CN112323820B - 一种基于土壤特征的基坑支护设计方法 - Google Patents

一种基于土壤特征的基坑支护设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于土壤特征的基坑支护设计方法，其包括有以下步骤：a、通过地下水渗流场检测方法获得基坑全场三维渗流场数据，以及通过土体强度原位检测方法获得基坑全场三维强度场数据；b、根据步骤a所获得的基坑全场三维渗流场数据、三维强度场数据，选择基坑开挖方法以及基坑支护方法；c、根据基坑支护方法和基坑分级确定基坑边界条件；d、基于有限元分析对支撑构件进行优化。本发明的基于土壤特征的基坑支护设计方法能够在一定程度上缓解现有基坑开挖、支护过程中出现的问题，以进一步提高基坑支护工程的稳定性和安全性。

Description

一种基于土壤特征的基坑支护设计方法
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种基于土壤特征的基坑支护设计方法。
背景技术
近年来，随着城市建筑工程的不断发展，基坑支护过程中出现的问题愈发明显；基坑土壤地质结构复杂，地下水时随效应明显，这些都可能影响基坑设计、开挖和施工过程。
为确保基坑支护工程的稳定性和安全性，需要针对存在的问题采取有效的解决措施。通过加强设计理念创新去寻找新的计算方法，能够在一定程度上缓解基坑开挖、支护过程中出现的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于土壤特征的基坑支护设计方法，该基于土壤特征的基坑支护设计方法能够在一定程度上缓解现有基坑开挖、支护过程中出现的问题，以进一步提高基坑支护工程的稳定性和安全性。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。
一种基于土壤特征的基坑支护设计方法，包括有以下步骤，具体的：
a、通过地下水渗流场检测方法获得基坑全场三维渗流场数据，以及通过土体强度原位检测方法获得基坑全场三维强度场数据，具体步骤为：
a1、沿着基坑周边依次间隔设置若干多功能检测杆，多功能检测杆包括有呈直杆形状，检测杆杆体为中空结构且检测杆杆体的芯部开设有朝上开口的杆体容置腔，检测杆杆体设置有从上至下依次间隔布置的测点安装位，检测杆杆体的各测点安装位分别装设有电极、呈圆环形状的压电陶瓷环，各电极以及各压电陶瓷环的数据引出线分别通过杆体容置腔且经由杆体容置腔的上端开口引出，各电极以及各压电陶瓷环的数据引出线分别与数据采集仪器电性连接；
a2、依次检测位于不同多功能检测杆的两个电极之间的电阻率，并通过交叉分析得到基坑全场三维渗流场数据；
a3、对多功能检测杆的各环形压电陶瓷施加电信号，各环形压电陶瓷分别作为信号发射端、信号接收端，且各环形压电陶瓷分别进行一次信号发射以及多次信号接收，各环形压电陶瓷发射信号时分别驱动土体低频震动，根据信号接收端的环形压电陶瓷所接收的信号强弱即可反映相应信号的信号发射端与信号接收端两点之间土体强度，再通过交叉分析得到基坑全场三维强度场数据；
b、根据步骤a所获得的基坑全场三维渗流场数据、三维强度场数据，选择基坑开挖方法以及基坑支护方法，具体步骤为：
b1、通过基坑全场三维强度场数据能够计算分析出基坑的土体抗剪强度，结合考虑土体应力水平以确定基坑的土体种类；
b2、在确定基坑的土体种类之后，根据基坑全场三维渗流场数据确定基坑土体含水率分布，再根据基坑土体含水率分布确定土体塑性指数；
b3、通过分布判断基坑土体各处是否达到液限或者塑限，根据判断结果确定土体性能属性，以确定基坑开挖方法和基坑支护方法；
c、根据基坑支护方法和基坑分级确定基坑边界条件：在土体性能属性确定之后，在该土体性能属性条件下，综合考虑永久荷载、可变荷载、偶然荷载以及耦合分析土压力、水压力、建筑物和结构物荷载、施工荷载、温度引起的支护结构附加荷载，以确定基坑支撑荷载作为基坑边界条件；
d、支撑构件优化：
