZA<Z<ZB (5)
综合式(4)和式(5),可得到挡土墙后的土压力函数P(Z):
Figure FDA0002521279460000024
式中各参数如前所述；
其中ZA——A点高程；
ZB——B点高程。
2.如权利要求1所述的一种近接大荷载偏压基坑开挖横支撑预应力动态调整方法，其特征在于：基坑开挖前，施做围护结构。
3.如权利要求2所述的一种近接大荷载偏压基坑开挖横支撑预应力动态调整方法，其特征在于：施做围护结构包括钻孔灌注桩和/或地下连续墙。
4.如权利要求1所述的一种近接大荷载偏压基坑开挖横支撑预应力动态调整方法，其特征在于：步骤二包括如下子步骤：
S21：确定横向支撑竖向间距d；
施工中依照类似工程或经验取值确定横撑竖向间距d，
S22：确定每级横向支撑的内力；
每级横撑的支撑影响范围为横撑所在标高的上、下二分之一横撑间距，第一级横向支撑位于地表附近，主要起支护稳定作用，拟定第一级横撑的标高为0，分析第i级横撑，
取第i级横撑进行分析，出现的受力情况有4类：
对于第1种情况，第i级横向支撑的影响范围全部落在土体自重应力影响范围内，此时由水平向力平衡可得横向支撑应当具有的预应力大小Fi1为：
Figure FDA0002521279460000031
式中：Fi1——第i级横向支撑在第1种情况下的预应力值；
d——每级横向支撑竖向间距；
P(Z1)——代入横撑影响范围上边界标高Z1的土压力函数；
P(Z2)——代入横撑影响范围下边界标高Z2的土压力函数；
对于第2种情况，有部分因外荷载引起的土压力落在了横向支撑影响范围内，此时由水平向力平衡可得横向支撑应当具有的预应力大小Fi2为：
Figure FDA0002521279460000032
式中：Fi2——第i级横向支撑在第2种情况下的预应力值；
d——每级横向支撑竖向间距；
P(Z1)——代入横撑影响范围上边界标高Z1的土压力函数；
P(Z2)——代入横撑影响范围下边界标高Z2的土压力函数；
ZB——B点高程；
q——挡土墙后偏压荷载集度；
对于第3种情况，与第2种情况类似，此时由水平向力平衡可得横向支撑应当具有的预应力大小Fi3为：
Figure FDA0002521279460000041
式中：Fi3——第i级横向支撑在第3种情况下的预应力值；
d——每级横向支撑竖向间距；
P(Z1)——代入横撑影响范围上边界标高Z1的土压力函数；
P(Z2)——代入横撑影响范围下边界标高Z2的土压力函数；
ZA——A点高程；
q——挡土墙后偏压荷载集度；
对于第4种情况，一般是由于偏压荷载作用范围较小，或者横向支撑间距过大才会出现第4种情况，此时由于偏压荷载作用导致的土压力增大全部作用在第i级横支撑的影响范围内，此时由水平向力平衡可得横向支撑应当具有的预应力大小Fi4为：
Figure FDA0002521279460000042
式中：Fi4——第i级横向支撑在第3种情况下的预应力值；
d——每级横向支撑竖向间距；
P(Z1)——代入横撑影响范围上边界标高Z1的土压力函数；
P(Z2)——代入横撑影响范围下边界标高Z2的土压力函数；
ZA——A点高程；
ZB——B点高程；
q——挡土墙后偏压荷载集度；
通过式(7)、(8)、(9)、(10)计算出每种情况下，第i级横向支撑内应当施加的预应力值。
5.如权利要求4所述的一种近接大荷载偏压基坑开挖横支撑预应力动态调整方法，其特征在于：根据第i级横向支撑内应当施加的预应力值调整基坑横向支撑的支护参数。
6.权利要求1-5任一项所述的一种近接大荷载偏压基坑开挖横支撑预应力动态调整方法的用途，用于基坑支护、城市地铁车站开挖。
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