CN113591184B - 一种邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计计算方法 - Google Patents

一种邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计方法，包括以下步骤：确定邻近地下室外墙基坑的剖面参数以及土体物理力学参数；确定基坑主动侧滑裂面倾角以及有限土体分区高度；计算主动侧有限土体土压力和被动侧土压力；根据力矩平衡方程确定围护结构长度；判断所求围护结构长度是否使主动侧土体满足有限土体情况，利用力矩平衡方程重算围护结构长度；计算围护结构的最大弯矩及最大剪力，确定围护结构的材料及配筋。本发明克服了现有基坑设计方法中无法合理计算邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构主动侧荷载的缺陷，具有推广应用价值。

Description

一种邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计计算方法
技术领域
本发明涉及一种邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计计算方法，属于岩土工程技术领域。
背景技术
随着我国地下空间的不断开发，地下空间日益拥挤，新建基坑邻近既有地下室外墙的情况越来越常见，这使得围护结构与既有地下室外墙间土体宽度有限，称为有限土体，导致作用于基坑围护结构上的土压力不同于一般情况，需要相应的计算方法来指导设计。
目前，现行标准《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)规定的基坑围护结构设计计算方法无法考虑基坑邻近地下室外墙的情况，也即有限土体情况，如果仍然按照规范方法进行设计计算，无法充分考虑邻近地下室外墙对土压力的减少作用，会导致不必要的浪费。部分设计人员也对作用于围护结构上的有限土体土压力计算方法进行了修正，如李明广等在发明专利“一种应用于墙后有限宽度土体的基坑支护结构设计方法”(申请号201810822395.1)中采用水平薄层单元法确定有限土体土压力，但土压力大小及分布与围护结构的位移模式密切相关，基坑工程中悬臂式刚性围护结构的位移模式为绕围护结构底部转动，最大位移出现在围护结构顶部，上述方法无法计算该位移模式下有限土体土压力。
综上所述，考虑工程实际情况，合理计算作用在邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构上的土压力，并找到一种相应的围护结构设计计算方法，能够避免不必要的浪费，符合绿色工程的要求，是非常有工程应用价值的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计计算方法，可为邻近地下室外墙情况的基坑悬臂式刚性围护结构设计计算提供理论依据。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计方法，该方法包括如下步骤：
(1)根据工程地质报告、建筑结构施工图等确定邻近地下室外墙基坑的剖面参数以及土体物理力学参数，所述剖面参数包括基坑开挖深度H、围护结构与邻近地下室外墙距离B，所述土体物理力学参数包括围护结构与土体间摩擦角δ1、地下室外墙与土体间摩擦角δ2、土体等效内摩擦角土层等效重度γ；其中，等效内摩擦角及等效重度通过对多层土体按土层厚度加权平均得到。
(2)确定基坑主动侧滑裂面倾角α以及有限土体分区高度h；
(3)根据有限土体分区高度h将有限土体分为Ⅰ区和Ⅱ区，利用两个分区中斜微分单元水平与竖直方向的静力平衡方程，建立方程组：
式中：Fa1为作用在Ⅰ区斜微分单元围护结构侧界面上的法向力；Fa2为作用在Ⅱ区斜微分单元围护结构侧界面上的法向力；Ta1为作用在Ⅰ区斜微分单元围护结构侧界面上的切向力；Ta2为作用在Ⅱ区斜微分单元围护结构侧界面上的切向力；Tp为作用在斜微分单元斜边上的切向力；Np为作用在斜微分单元斜边上的法向力；d为微分符号；dG1为Ⅰ区斜微分单元的重力；dG2为Ⅱ区斜微分单元的重力；Nhe为作用在Ⅱ区斜微分单元地下室外墙侧界面上的法向力；The为作用在Ⅱ区斜微分单元地下室外墙侧界面上的切向力；
由方程组计算主动侧有限土体土压力pa：
式中：z为土压力计算处深度；L为待求的围护结构长度；Ka1为Ⅰ区有限土体土压力系数；Ka2为Ⅱ区有限土体土压力系数；
(4)结合主动侧有限土体土压力pa和被动侧土压力pp，根据力矩平衡方程确定围护结构长度；
式中：Ke为嵌固稳定安全系数，按照《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)对安全等级为一级、二级、三级的悬臂式支挡结构分别取1.25、1.2、1.15，Mp为被动土压力合力对围护结构底部的力矩大小，Ma为主动侧有限土体土压力合力对围护结构底部的力矩大小；
(5)判断围护结构长度L与有限土体分区高度h关系；若所求围护结构长度L满足L≥h，则说明围护结构主动侧土体满足有限土体情况，上述计算合理，进入下一步；若所求L不满足L≥h，则说明围护结构主动侧土体不满足有限土体情况，需按照无限土体情况重新计算主动侧土压力pam以及主动土压力合力对围护结构底部的力矩大小Mam，并重新根据力矩平衡方程确定围护结构长度，其中：
