CN113128061B - 一种邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法 - Google Patents
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Abstract
一种邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法,包括以下步骤:确定邻接基坑的设计参数、地表标准荷载和土体的物理力学参数;确定施工阶段和滑裂面倾角的初始值;获取不同阶段失效范围内土体的重力做功功率、地面标准荷载的做功功率、土侧压力合力的做功功率、失效面上粘聚阻力的做功功率;建立极限分析的求解方程,求解土压力合力的数值以及不同阶段的土压力合力的最大值;确定两个阶段之间的临界深度;根据临界深度范围,确定不同深度处的土压力分布情况,并分段给出相应的土压力分布值。本发明的方法,获取明挖隧道与地铁车站近接非同步施工的土压力,可靠性高,计算方法简单,理论可靠,有利于指导工程中邻接基坑的施工设计和地下建筑结构设计。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域,尤其涉及一种非同步施工的土压力获取方法。
背景技术
随着城市地下空间建设的迅猛发展,邻接工程越来越多。明挖隧道邻接地铁车站时,两侧基坑施工往往采用非同步施工方案。施工过程中两基坑中间土体为受限土体,土压力随深度呈现阶梯状变化。
现行土压力规范获取方法中,采用的是朗肯土压力理论的基本假设,即假定失效面从基坑底部沿直线发展到地面,并将地表视为完整的平面,这样将错误地估计土体开挖后引发的侧向土压力的作用,显然不适用于明挖隧道邻接地铁车站工程中的邻接基坑非同步开挖的情况。并且,由于明挖隧道邻接地铁车站两侧基坑土体的开挖,中间土体在抵抗内部结构荷载作用和保持安全稳定的性能将大幅削弱,土体在主被动作用下的力学机理发生显著变化。
为解决明挖隧道邻接地铁车站工程中的邻接基坑在设计阶段土压力的计算难题,提高对于邻接工程安全施工评估的准确性,并指导邻接工程中两侧基坑内部结构的设计,成为目前获取非同步施工的土压力亟需解决的问题。
本发明通过了一种适用于种明挖隧道与地铁车站邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法,考虑了明挖隧道邻接地铁车站工程中两侧基坑的距离和开挖的高度差。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法,考虑到明挖隧道邻接地铁车站工程中两侧基坑的距离和开挖的高度差,给出明挖隧道邻接地铁车站工程中邻接基坑有限宽度及非同步开挖的理论求解,适用于交通、市政、水利等部门中地下施工方案的设计。
为实现上述目的,本发明提供的邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法,包括以下步骤:
确定邻接基坑的设计参数、地表标准荷载和土体的物理力学参数;
确定施工阶段和滑裂面倾角的初始值;
获取不同阶段失效范围内土体的重力做功功率、地面标准荷载的做功功率、土侧压力合力的做功功率、失效面上粘聚阻力的做功功率;
建立极限分析的求解方程,求解土压力合力的数值以及不同阶段的土压力合力的最大值;
确定两个阶段之间的临界深度;
根据临界深度范围,确定不同深度处的土压力分布情况,并分段给出相应的土压力分布值。
进一步地,所述邻接基坑的设计参数,包括,邻接基坑的间距、两侧基坑各自的开挖深度,对应待计算一侧基坑的开挖深度;
所述地表标准荷载,为地面堆载的材料、机具和行人等引起的附加荷载;
所述土体的物理力学参数,包括,土体的自然重度,粘聚力和计算内摩擦角。
进一步地,所述确定施工阶段和滑裂面倾角的初始值的步骤,还包括,将施工阶段划分为第一阶段、第二阶段和第三阶段;
将滑裂面倾角作为初始计算取值设定为45°。
进一步地,所述获取不同阶段失效范围内土体的重力做功功率的步骤,还包括,
采用朗肯土压力理论获取第一阶段失效范围内土体的重力做功功率;
第二阶段失效范围内土体的重力做功功率:
第三阶段失效范围内土体的重力做功功率:
进一步地,所述获取地面标准荷载的做功功率的步骤,还包括,获取第二阶段和第三阶段的地面标准荷载的做功功率的步骤,公式如下:
进一步地,所述获取土侧压力合力的做功功率的步骤,还包括,获取第二阶段和第三阶段的土侧压力合力的做功功率的步骤,公式如下:
进一步地,所述获取失效面上粘聚阻力的做功功率的步骤,还包括,
获取第二阶段土失效面上粘聚阻力的做功功率,如下公式:
获取第三阶段的土失效面上粘聚阻力的做功功率,如下公式:
进一步地,所述建立极限分析的求解方程的步骤,还包括,建立如下极限分析的求解方程:
Ug+Uq+Up=N,
其中,Ug为土体的重力做功功率,Uq为地面标准荷载的做功功率,Up为土侧压力合力的做功功率,N为土失效面上粘聚阻力的做功功率。
进一步地,所述求解土压力合力的数值的步骤,还包括,
求解第一阶段的土压力合力的数值,公式如下:
求解第二阶段的土压力合力的数值,公式如下:
求解第三阶段的土压力合力的数值,公式如下:
进一步地,所述求解不同阶段土压力合力的最大值的步骤,还包括,
采用Matlab数值工具,以滑裂面倾角作为变量,求解不同阶段的土压力合力的最大值。
进一步地,所述确定两个阶段之间的临界深度的步骤,还包括,
确定第一阶段和第二阶段的临界深度,公式如下:
确定第二阶段和第三阶段的临界深度,公式如下:
Hcr2=H′+Ltanθcr,2;
进一步地,所述根据临界深度范围,确定不同深度处的土压力分布情况的步骤,还包括,
当h≥H′+Ltanθcr,土压力分布取第三阶段计算模型的合力的导数值,公式如下:
其中,p为土压力分布值,θa取开挖深度对应的极限失效面倾角与朗肯土压力失效面倾角的线性插值,γ为周围土体的自然重度,H为待计算一侧基坑的开挖深度,H′为另一侧基坑的开挖深度,L为邻接基坑的间距,θ为滑裂面倾角,为内摩擦角,c为粘聚力,q为地表标准荷载,h为开挖深度,θcr为极限失效面倾角,Hcr1为第一阶段和第二阶段的临界深度,Hcr2为第二阶段和第三阶段的临界深度。
更进一步地,所述分段给出相应的土压力分布值的步骤,还包括,
判断H与Hcr1和Hcr2的相对大小,
若H<Hcr1:则,土压力分布值为第一阶段土压力分布值;
若H>Hcr1且H<Hcr2,则,土压力分布值H在0~Hcr1范围内为第一阶段土压力分布值,在Hcr1~Hcr2范围内为第二阶段土压力分布值;
若H>Hcr2,则,土压力分布值H在0~Hcr1范围内为第一阶段土压力分布值,在Hcr1~Hcr2范围内为第二阶段土压力分布值,在大于Hcr2范围内为第三阶段土压力分布值,
其中,H为待计算一侧基坑的开挖深度,Hcr1为第一阶段和第二阶段的临界深度,Hcr2为第二阶段和第三阶段的临界深度。
为实现上述目的,本发明还提供一种电子设备,包括,存储器和处理器,所述存储器上储存有在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器运行所述计算机程序时执行如上文所述的邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法的步骤。
为实现上述目的,本发明还提供一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,所述计算机程序运行时执行如上文所述的邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法的步骤。
与现有技术相比较,本发明的邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法,具有以下有益效果:
本发明所提供的邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法,可适用于明挖隧道邻接地铁车站工程中邻接基坑分阶段不同步开挖施工的地下建筑领域。在邻接距离有限、基坑设计深度较大、施工不同步情况下,土体失效范围受到几何形状限制,应考虑几何因素对计算土压力带来的不利影响;本方法可靠性高,获取方法简单,理论可靠,有利于指导明挖隧道邻接地铁车站工程中邻接基坑的施工设计和地下建筑结构设计。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,并与本发明的实施例一起,用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1为根据本发明的邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法流程图;
图2为根据本发明的不同阶段模型示意图;
图3为根据本发明的土压力沿深度方向的分布情况示意图;
图4为根据本发明的电子设备结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明所提供的一种邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法,适用于明挖隧道近接地铁车站工程中邻接基坑分阶段不同步开挖施工的地下建筑,解决了朗肯理论无法预测随失效土体受开挖几何参数限制的土压力计算难题,设计的一种基于上限分析的求解方法。
