CN110532627B - 一种盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法 - Google Patents

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Abstract

一种盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，所述方法包括以下步骤：(1)确定盾构参数、桩基剖面参数及土体物理力学参数；(2)确定由于盾构开挖的平均地层损失比及盾构引起桩周土体的自由位移场；(3)确定邻近高铁桩基的参数；(4)确定Winkler地基模型列桩基变形的控制方程；(5)确定桩基两端约束情况并求解桩基水平位移。

Description

一种盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法
技术领域
本发明涉及地下结构设计领域，特别是涉及一种盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法。
背景技术
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，城市隧道工程的建设也越来越多，而隧道开挖对邻近高铁桩基的应力应变场产生较大影响，这类影响不容忽视，对于如何评价隧道开挖对邻近桩基的影响成为地下工程研究领域的一大研究热点。
目前，对于盾构过程对邻近高铁桩基的影响，常规的方法局限于有限元模拟，所花的时间和精力投入较大，现有的基本本构方程解析比较繁琐，在现场估算盾构开挖对邻近高铁桩基的影响时比较麻烦，容易出错。
综上所述，考虑工程实际估算情况，对于盾构开挖对邻近桩基的影响分析需要一个可靠且简易实行的计算方法，从而节约投资和工程量，防范工程风险发生的可能性，是非常有工程应用价值的技术问题。
发明内容
鉴于上述状况，针对上述现有的计算方法上的问题，提出一种盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，对盾构开挖引起邻近高铁桩基的影响进行合理的简易计算。
一种盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，所述方法包括以下步骤：
(1)确定盾构参数、桩基剖面参数及土体物理力学参数；
(2)确定由于盾构开挖的平均地层损失比及盾构引起桩周土体的自由位移场；
(3)确定邻近高铁桩基的参数；
(4)确定Winkler地基模型列桩基变形的控制方程；
(5)确定桩基两端约束情况并求解桩基水平位移。
进一步的，上述盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，其中中，所述盾构参数包括：盾构隧道中心线到桩基横截面中心线的水平距离x0，盾构轴线埋深H，盾构隧道的半径R；所述桩基剖面参数包括：土体的基床系数k；所述土体物理力学参数包括：土体弹性模量ES，泊松比υ，平均地层损失率ε0。
进一步的，上述盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，其中，盾构隧道中心线到桩基横截面中心线的水平距离x0＝7.9m，盾构轴线埋深H＝7.8m，盾构隧道的半径R＝3.1m；土体的基床系数k＝12MPa/m；土体弹性模量ES＝24MPa，泊松比υ＝0.3，平均地层损失率ε0＝1％。
进一步的，上述盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，其中，所述邻近高铁桩基的参数包括：桩基等效宽度取直径，桩基的弹性模量，桩基截面惯性矩。
进一步的，上述盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，其中，所述控制方程为：
Figure GDA0004137074450000021
Figure GDA0004137074450000022
式中，w代表桩身水平位移；p代表作用在桩基上的附加荷载；d和EI分别代表桩基等效宽度取直径与截面抗弯模量；k为地基反力模量，ES代表土体弹性模量。
进一步的，上述盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，其中，所述控制方程利用差分法求解。
进一步的，上述盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，其中，所述的桩基两端的约束为桩顶固定，桩端自由，再利用桩基两端约束情况进行求解桩基变形位移。
本发明的有益效果是，本发明首次通过Winkler地基模型，用差分法求解Winkler地基模型，相比于微分方程此解法更简单易行，也丰富了Winkler地基模型的解析，补充了隧道开挖引起临近桩基变形工程设计方面的理论研究。
附图说明
图1为本发明实施例中的盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法的流程图；
图2为隧道与临近桩基剖面示意图。
图中：1为盾构；2为桩基；3为地面位置；4为桩基水平变形位移。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
请参阅图1，一种盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，具体步骤如下。
步骤S1，确定盾构参数与桩基剖面参数及土体物理力学参数：
如图2所示，某盾构参数与桩基剖面参数及土体物理力学参数如下：
盾构隧道中心线到桩基横截面中心线的水平距离x0＝7.9m，盾构轴线埋深H＝7.8m，盾构隧道的半径R＝3.1m，土体的基床系数k＝12MPa/m，弹性模量ES＝24MPa，泊松比υ＝0.3，平均地层损失率ε0＝1％。
步骤S2，确定由于盾构引起桩周土体的自由位移场：
某盾构引起桩周土体的自由位移场表达式
Figure GDA0004137074450000041
取z＝0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,分别得出Ux1(z)。
步骤S3，确定邻近高铁桩基的参数：
桩基截面为圆形，取等效宽度为直径d＝1m；桩基的弹性模量E＝30GPa；桩基截面惯性矩I＝0.049087m4。
步骤S4，确定Winkler地基模型列桩基变形的控制方程：
其中，Winkler地基模型列桩基变形的控制方程为：
Figure GDA0004137074450000042
式中，w代表桩身水平位移；p代表作用在桩基上的附加荷载；d和EI分别代表桩基等效宽度取直径与截面抗弯模量；k为地基反力模量：
Figure GDA0004137074450000043
式中，ES代表土体弹性模量；
控制方程利用差分法改写成：
Awi-2+Bwi-1+Cwi+Bwi+1+Awi+2＝pi
式中利用差分法知道
Figure GDA0004137074450000044
pi(z)＝kUx(z)
式中，取h＝1m，z代表地表以下深度，Ux(z)为土体的自由位移场。
步骤S5，确定桩基两端约束情况及求解桩基水平位移:
根据现实情况有桩顶固定和桩端无约束，边界条件如下：
w0＝0
w-1-2w0+w1＝0
wn-3-2wn-2+2wn-wn+1＝0
wn-1-2wn+wn+1＝0
结合边界条件，得到单桩位移方程：
Figure GDA0004137074450000045
式中，
Figure GDA0004137074450000051
本实施例中的Winkler地基模型的微分方程的求解方式，可以减少各种参数的计算，运用差分法提出了Winkler地基模型的一种新的求解方程的方法，可以较好的地针对类似工程隧道开挖对临近桩基的影响分析并提出相应的设计方法，丰富了Winkler地基模型的解析，补充了隧道开挖引起临近桩基变形工程设计方面的理论研究。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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 (5)