d1、根据不同支撑构件承载力、稳定性进行分类，通过参数化分析建立构件承载力和稳定性影响参数数据库；
d2、通过有限元多尺度方法对支撑构件进行构件简化，并提出主要影响参数；
d3、基于基坑三维渗流场数据、基坑三维强度场数据、基坑边界条件建立有限元分析模型，并基于有限元进行拓扑优化分析，在保证基坑支撑体系刚度的条件下，确定支撑构件空间位置和承载力；
d4、通过各个支撑构件承载力需求进行支撑构件参数选择，并引入有限元分析模型中；
d5、再对有限元分析模型进行验证分析，在满足强度、刚度、施工碰撞的条件基础上，最终确定支撑构件布置方案。
其中，所述多功能检测杆的检测杆杆体的下端部为锥形形状。
其中，所述步骤b3中所描述的基坑开挖方法包括：
1）、放坡挖土：针对强度较高、土壤含水率低的基坑土体；
2）、中心岛式挖土：针对土体强度和土壤含水率均为中等的基坑土体；
3）、盆式挖土：针对土体强度低、含水率较高的基坑土体。
其中，所述步骤b3中所描述的支护方法包括：
1）、钢板桩支护方法：用于土体强度低、土壤含水率高的基坑土体；
2）、地下连续墙支护方法：用于软粘土、沙土地质结构比较复杂的施工环境中；
3）、柱列式的灌注桩的排桩支护方法：用于土体强度低、土壤含水率高的基坑土体；
4）、SMW工法桩支护方法：用于土体强度低、土壤含水率高的基坑土体；
5、高压旋喷桩支护方法：用于土体强度和土壤含水率均为中等的基坑土体；
6）、钻孔灌注桩支护方法：用于土体强度低和土壤含水率中等的基坑土体；
7）、土钉墙支护方法：用于土体强度较高或者土壤含水率较低的基坑土体。
其中，所述步骤c中所描述的基坑分级包括：
1）、一级基坑：重要工程；或者，支护结构与基础结构合一工程；或者，开挖深度＞10m；或者，临近建筑物、重要设施在开挖深度以内；或者，开挖影响范围内有历史或近代优秀建筑、重要管线需严加保护；
2）、二级基坑：不属于一级或三级的其它基坑；
3）、三级基坑：开挖深度＜7m，且无特别要求的基坑。
其中，于所述步骤d3中，有限元分析模型的建立包括：材料属性、模型、边界条件；
材料属性根据支撑构件材料进行选择；
模型采用三维实体单元、壳单元和梁单元结合的方式。
本发明的有益效果为：本发明所述的一种基于土壤特征的基坑支护设计方法，其包括有以下步骤，具体的：a、通过地下水渗流场检测方法获得基坑全场三维渗流场数据，以及通过土体强度原位检测方法获得基坑全场三维强度场数据，具体步骤为：a1、沿着基坑周边依次间隔设置若干多功能检测杆，多功能检测杆包括有呈直杆形状，检测杆杆体为中空结构且检测杆杆体的芯部开设有朝上开口的杆体容置腔，检测杆杆体设置有从上至下依次间隔布置的测点安装位，检测杆杆体的各测点安装位分别装设有电极、呈圆环形状的压电陶瓷环，各电极以及各压电陶瓷环的数据引出线分别通过杆体容置腔且经由杆体容置腔的上端开口引出，各电极以及各压电陶瓷环的数据引出线分别与数据采集仪器电性连接；a2、依次检测位于不同多功能检测杆的两个电极之间的电阻率，并通过交叉分析得到基坑全场三维渗流场数据；a3、对多功能检测杆的各环形压电陶瓷施加电信号，各环形压电陶瓷分别作为信号发射端、信号接收端，且各环形压电陶瓷分别进行一次信号发射以及多次信号接收，各环形压电陶瓷发射信号时分别驱动土体低频震动，根据信号接收端的环形压电陶瓷所接收的信号强弱即可反映相应信号的信号发射端与信号接收端两点之间土体强度，再通过交叉分析得到基坑全场三维强度场数据；b、根据步骤a所获得的基坑全场三维渗流场数据、三维强度场数据，选择基坑开挖方法以及基坑支护方法，具体步骤为：b1、通过基坑全场三维强度场数据能够计算分析出基坑的土体抗剪强度，结合考虑土体应力水平以确定基坑的土体种类；b2、在确定基坑的土体种类之后，根据基坑全场三维渗流场数据确定基坑土体含水率分布，再根据基坑土体含水率分布确定土体塑性指数；b3、通过分布判断基坑土体各处是否达到液限或者塑限，根据判断结果确定土体性能属性，以确定基坑开挖方法和基坑支护方法；c、根据基坑支护方法和基坑分级确定基坑边界条件：在土体性能属性确定之后，在该土体性能属性条件下，综合考虑永久荷载、