实施例1
图1为根据本发明的邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法流程图,下面将参考图1,对本发明的邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法进行详细描述。
首先,在步骤101,确定邻接基坑的设计参数、地表标准荷载和土体的物理力学参数。
本发明实施例中,所述邻接基坑的设计参数,包括,邻接基坑的间距L、两侧基坑各自的开挖深度H和H′,H对应待计算一侧基坑的开挖深度;所述地表标准荷载,为地面堆载的材料、机具和行人等引起的附加荷载q;所述土体的物理力学参数,包括,土体的自然重度γ,粘聚力c和计算内摩擦角
本发明实施例中,邻接基坑的设计参数由施工方案和进度确定,两侧基坑各自的开挖深度随着开挖进行不断变化,应对每一层岩土体开挖后的状况做单独计算;地表标准荷载通过对地面堆载的材料、机具和行人等引起的附加荷载进行估算得到,在没有其他荷载的情况下,应取q=20kPa进行计算;土体的物理力学参数通过室外原位取样、室外试验和室内测量手段,确定周围土体的自然重度γ,粘聚力c和内摩擦角
在步骤102,确定施工阶段和滑裂面倾角的初始值。
本发明实施例中,根据开挖深度和左右基坑施工进度快慢,将施工阶段划分为三个阶段,分别为第一阶段、第二阶段和第三阶段。
图2为根据本发明的不同阶段模型示意图,如图2所示,
第一阶段的模型,基坑开挖深度较小时,土体失效面沿着直线延伸至地表且不超过间隔宽度L,土体土压力作用完全发挥。虚速度V0与失效面夹角为内摩擦角。
第二阶段的模型,随着开挖深度增加,土体失效面范围横向扩展到临界基坑的侧壁但未延伸至临近基坑的底部,土体土压力作用发挥受到限制。虚速度V0与失效面夹角为内摩擦角。
第三阶段的模型,当开挖深度足够大时,土体失效区域再次沿水平方向扩展,并延伸至临近基坑的底部,土体土压力再次发挥较大地作用并影响到临近基坑。虚速度V0与失效面夹角为内摩擦角。
本发明实施例中,将滑裂面倾角θ=45°作为初始计算取值。
在步骤103,获取不同阶段失效范围内土体的重力做功功率。
本发明实施例中,第一阶段采用朗肯土压力理论,只考虑第二阶段和第三阶段。
第二阶段失效范围内土体的重力做功功率Ug为:
第三阶段失效范围内土体的重力做功功率Ug为:
本发明实施例中,三个阶段对应的失效面情况不同,第一阶段失效面沿基坑底部延伸至地表,与朗肯土压力的情况相同;第二阶段的失效面延伸至对侧基坑的侧壁,受限于基坑的邻接距离;第三阶段的失效面延伸至对侧基坑的底面,范围比阶段一小,但比阶段二更广。
在步骤104,获取地面标准荷载的做功功率。
本发明实施例中,第二阶段和第三阶段的地面标准荷载的做功功率Uq采用如下公式:
本发明实施例中,将地面标准荷载等效为与重力方向相同的集中力,第二阶段和第三阶段的地面标准荷载仅邻接处存在。根据基坑设计的规范要求,地面标准荷载最小应取20kPa。
在步骤105,获取土侧压力合力的做功功率。
本发明实施例中,获取第二阶段和第三阶段的土侧压力合力的做功功率Up采用如下公式:
在步骤106,获取失效面上粘聚阻力的做功功率。
本发明实施例中,获取第二阶段的土失效面上粘聚阻力的做功功率N采用如下公式:
获取第三阶段的土失效面上粘聚阻力的做功功率N采用如下公式:
本发明实施例中,步骤105和106中土侧压力合力方向沿水平背离土体相对运动方向,粘聚阻力为粘聚力等效合力,其方向与失效面始终成固定的夹角。粘聚力的数值与假定的失效面有关。
在步骤107,建立极限分析的求解方程。
本发明实施例中,建立的极限分析的求解方程如下:
Ug+Uq+Up=N,
其中,Ug为土体的重力做功功率,Uq为地面标准荷载的做功功率,Up为土侧压力合力的做功功率,N为土失效面上粘聚阻力的做功功率。
本发明实施例中,控制方程应保证外力做功和粘聚力耗散能相等,建立起主动土压力的求解方程。
在步骤108,求解土压力合力的数值。
本发明实施例中,求解第一阶段的土压力合力的数值P的公式如下:
本发明实施例中,求解第二阶段的土压力合力的数值P的公式如下:
本发明实施例中,求解第三阶段的土压力合力的数值P的公式如下:
本发明实施例中,土压力合力为土压力沿深度方向的累计值,在三个阶段,根据失效模式的不同分别得到不同的结果。由于参数是假定的未知量,土压力合力无法直接解出。
在步骤109,求解不同阶段的土压力合力的最大值。
本发明实施例中,采用Matlab数值工具,以θ作为变量,求解不同阶段的土压力合力的最大值;相应的失效面倾角为极限破裂角,对应第二阶段和第三阶段的分别记为θcr,2和θcr,3。
