CN112287446A - 基于三维地质信息模型的斜撑复合支护结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维地质信息模型的斜撑复合支护结构设计方法，其包括：建立斜撑复合支护结构模型，以竖向支撑结构与斜向支撑结构的交接点和悬臂段与嵌固段的连接点作为分界点对斜撑复合支护结构模型进行划分，通过挠曲线微分方程各部分的内力与位移，并根据计算结果进行配筋设计。本发明所建立的斜撑复合支护结构相对于现有的横截面为圆形或矩形的等截面抗滑桩支护结构，其抵抗弯矩能力更强，能更好的满足存在巨大推力的大型、巨型岩土质斜边坡、高切坡与深基坑边坡的工程治理要求。本发明基于三维地质信息模型的斜撑复合支护结构设计方法能优化斜撑复合支护结构，保证斜撑复合支护结构的安全性，并有利于减小结构尺寸。

Description

基于三维地质信息模型的斜撑复合支护结构设计方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，特别涉及一种基于三维地质信息模型的斜撑复合支护结构设计方法。

背景技术

斜边坡防滑坡有着非常重要的意义，目前实现斜边坡防滑坡的方式有多种，其各有优缺陷。

1、横截面为圆形的等截面抗滑桩支护结构

在目前边坡、基坑支护中，抗滑桩支护应用比较广泛。它是由钻孔灌注桩直线排列，并由联系梁连接，共同抵抗侧向土压力或滑坡推力的结构形式。

抗滑桩是应用广泛成熟的成桩技术。但钻孔灌注排桩抗侧向荷载的能力低等缺点阻碍了它的更广泛的使用。它的缺点主要有：

从力学性能角度，圆形桩用于抵抗侧向荷载，在满足抗剪条件下，抵抗弯矩的能力低，主要原因是，圆形截面不是抗弯的有利构件截面，一般采用矩形、“工”形等；因此，对于存在巨大推力的大型、巨型岩土质斜边坡、高切坡与深基坑边坡根本无法满足工程治理要求。

从经济角度，由于抗弯性能差，需要配置大量钢筋抗弯，材料利用不充分，不经济。

从安全性角度，挠度大，由于桩径不大，桩长细比大，悬臂式的桩挠度大，桩受拉面容易开裂，影响桩寿命，耐久性差，从而降低了安全性。

由于以上缺点，使钻孔灌注排桩只能应用于边坡高度、基坑深度不大或滑坡推力不大的情况，限制了它的使用范围。

2、横截面为矩形的等截面抗滑桩支护结构

现今的滑坡、边坡工程治理的支挡结构，应用广泛、典型的是人工挖孔的矩形抗滑桩。对滑坡推力或下滑力大的治理工程，往往首选大桩径的抗滑桩。但这一抗滑结构，存在如下问题：

从力学性能角度，矩形桩虽然在抵抗侧向荷载上优于圆形桩，但其抵抗弯矩的能力仍然较低，主要原因是，桩悬臂段是以桩身自身强度来抵抗滑坡推力的作用，其抵抗作用非常有限，桩顶位移大，将导致边坡坡顶存在的既有建(构)筑物发生变形。因此，对于存在巨大推力的大型、巨型岩土质斜边坡、高切坡与深基坑边坡根本无法满足工程治理要求。

施工安全性差。

大矩形截面抗滑桩，当桩深度很大，达30～40m时，采用的仍旧是人工挖孔工艺，要求桩孔满足人工挖孔要求，加上护壁宽，桩截面较大，这样的孔坑需采取特别的桩孔支护护壁手段，如处理不当就可能酿成重大安全事故。

施工期长，受季节影响。

大矩形截面抗滑桩施工，由于采用人工挖孔，人工挖方量大，效率低，施工严重受到挖土方工期的影响，所需施工期长。逢雨季，往往不能施工，受季节影响大。对工期要求严格的治理项目产生极大影响。