1.一种盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)确定盾构参数、桩基剖面参数及土体物理力学参数；
(2)确定由于盾构开挖的平均地层损失比及盾构引起桩周土体的自由位移场；
(3)确定邻近高铁桩基的参数；
(4)确定Winkler地基模型列桩基变形的控制方程，利用差分法求解控制方程，其中，Winkler地基模型列桩基变形的控制方程为：
Figure FDA0004181924460000011
式中，w代表桩身水平位移；p代表作用在桩基上的附加荷载；d和EI分别代表桩基等效宽度取直径与截面抗弯模量；k为地基反力模量：
Figure FDA0004181924460000012
式中，ES代表土体弹性模量；
控制方程利用差分法改写成：
Awi-2+Bwi-1+Cwi+Bwi+1+Awi+2＝pi
式中利用差分法知道
Figure FDA0004181924460000013
pi(z)＝kUx(z)
式中，取h＝1m，z代表地表以下深度，Ux(z)为土体的自由位移场；
(5)确定桩基两端约束情况并求解桩基水平位移，
根据现实情况有桩顶固定和桩端无约束，边界条件如下：
w0＝0
w-1-2w0+w1＝0
wn-3-2wn-2+2wn-wn+1＝0
wn-1-2wn+wn+1＝0
结合边界条件，得到单桩位移方程：
Figure FDA0004181924460000014
式中，
Figure FDA0004181924460000021
2.根据权利要求1所述的盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，其特征在于，所述盾构参数包括：盾构隧道中心线到桩基横截面中心线的水平距离x0，盾构轴线埋深H，盾构隧道的半径R；所述桩基剖面参数包括：土体的基床系数k；所述土体物理力学参数包括：土体弹性模量ES，泊松比υ，平均地层损失率ε0。
3.根据权利要求2所述的盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，其特征在于，盾构隧道中心线到桩基横截面中心线的水平距离x0＝7.9m，盾构轴线埋深H＝7.8m，盾构隧道的半径R＝3.1m；土体的基床系数k＝12MPa/m；土体弹性模量ES＝24MPa，泊松比υ＝0.3，平均地层损失率ε0＝1％。
4.根据权利要求1所述的盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，其特征在于，所述邻近高铁桩基的参数包括：桩基等效宽度取直径，桩基的弹性模量，桩基截面惯性矩。
5.根据权利要求1所述的盾构掘进对邻近高铁桩基侧向变形的计算方法，其特征在于，所述的桩基两端的约束为桩顶固定，桩端自由，再利用桩基两端约束情况进行求解桩基变形位移。
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基坑开挖对邻近桩基影响的两阶段分析方法;张爱军等;《岩石力学与工程学报》;20130115;全文 *
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隧道开挖对群桩竖向位移和内力影响分析;李早等;《岩土工程学报》;20070331(第03期);全文 *
隧道施工条件下临近群桩水平力学反应分析方法;李早等;《工业建筑》;20090120(第01期);全文 *

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