本发明实施例中,通过不断假设不同的失效面倾角,计算并找到土压力合力的最大值,即得到了土压力合力的最不利取值和最不利倾角。
在步骤110,确定第一阶段和第二阶段之间、第二阶段和第三阶段之间的临界深度。
本发明实施例中,第一阶段和第二阶段的临界深度Hcr1的公式如下:
第二阶段和第三阶段的临界深度Hcr2的公式如下:
Hcr2=H′+Ltanθcr,2
本发明实施例中,临界深度Hcr为计算一侧基坑的失效面从第一阶段过渡到第二阶段和从第二阶段过渡到第三阶段的最小深度。在深度小于该值时,按照前一阶段模型计算,深度大于该值时,按照后一阶段的模型计算。
在步骤111,根据临界深度范围,确定不同深度处的土压力分布情况。
当h≥H′+Ltanθcr,土压力分布p取第三阶段计算模型的合力的导数值:
其中,θa取开挖深度对应的极限失效面倾角与朗肯土压力失效面倾角的线性插值,γ为周围土体的自然重度,H为待计算一侧基坑的开挖深度,H′为另一侧基坑的开挖深度,L为邻接基坑的间距,θ为滑裂面倾角,为内摩擦角,c为粘聚力,q为地表标准荷载,h为开挖深度,θcr为极限失效面倾角,Hcr1为第一阶段和第二阶段的临界深度,Hcr2为第二阶段和第三阶段的临界深度。
在步骤112,判断H与Hcr1和Hcr2的相对大小,并分段给出相应的土压力分布值。
本发明实施例中,
若H<Hcr1,则土压力分布只取步骤111第一阶段土压力分布;
若H>Hcr1且H<Hcr2,土压力在0~Hcr1范围内取步骤111第一阶段土压力分布,在Hcr1~Hcr2范围内取步骤111第二阶段土压力分布;
若H>Hcr2,土压力在0~Hcr1范围内取步骤111第一阶段土压力分布,在Hcr1~Hcr2范围内取步骤111第二阶段土压力分布,在大于Hcr2范围内取步骤111第三阶段土压力分布。
本发明实施例中,土压力分布,需结合计算点所处的深度范围进行分别地计算。深度小于Hcr1时,采用朗肯理论计算土压力分布,滑裂面倾角取并且应保证计算的土压力p为非负值;深度介于Hcr1和Hcr2之间时,土压力分布取阶段二土压力合力的求导数值,失效面倾角采用阶段二起止极限破坏角的线性插值进行计算;深度大于Hcr2时,土压力分布取阶段三土压力合力的求导数值,失效面倾角采用阶段三起止极限破坏角的线性插值进行计算。
实施例2
本发明的邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法具体实施如下:设明挖隧道近接地铁车站工程中两邻接基坑非同步开挖,先开挖一侧深度20米,后开挖一侧深度4米,近接宽度6米。地面标准荷载取q=20kPa;土体力学参数,重度γ=19kN/m3、粘聚力c=12kPa和内摩擦角
图3为根据本发明的土压力沿深度方向的分布情况示意图,如图3所示,着深度的增加和失效面范围的变化,土压力值随深度先呈现较大的增长斜率;在深度8~9m处,土压力增长规律受土体失效面限制,增长斜率减少;在深度18~19m时,土压力增长规律出现第二次突变,此时失效面延伸至了邻接基坑的底面。
实施例3
本发明的实施例还提供一种电子设备,图4为根据本发明的电子设备结构示意图,如图4所示,本发明的电子设备40,包括处理器401,以及存储器402,其中,
存储器402存储有计算机程序,计算机程序在被处理器401读取执行时,执行上述邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法实施例中的步骤。
实施例4
本发明的实施例,还提供一种计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质中存储有计算机程序,其中,该计算机程序被设置为运行时执行上述邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法实施例中的步骤。
在本实施例中,上述计算机可读存储介质可以包括但不限于:U盘、只读存储器(Read-Only Memory,简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory,简称为RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。
本发明的邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法,用于获取明挖隧道与地铁车站近接非同步施工的土压力,考虑了明挖隧道近接地铁车站工程中两侧基坑的距离和开挖的高度差,适用于交通、市政、水利等部门中地下施工方案的设计。