因此，需要创新设计出新的斜边坡防滑坡支护结构，以解决现有支护结构对于存在巨大推力的大型、巨型岩土质斜边坡、高切坡与深基坑边坡无法满足工程治理要求的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于三维地质信息模型的斜撑复合支护结构设计方法，以解决对于存在巨大推力的大型、巨型岩土质斜边坡、高切坡与深基坑边坡，现有支护结构抗弯矩能力低无法满足工程治理要求的技术问题。

本发明基于三维地质信息模型的斜撑复合支护结构设计方法，其包括以下步骤：

1)建立斜撑复合支护结构模型，所述斜撑复合支护结构模型包括竖立设置的竖向支撑结构、倾斜设置的斜向支撑结构和斜向支撑结构的支座；

所述竖向支撑结构包括嵌固段和连接在嵌固段上端的悬臂段，嵌固段设置在滑床内，悬臂段挡在滑坡体上；悬臂段的正面朝向滑坡体，悬臂段的背面为临空面；斜向支撑结构的一端与悬臂段的背面连接，斜向支撑结构的另一端与支座连接，所述支座设置在滑床内；

所述竖向支撑结构、斜向支撑结构和支座均由钢筋和浇筑于钢筋周围的混凝土构成；

所述竖向支撑结构的横截面为矩形，所述钢筋包括沿竖向支撑结构高度方向延伸的纵向钢筋和固定在纵向钢筋上的箍筋，所述纵向钢筋分布在竖向支撑结构的正面侧和背面侧；

2)以竖向支撑结构与斜向支撑结构的交接点和悬臂段与嵌固段的连接点作为分界点，对斜撑复合支护结构模型进行划分，竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点以上的部分为划分出的第一部分，竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点至悬臂段与嵌固段连接点的部分为划分出的第二部分，嵌固段部分为划分出的第三部分，竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点至支座的部分为划分出的第四部分；

先依据下滑推力水平分力试算悬臂段的长度H、斜撑角度θ以及嵌固段的深度h3，再设置竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点处边界条件，得到最优条件下竖向支撑与斜向支撑交接点以上部分的长度h1、嵌固段的深度h3与斜撑角度θ；然后通过挠曲线微分方程分别求解四个部分的内力与位移；

3)对于竖向支撑结构的嵌固段部分，采用弹性地基梁法微分方程求解其内力与位移，并以位移参数作为控制项，将斜撑复合支护结构各部分的挠曲微分方程进行联立求解；

4)根据步骤3的计算结果，并对结构嵌固岩体强度和坡顶位移限值进行复核，达到要求后对竖向支撑结构和斜向支撑结构进行配筋设计；

5)依据计算得到斜向支撑结构传递至支座的推力，采用基于Goodman的等效各向同性介质改进计算方法进行内力求解，依据R.V.Southwell基本方程采用Hankle变换对受荷基底应力求解，并复核结构地基反力要求，达到条件后根据计算成果对支座进行结构尺寸设计与配筋设计。

本发明的有益效果：

本发明基于三维地质信息模型的斜撑复合支护结构设计方法，其所建立的斜撑复合支护结构相对于现有的横截面为圆形或矩形的等截面抗滑桩支护结构，其抵抗弯矩能力更强，能更好的满足存在巨大推力的大型、巨型岩土质斜边坡、高切坡与深基坑边坡的工程治理要求。

本发明基于三维地质信息模型的斜撑复合支护结构设计方法能优化斜撑复合支护结构，保证斜撑复合支护结构的安全性，并有利于减小结构尺寸。

附图说明

图1为斜撑复合支护结构的实体结构示意图；

图2为斜撑复合支护结构的简化模型示意图；

图3为斜撑复合支护结构模型的分解部划分示意图；

图4为斜撑复合支护结构模型的分解示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本实施例中基于三维地质信息模型的斜撑复合支护结构设计方法包括以下步骤：

1)建立斜撑复合支护结构模型，所述斜撑复合支护结构模型包括竖立设置的竖向支撑结构1、倾斜设置的斜向支撑结构2和斜向支撑结构的支座3。

所述竖向支撑结构包括嵌固段11和连接在嵌固段上端的悬臂段12，嵌固段设置在滑床内，悬臂段挡在滑坡体上；悬臂段的正面朝向滑坡体，悬臂段的背面为临空面；斜向支撑结构的一端与悬臂段的背面连接，斜向支撑结构的另一端与支座连接，所述支座设置在滑床内。