可变荷载、偶然荷载以及耦合分析土压力、水压力、建筑物和结构物荷载、施工荷载、温度引起的支护结构附加荷载，以确定基坑支撑荷载作为基坑边界条件；d、支撑构件优化：d1、根据不同支撑构件承载力、稳定性进行分类，通过参数化分析建立构件承载力和稳定性影响参数数据库；d2、通过有限元多尺度方法对支撑构件进行构件简化，并提出主要影响参数；d3、基于基坑三维渗流场数据、基坑三维强度场数据、基坑边界条件建立有限元分析模型，并基于有限元进行拓扑优化分析，在保证基坑支撑体系刚度的条件下，确定支撑构件空间位置和承载力；d4、通过各个支撑构件承载力需求进行支撑构件参数选择，并引入有限元分析模型中；d5、再对有限元分析模型进行验证分析，在满足强度、刚度、施工碰撞的条件基础上，最终确定支撑构件布置方案。该基坑支护设计方法能够在一定程度上缓解现有基坑开挖、支护过程中出现的问题，以进一步提高基坑支护工程的稳定性和安全性。
附图说明
下面利用附图来对本发明进行进一步的说明，但是附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。
图1为本发明的示意图。
图2为地下水渗流场交叉分析方法的示意图。
图3为两个多功能检测杆之间的检测点示意图。
图4为多功能检测杆平面布置及检测点示意图。
在图1至图4中包括有：
100——多功能检测杆
101——检测杆杆体
102——测点安装位。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式来对本发明进行说明。
一种基于土壤特征的基坑支护设计方法，如图1所示，其包括有以下步骤，具体的：
a、通过地下水渗流场检测方法获得基坑全场三维渗流场数据，以及通过土体强度原位检测方法获得基坑全场三维强度场数据，具体步骤为：
a1、如图3和图4所示，沿着基坑周边依次间隔设置若干多功能检测杆100，多功能检测杆100包括有呈直杆形状，检测杆杆体101为中空结构且检测杆杆体101的芯部开设有朝上开口的杆体容置腔，检测杆杆体101设置有从上至下依次间隔布置的测点安装位102，检测杆杆体101的各测点安装位102分别装设有电极、呈圆环形状的压电陶瓷环，各电极以及各压电陶瓷环的数据引出线分别通过杆体容置腔且经由杆体容置腔的上端开口引出，各电极以及各压电陶瓷环的数据引出线分别与数据采集仪器电性连接；需指出的是，所述多功能检测杆100的检测杆杆体101的下端部为锥形形状，检测杆杆体101的下端锥形结构能够方便检测杆杆体101插入土体；
a2、依次检测位于不同多功能检测杆100的两个电极之间的电阻率，并通过交叉分析得到基坑全场三维渗流场数据；具体的，如图2所示，测点1和测点4之间通过测量电阻率以得到连线1-4的电阻率，进而可估算出连线1-4的含水率；同样的方法，测点2和测点3之间通过测量电阻率以得到连线2-3的电阻率，进而可估算出连线2-3的含水率，通过反推得到连线1-4与线2-3之间交点a的含水率大概值，之后通过同样的方法得到所有交点含水率，然后通过各个交点相互验证，进而得到两个多功能检测杆100之间含水率二维平面分布，通过多个含水率二维平面分布交织即可得到三维渗流场数据；
a3、对多功能检测杆100的各环形压电陶瓷施加电信号，各环形压电陶瓷分别作为信号发射端、信号接收端，当环形压电陶瓷在施加电信号时会发出环形振动信号，且各环形压电陶瓷分别进行一次信号发射以及多次信号接收，各环形压电陶瓷发射信号时分别驱动土体低频震动，根据信号接收端的环形压电陶瓷所接收的信号强弱即可反映相应信号的信号发射端与信号接收端两点之间土体强度，再通过交叉分析得到基坑全场三维强度场数据；具体的，与全场三维渗流场数据交叉分析方法一样，先得到两个多功能检测杆100之间强度二维平面分布，通过多个强度二维平面分布交织即可得到三维强度场数据；
b、根据步骤a所获得的基坑全场三维渗流场数据、三维强度场数据，选择基坑开挖方法以及基坑支护方法，具体步骤为：
b1、通过基坑全场三维强度场数据能够计算分析出基坑的土体抗剪强度，结合考虑土体应力水平以确定基坑的土体种类；