本领域普通技术人员可以理解:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法,包括以下步骤:
确定邻接基坑的设计参数、地表标准荷载和土体的物理力学参数;
确定施工阶段和滑裂面倾角的初始值;
获取不同阶段失效范围内土体的重力做功功率、地面标准荷载的做功功率、土侧压力合力的做功功率、失效面上粘聚阻力的做功功率;
建立极限分析的求解方程,求解土压力合力的数值以及不同阶段的土压力合力的最大值;
确定两个阶段之间的临界深度;
根据临界深度范围,确定不同深度处的土压力分布情况,并分段给出相应的土压力分布值;
所述获取不同阶段失效范围内土体的重力做功功率的步骤,还包括,
采用朗肯土压力理论获取第一阶段失效范围内土体的重力做功功率;
第二阶段失效范围内土体的重力做功功率:
第三阶段失效范围内土体的重力做功功率:
所述获取地面标准荷载的做功功率的步骤,还包括,获取第二阶段和第三阶段的地面标准荷载的做功功率的步骤,公式如下:
所述获取失效面上粘聚阻力的做功功率的步骤,还包括,
获取第二阶段土失效面上粘聚阻力的做功功率,如下公式:
获取第三阶段的土失效面上粘聚阻力的做功功率,如下公式:
所述求解土压力合力的数值的步骤,还包括,
求解第一阶段的土压力合力的数值,公式如下:
求解第二阶段的土压力合力的数值,公式如下:
求解第三阶段的土压力合力的数值,公式如下:
所述确定两个阶段之间的临界深度的步骤,还包括,
确定第一阶段和第二阶段的临界深度,公式如下:
确定第二阶段和第三阶段的临界深度,公式如下:
Hcr2=H′+Ltanθcr,2;
所述根据临界深度范围,确定不同深度处的土压力分布情况的步骤,还包括,
当h≥H′+Ltanθcr,土压力分布取第三阶段计算模型的合力的导数值,公式如下:
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
所述邻接基坑的设计参数,包括,邻接基坑的间距、两侧基坑各自的开挖深度,对应待计算一侧基坑的开挖深度;
所述地表标准荷载,为地面堆载的材料、机具和行人引起的附加荷载;
所述土体的物理力学参数,包括,土体的自然重度,粘聚力和计算内摩擦角。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述确定施工阶段和滑裂面倾角的初始值的步骤,还包括,
将施工阶段划分为第一阶段、第二阶段和第三阶段;
将滑裂面倾角作为初始计算取值设定为45°。
5.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述建立极限分析的求解方程的步骤,还包括,建立如下极限分析的求解方程:
Ug+Uq+Up=N,
其中,Ug为土体的重力做功功率,Uq为地面标准荷载的做功功率,Up为土侧压力合力的做功功率,N为土失效面上粘聚阻力的做功功率。
6.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述求解不同阶段土压力合力的最大值的步骤,还包括,
采用Matlab数值工具,以滑裂面倾角作为变量,求解不同阶段的土压力合力的最大值。
7.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,所述分段给出相应的土压力分布值的步骤,还包括,
判断H与Hcr1和Hcr2的相对大小,
若H<Hcr1:则,土压力分布值为第一阶段土压力分布值;
若H>Hcr1且H<Hcr2,则,土压力分布值H在0~Hcr1范围内为第一阶段土压力分布值,在Hcr1~Hcr2范围内为第二阶段土压力分布值;
若H>Hcr2,则,土压力分布值H在0~Hcr1范围内为第一阶段土压力分布值,在Hcr1~Hcr2范围内为第二阶段土压力分布值,在大于Hcr2范围内为第三阶段土压力分布值,
其中,H为待计算一侧基坑的开挖深度,Hcr1为第一阶段和第二阶段的临界深度,Hcr2为第二阶段和第三阶段的临界深度。
8.一种电子设备,其特征在于,包括存储器和处理器,所述存储器上储存有在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器运行所述计算机程序时执行权利要求1至7任一项所述的邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序运行时执行权利要求1至7任一项所述的邻接地下工程非同步施工的土压力获取方法的步骤。
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2021
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