本实施例中，所述竖向支撑结构、斜向支撑结构和支座均由钢筋和浇筑于钢筋周围的混凝土构成。

本实施例中，所述竖向支撑结构的横截面为矩形，所述钢筋包括沿竖向支撑结构高度方向延伸的纵向钢筋和固定在纵向钢筋上的箍筋，所述纵向钢筋分布在竖向支撑结构的正面侧和背面侧。纵向钢架设置在斜向支撑结构的正面侧和背面侧能提高其抗弯能力。

2)以竖向支撑结构与斜向支撑结构的交接点A和悬臂段与嵌固段的连接点B作为分界点，对斜撑复合支护结构模型进行划分，竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点以上的部分为划分出的第一部分，竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点至悬臂段与嵌固段连接点的部分为划分出的第二部分，嵌固段部分为划分出的第三部分，竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点至支座的部分为划分出的第四部分。如表1及说明书附图4所示，第一部分的上端点为O点，第一部分的下端点为A₁点，第二部分的上端点为A₂点，第二部分的下端点为B₁点，第三部分的上端点为B₂点，第三部分的下端点为C点，第四部分的上端点为R点，第四部分的下端点为D点；O点的位移为x_o，O点的转角为φ_o，O点的弯矩为M_O，O点的剪力为Q_O；A₁点的位移为x_A1，A₁点的转角为φ_A1，A₁点的弯矩为M_A1，A₁点的剪力为Q_A1；A₂点的位移为x_A2，A₂点的转角为φ_A2，A₂点的弯矩为M_A2，A₂点的剪力为Q_A2；D点的位移为x_D，D点的转角为φ_D，D点的弯矩为M_D，D点的剪力为Q_D；B₁点的位移为x_B1，B₁点的转角为φ_B1，B₁点的弯矩为M_B1，B₁点的剪力为Q_B1；B₂点的位移为x_B2，B₂点的转角为φ_B2，B₂点的弯矩为M_B2，B₂点的剪力为Q_B2；C点的位移为x_C，C点的转角为φ_C，C点的弯矩为M_C，C点的剪力为Q_C；R点的位移为x_R，R点的转角为φ_R，R点的弯矩为M_R，R点的剪力为Q_R。

表1

先依据下滑推力水平分力试算悬臂段的长度H、斜撑角度θ以及嵌固段的深度h3，再设置竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点处边界条件，得到最优条件下竖向支撑与斜向支撑交接点以上部分的长度h1、嵌固段的深度h3与斜撑角度θ；然后通过挠曲线微分方程分别求解四个部分的内力与位移。

将分解得到的斜撑复合支护结构各个子段参数代入微分方程可求得各段微分方程的通解，加入各段端点的位移、转角、弯矩和剪力作为未知数并作为初始条件引入方程，即可求得到微分方程的特解，基本公式如下：

位移方程为:

转角方程为:

弯矩方程为:

剪力方程为:

Q(y)＝Q+qy

式中：x为结点位移，φ为结点转角，M为结点弯矩，Q为结点剪力，q为下滑推力均布荷载，EI为抗弯刚度。

3)对于竖向支撑结构的嵌固段部分，采用弹性地基梁法微分方程求解其内力与位移，并以位移参数作为控制项，将斜撑复合支护结构各部分的挠曲微分方程进行联立求解。

竖向支撑结构的嵌固段挠曲微分控制方程为：

式中：β为竖向支撑桩的变形系数，

B_p为竖向支撑结构的计算宽度；K为地基弹性抗力系数；φ₁是图3中O点处的转角量，φ₂是图3中A点处的转角量，φ₃是图3中B点处的转角量，φ₄是图3中C点处的转角量；