b2、在确定基坑的土体种类之后，根据基坑全场三维渗流场数据确定基坑土体含水率分布，再根据基坑土体含水率分布确定土体塑性指数；
b3、通过分布判断基坑土体各处是否达到液限或者塑限，根据判断结果确定土体性能属性，以确定基坑开挖方法和基坑支护方法；
c、根据基坑支护方法和基坑分级确定基坑边界条件：在土体性能属性确定之后，在该土体性能属性条件下，综合考虑永久荷载、可变荷载、偶然荷载以及耦合分析土压力、水压力、建筑物和结构物荷载、施工荷载、温度引起的支护结构附加荷载，以确定基坑支撑荷载作为基坑边界条件；
d、支撑构件优化：
d1、根据不同支撑构件承载力、稳定性进行分类，通过参数化分析建立构件承载力和稳定性影响参数数据库；
d2、通过有限元多尺度方法对支撑构件进行构件简化，并提出主要影响参数；
d3、基于基坑三维渗流场数据、基坑三维强度场数据、基坑边界条件建立有限元分析模型，并基于有限元进行拓扑优化分析，在保证基坑支撑体系刚度的条件下，确定支撑构件空间位置和承载力；其中，有限元分析模型的建立包括：材料属性、模型、边界条件；材料属性根据支撑构件材料进行选择；模型采用三维实体单元、壳单元和梁单元结合的方式；
d4、通过各个支撑构件承载力需求进行支撑构件参数选择，并引入有限元分析模型中；
d5、再对有限元分析模型进行验证分析，在满足强度、刚度、施工碰撞的条件基础上，最终确定支撑构件布置方案。
需解释的是，所述步骤b3中所描述的基坑开挖方法包括：
1）、放坡挖土：针对强度较高、土壤含水率低的基坑土体；
2）、中心岛式挖土：针对土体强度和土壤含水率均为中等的基坑土体；
3）、盆式挖土：针对土体强度低、含水率较高的基坑土体。
另外，所述步骤b3中所描述的支护方法包括：
1）、钢板桩支护方法：用于土体强度低、土壤含水率高的基坑土体；
2）、地下连续墙支护方法：用于软粘土、沙土地质结构比较复杂的施工环境中；
3）、柱列式的灌注桩的排桩支护方法：用于土体强度低、土壤含水率高的基坑土体；
4）、SMW工法桩支护方法：用于土体强度低、土壤含水率高的基坑土体；
5）、高压旋喷桩支护方法：用于土体强度和土壤含水率均为中等的基坑土体；
6）、钻孔灌注桩支护方法：用于土体强度低和土壤含水率中等的基坑土体；
7）、土钉墙支护方法：用于土体强度较高或者土壤含水率较低的基坑土体。
还有就是，其中，所述步骤c中所描述的基坑分级包括：
1）、一级基坑：重要工程；或者，支护结构与基础结构合一工程；或者，开挖深度＞10m；或者，临近建筑物、重要设施在开挖深度以内；或者，开挖影响范围内有历史或近代优秀建筑、重要管线需严加保护；
2）、二级基坑：不属于一级或三级的其它基坑；
3）、三级基坑：开挖深度＜7m，且无特别要求的基坑。
综合上述情况可知，通过上述步骤设计，本发明的基坑支护设计方法能够在一定程度上缓解现有基坑开挖、支护过程中出现的问题，以进一步提高基坑支护工程的稳定性和安全性。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于土壤特征的基坑支护设计方法，其特征在于，包括有以下步骤，具体的：
a、通过地下水渗流场检测方法获得基坑全场三维渗流场数据，以及通过土体强度原位检测方法获得基坑全场三维强度场数据，具体步骤为：
a1、沿着基坑周边依次间隔设置若干多功能检测杆（100），多功能检测杆（100）包括有呈直杆形状的检测杆杆体（101），检测杆杆体（101）为中空结构且检测杆杆体（101）的芯部开设有朝上开口的杆体容置腔，检测杆杆体（101）设置有从上至下依次间隔布置的测点安装位（102），检测杆杆体（101）的各测点安装位（102）分别装设有电极、呈圆环形状的压电陶瓷环，各电极以及各压电陶瓷环的数据引出线分别通过杆体容置腔且经由杆体容置腔的上端开口引出，各电极以及各压电陶瓷环的数据引出线分别与数据采集仪器电性连接；
a2、依次检测位于不同多功能检测杆（100）的两个电极之间的电阻率，并通过交叉分析得到基坑全场三维渗流场数据；
