CN109558659A

CN109558659A - 一种基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法

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Publication number: CN109558659A
Application number: CN201811385427.2A
Authority: CN
Inventors: 徐长节; 范晓真; 胡国明; 胡琦; 刘俊岩; 刘兴旺
Original assignee: East China Jiaotong University
Current assignee: East China Jiaotong University
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2019-04-02
Anticipated expiration: 2038-11-20
Also published as: CN109558659B

Abstract

本发明提供了一种基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法，包括：S1、确定基坑的剖面参数以及土体的物理力学参数；S2、确定支护结构的位移模式，确立模型简图；S3、分别对基坑支护结构的主动土压力和被动土压力进行计算，并根据力矩平衡原理确定支护结构的抗倾覆临界嵌固深度；S4、分别计算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支护结构的材料及配筋；S5、进行整体稳定性验算、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支护结构变形的情况，通过悬臂式支护结构的变形大小来控制其设计计算，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。

Description

一种基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法

技术领域

本发明涉及土木工程施工技术领域，特别是涉及一种基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法。

背景技术

随着我国基本建设工程的进一步推进，基坑工程设计理论水平也得到了很大的发展，传统的按承载力设计的方法正逐渐过渡为按变形控制设计。

但现有支护结构设计方法多基于极限平衡法，该方法在假定桩前后的土体均达到极限土压力状态的情况下，对支护结构的内力进行计算，无法考虑支护结构的变形对其内力的影响，但在实际基坑工程中，支护结构变形限制通常较为严格，桩前后的土体往往无法全部达到极限土压力状态。

发明内容

本发明针对以上不足之处，提供一种基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法，该方法可以通过悬臂式支护结构的变形大小来控制其设计计算。

一种基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法，包括以下步骤：

S1：确定基坑的剖面参数以及土体的物理力学参数；

所述基坑的剖面参数包括基坑表面与坑底的标高；所述土体物理力学参数包括三倍开挖深度范围内土层的内摩擦角及重度γ；

S2：确定支护结构的位移模式，确立模型简图；

S3：分别对基坑支护结构的主动土压力和被动土压力进行计算，并根据力矩平衡原理确定支护结构的抗倾覆临界嵌固深度；

S4：分别计算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支护结构的材料及配筋；

S5：进行整体稳定性验算、抗隆起稳定性验算。

上述基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法，其中，所述步骤S3具体包括步骤S31～S34：

S31：基于位移修正，计算支护结构上作用的主动土压力：

式中：

L为待求的悬臂式支护结构桩长；

是土层的等效重度，对多层土层通过分层总和法求得；

s_a为土体的主动极限位移，取0.001L～0.005L；

s_max为支护结构的容许位移值；

z为以支护结构顶端处为零点时，土压力计算处的深度；

K₀为静止土压力系数；

K_a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；

δ支护结构与土体间的外摩擦角；

S32：基于位移修正，计算支护结构内侧作用的被动土压力：

式中：h为基坑的开挖深度；

s_p为土体的被动极限位移，取0.01(L－h)～0.05(L－h)；

K_p为库伦主动土压力系数：

S33：根据对转动点通过力矩平衡原理确定悬臂式支护结构抗倾覆临界桩长L_cr：

得到L_cr之后，计算桩顶位移s_max是否超过土体的主动极限位移s_a，若超过，则通过下式对L_cr进行重新计算，获得最终的支护结构抗倾覆临界桩长：

S34：计算支护结构抗倾覆临界嵌固深度D_cr：

D_cr＝L_cr-h。

上述基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法，其中，所述支护结构的位移模式，为绕坑底下一点向坑内转动，支护结构的位移最大值位于支护桩桩顶，该位移最大值由基坑支护结构的容许位移值确定。

本发明的有益效果为，根据本发明提供的基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法，基于支护结构的变形大小对支护结构上作用的土压力模式进行修正，通过受力分析确定支护结构的嵌固深度，克服了常规基坑设计方法中无法考虑支护结构变形的情况，通过悬臂式支护结构的变形大小来控制其设计计算，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本发明一实施例提供的基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法的流程示意图；

图2是简化基坑剖面模型图(含支护结构位移模式)；

图3是基坑支护结构受力分析示意图；

图中：1为支护结构，2为支护结构位移模式，3为开挖区坑底，4为转动点。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明的实施例提供了一种基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法，包括以下步骤：

S1：确定基坑的剖面参数以及土体的物理力学参数；

参见图2，某基坑的剖面参数如下：

基坑地面标高为0，开挖区坑底3标高为－4.0m，即开挖深度h＝4.0m。

三倍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：确定支护结构的位移模式，确立模型简图；

支护结构的容许位移值s_max＝3cm，位移最大值位于支护桩桩顶，支护结构的位移模式，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。

请参阅图3，分别对基坑的主动土压力和被动土压力进行计算，具体的，该步骤包括步骤S31～S34：

S31：基于位移修正，计算基坑支护结构上的主动土压力：

S32：基于位移修正，计算基坑支护结构上的被动土压力：

S33：根据对转动点取矩，可获得支护结构抗倾覆临界桩长L_cr：

将S31、S32得到的主动土压力、被动土压力计算式代入S33的力矩平衡方程，求解可以得到支护结构的抗倾覆临界桩长L_cr为6.65m。

S34：计算支护结构抗倾覆临界嵌固深度D_cr：

D_cr＝L_cr-h＝2.25m。

S5：进行整体稳定性验算、抗隆起稳定性验算。

与常规设计方法相比，本实施例提供的方法能够基于支护结构的变形大小(如本例中控制支护结构容许变形值为3cm)，求得支护结构抗倾覆临界嵌固深度，采用变形控制设计，大大改进了现有的通过承载力控制设计的计算方法，更为精准可靠。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确定基坑的剖面参数以及土体的物理力学参数；

S2：确定支护结构的位移模式，确立模型简图；

S5：进行整体稳定性验算、抗隆起稳定性验算。

2.根据权利要求1所述的基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括步骤S31～S34：

S31：基于位移修正，计算支护结构上作用的主动土压力：

式中：

L为待求的悬臂式支护结构桩长；

是土层的等效重度，对多层土层通过分层总和法求得；

s_a为土体的主动极限位移，取0.001L～0.005L；

s_max为支护结构的容许位移值；

z为以支护结构顶端处为零点时，土压力计算处的深度；

K₀为静止土压力系数；

K_a为库伦主动土压力系数：

δ支护结构与土体间的外摩擦角；

S32：基于位移修正，计算支护结构内侧作用的被动土压力：

式中：h为基坑的开挖深度；

s_p为土体的被动极限位移，取0.01(L－h)～0.05(L－h)；

K_p为库伦主动土压力系数：

S34：计算支护结构抗倾覆临界嵌固深度D_cr：

D_cr＝L_cr-h。

3.根据权利要求1或2所述的基于变形控制的悬臂式支护结构设计方法，其特征在于，所述支护结构的位移模式，为绕坑底下一点向坑内转动，支护结构的位移最大值位于支护桩桩顶，该位移最大值由基坑支护结构的容许位移值确定。