将方程组以张量形式给出Ax＝b，其中x为未知数组成的列向量：

其中的x_t图3中A点处的扰度，x_r是图3中B点处的挠度，F_N为斜撑轴力。

b为常数项组成的列向量：

其中，h₁是竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点以上的部分的长度，h₂竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点至悬臂段与嵌固段连接点的部分的长度，h₃嵌固段的深度，θ是斜向支撑结构与水平面的夹角；

系数矩阵A即为系数方程。

将非齐次方程组求解写为一般形式：

方程的解为：x＝A^-1b。将方程的解代入各段微分方程特解中，即可求得任意参数情况下斜撑符合支护结构各点内力形变。

4)根据步骤3的计算结果，并对结构嵌固岩体强度和坡顶位移限值进行复核，达到要求后对竖向支撑结构和斜向支撑结构进行配筋设计。

5)依据计算得到斜向支撑结构传递至支座的推力，采用基于Goodman的等效各向同性介质改进计算方法进行内力求解，依据R.V.Southwell基本方程采用Hankle变换对受荷基底应力求解，并复核结构地基反力要求，达到条件后根据计算成果对支座进行结构尺寸设计与配筋设计。

本实施例中基于三维地质信息模型的斜撑复合支护结构设计方法，其所建立的斜撑复合支护结构相对于现有的横截面为圆形或矩形的等截面抗滑桩支护结构，其抵抗弯矩能力更强，能更好的满足存在巨大推力的大型、巨型岩土质斜边坡、高切坡与深基坑边坡的工程治理要求。本实施例中基于三维地质信息模型的斜撑复合支护结构设计方法能优化斜撑复合支护结构，保证斜撑复合支护结构的安全性，并有利于减小结构尺寸。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.基于三维地质信息模型的斜撑复合支护结构设计方法，其包括以下步骤：

1)建立斜撑复合支护结构模型，所述斜撑复合支护结构模型包括竖立设置的竖向支撑结构、倾斜设置的斜向支撑结构和斜向支撑结构的支座；

所述竖向支撑结构包括嵌固段和连接在嵌固段上端的悬臂段，嵌固段设置在滑床内，悬臂段挡在滑坡体上；悬臂段的正面朝向滑坡体，悬臂段的背面为临空面；斜向支撑结构的一端与悬臂段的背面连接，斜向支撑结构的另一端与支座连接，所述支座设置在滑床内；

所述竖向支撑结构、斜向支撑结构和支座均由钢筋和浇筑于钢筋周围的混凝土构成；

所述竖向支撑结构的横截面为矩形，所述钢筋包括沿竖向支撑结构高度方向延伸的纵向钢筋和固定在纵向钢筋上的箍筋，所述纵向钢筋分布在竖向支撑结构的正面侧和背面侧；

2)以竖向支撑结构与斜向支撑结构的交接点和悬臂段与嵌固段的连接点作为分界点，对斜撑复合支护结构模型进行划分，竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点以上的部分为划分出的第一部分，竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点至悬臂段与嵌固段连接点的部分为划分出的第二部分，嵌固段部分为划分出的第三部分，竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点至支座的部分为划分出的第四部分；

先依据下滑推力水平分力试算悬臂段的长度H、斜撑角度θ以及嵌固段的深度h3，再设置竖向支撑结构与斜向支撑结构交接点处边界条件，得到最优条件下竖向支撑与斜向支撑交接点以上部分的长度h1、嵌固段的深度h3与斜撑角度θ；然后通过挠曲线微分方程分别求解四个部分的内力与位移；

3)对于竖向支撑结构的嵌固段部分，采用弹性地基梁法微分方程求解其内力与位移，并以位移参数作为控制项，将斜撑复合支护结构各部分的挠曲微分方程进行联立求解；

4)根据步骤3的计算结果，并对结构嵌固岩体强度和坡顶位移限值进行复核，达到要求后对竖向支撑结构和斜向支撑结构进行配筋设计；

5)依据计算得到斜向支撑结构传递至支座的推力，采用基于Goodman的等效各向同性介质改进计算方法进行内力求解，依据R.V.Southwell基本方程采用Hankle变换对受荷基底应力求解，并复核结构地基反力要求，达到条件后根据计算成果对支座进行结构尺寸设计与配筋设计。

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