a3、对多功能检测杆（100）的各环形压电陶瓷施加电信号，各环形压电陶瓷分别作为信号发射端、信号接收端，且各环形压电陶瓷分别进行一次信号发射以及多次信号接收，各环形压电陶瓷发射信号时分别驱动土体低频震动，根据信号接收端的环形压电陶瓷所接收的信号强弱即可反映相应信号的信号发射端与信号接收端两点之间土体强度，再通过交叉分析得到基坑全场三维强度场数据；
b、根据步骤a所获得的基坑全场三维渗流场数据、三维强度场数据，选择基坑开挖方法以及基坑支护方法，具体步骤为：
b1、通过基坑全场三维强度场数据能够计算分析出基坑的土体抗剪强度，结合考虑土体应力水平以确定基坑的土体种类；
b2、在确定基坑的土体种类之后，根据基坑全场三维渗流场数据确定基坑土体含水率分布，再根据基坑土体含水率分布确定土体塑性指数；
b3、通过分布判断基坑土体各处是否达到液限或者塑限，根据判断结果确定土体性能属性，以确定基坑开挖方法和基坑支护方法；
c、根据基坑支护方法和基坑分级确定基坑边界条件：在土体性能属性确定之后，在该土体性能属性条件下，综合考虑永久荷载、可变荷载、偶然荷载以及耦合分析土压力、水压力、建筑物和结构物荷载、施工荷载、温度引起的支护结构附加荷载，以确定基坑支撑荷载作为基坑边界条件；
d、支撑构件优化：
d1、根据不同支撑构件承载力、稳定性进行分类，通过参数化分析建立构件承载力和稳定性影响参数数据库；
d2、通过有限元多尺度方法对支撑构件进行构件简化，并提出主要影响参数；
d3、基于基坑三维渗流场数据、基坑三维强度场数据、基坑边界条件建立有限元分析模型，并基于有限元进行拓扑优化分析，在保证基坑支撑体系刚度的条件下，确定支撑构件空间位置和承载力；
d4、通过各个支撑构件承载力需求进行支撑构件参数选择，并引入有限元分析模型中；
d5、再对有限元分析模型进行验证分析，在满足强度、刚度、施工碰撞的条件基础上，最终确定支撑构件布置方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于土壤特征的基坑支护设计方法，其特征在于：所述多功能检测杆（100）的检测杆杆体（101）的下端部为锥形形状。
3.根据权利要求1所述的一种基于土壤特征的基坑支护设计方法，其特征在于：所述步骤b3中所描述的基坑开挖方法包括：
1）、放坡挖土：针对强度较高、土壤含水率低的基坑土体；
2）、中心岛式挖土：针对土体强度和土壤含水率均为中等的基坑土体；
3）、盆式挖土：针对土体强度低、含水率较高的基坑土体。
4.根据权利要求1所述的一种基于土壤特征的基坑支护设计方法，其特征在于：所述步骤b3中所描述的支护方法包括：
1）、钢板桩支护方法：用于土体强度低、土壤含水率高的基坑土体；
2）、地下连续墙支护方法：用于软粘土、沙土地质结构比较复杂的施工环境中；
3）、柱列式的灌注桩的排桩支护方法：用于土体强度低、土壤含水率高的基坑土体；
4）、SMW工法桩支护方法：用于土体强度低、土壤含水率高的基坑土体；
5）、高压旋喷桩支护方法：用于土体强度和土壤含水率均为中等的基坑土体；
6）、钻孔灌注桩支护方法：用于土体强度低和土壤含水率中等的基坑土体；
7）、土钉墙支护方法：用于土体强度较高或者土壤含水率较低的基坑土体。
5.根据权利要求1所述的一种基于土壤特征的基坑支护设计方法，其特征在于：所述步骤c中所描述的基坑分级包括：
1）、一级基坑：重要工程；或者，支护结构与基础结构合一工程；或者，开挖深度＞10m；或者，临近建筑物、重要设施在开挖深度以内；或者，开挖影响范围内有历史或近代优秀建筑、重要管线需严加保护；
2）、二级基坑：不属于一级或三级的其它基坑；
3）、三级基坑：开挖深度＜7m，且无特别要求的基坑。
6.根据权利要求1所述的一种基于土壤特征的基坑支护设计方法，其特征在于：于所述步骤d3中，有限元分析模型的建立包括：材料属性、模型、边界条件；
材料属性根据支撑构件材料进行选择；
模型采用三维实体单元、壳单元和梁单元结合的方式。
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