pam＝Kamγz；
式中：Kam为库伦主动土压力系数，其大小与Ⅰ区有限土体土压力系数Ka1一样。
(6)根据所求围护结构长度以及作用于围护结构上的土压力计算围护结构的最大弯矩及最大剪力，根据最大弯矩和最大剪力确定围护结构的材料及配筋。
(7)根据所求围护结构长度以及作用于围护结构上的土压力按照现行标准《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)对围护结构进行整体稳定性验算、抗倾覆验算。
进一步地，所述斜微分单元水平与竖直方向的静力平衡方程为：
式中，Fx为作用在斜微分单元上的水平方向力；Fy为作用在斜微分单元上的竖直方向力。
进一步地，所述围护结构的位移模式为绕围护结构底部转动的悬臂式刚性围护结构，围护结构的位移最大值位于围护结构顶部。
进一步地，所述有限土体分区高度h＝Btanα。
进一步地，所述基坑主动侧滑裂面倾角α由下式确定：
进一步地，所述围护结构主动侧土压力根据斜微分单元的静力平衡方程求解，被动侧土压力根据库伦被动土压力理论求解。
本发明的有益效果在于：本发明利用斜微分单元法，合理求解了作用在位移模式为绕围护结构底部转动的悬臂式刚性围护结构上的有限土体土压力，克服了现有基坑设计计算方法中无法合理计算邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构主动侧荷载的缺陷，并根据所求解出的土压力大小及分布，由力矩平衡方程有效确定了围护结构长度，能为实际设计计算提供指导和帮助，在保证安全的前提下能够避免不必要的浪费，具有推广应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的设计计算方法流程图；
图2是本发明实施例提供的邻近地下室外墙基坑的剖面示意图；
图3是本发明实施例提供的Ⅰ区有限土体斜微分单元受力分析图；
图4是本发明实施例提供的Ⅱ区有限土体斜微分单元受力分析图；
图5是本发明实施例提供的围护结构受力分析简图；
图中：1为基坑被动侧坑底；2为悬臂式刚性围护结构；3为既有地下室外墙；4为Ⅰ区有限土体斜微分单元；5为Ⅰ区有限土体；6为Ⅱ区有限土体；7为Ⅱ区有限土体斜微分单元；8为基坑主动侧滑裂面；9为Ⅰ区有限土体土压力强度包络线；10为Ⅱ区有限土体土压力强度包络线；11为被动土压力强度包络线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
图1为邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计计算方法的具体步骤，现结合一具体实施例进行详细说明，如下：
(1)确定邻近地下室外墙基坑的剖面参数以及土体物理力学参数。
如图2所示，某邻近地下室外墙基坑安全等级为一级，开挖深度H＝5m，围护结构与邻近地下室外墙距离B＝3m、围护结构与土体间摩擦角δ1＝20°、地下室外墙与土体间摩擦角δ2＝25°，三倍开挖深度范围内的土体物理力学参数详见表1。
表1.三倍开挖深度范围内土层参数
对多层土体按土层厚度加权平均，得到地层土体的等效内摩擦角等效有效重度
(2)确定基坑主动侧滑裂面倾角α及有限土体分区高度h。
基坑主动侧滑裂面倾角α如图2所示，按照库伦主动土压力滑裂面倾角公式确定：
再根据滑裂面倾角α计算有限土体分区高度h＝Btanα＝3×tan54.7°＝4.2m。
(3)采用斜微分单元法计算主动侧土压力、采用库伦被动土压力公式计算被动侧土压力。
基坑主动侧有限土体分区及两个分区中斜微分单元如图2所示，两个分区中斜微分单元的受力情况如图3、4所示。根据两个分区中斜微分单元水平与竖直方向的静力平衡方程可得两个方程组：
进而可计算得：
基坑被动侧土压力按照库伦被动土压力公式计算：
pp＝Kpγ(z-H)＝2.51×18.9×(z-5)＝47.44z-237.19。
(4)结合主动侧有限土体土压力pa和被动侧土压力pp，根据力矩平衡方程求解围护结构长度L。
根据(3)中所求土压力强度，按照图5受力简图可以分别将被动侧与主动侧土压力合力对围护结构底部的力矩大小表示为围护结构长度L的函数：
Ma＝50.01×(L-2.8)+11.91×(L-4.2)2+0.60×(L-4.2)3；
将Mp与Ma代入力矩平衡方程：
即7.16L3-124.0875L2+616.1025L-1020.7645＝0
可以解出L＝10.35m。
(5)判断围护结构长度L与有限土体分区高度h关系。
由于L＝10.35m、h＝4.2m，也即L≥h，则说明围护结构主动侧土体满足有限土体情况，上述计算合理，进入下一步。
(6)计算围护结构最大弯矩和剪力，根据最大弯矩和剪力确定围护结构截面尺寸和配筋。
(7)采用《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)中稳定性验算方法进行验算，分别得到整体稳定性安全系数为1.36、抗倾覆安全系数为1.25，均满足先行规范要求，证明了本实施例提供的设计计算方法安全正确。
(8)按照规范方法进行设计计算得到的围护结构长度为13.22m，而采用本实施例提供的设计计算方法得到的围护结构长度为10.35m，在保证安全的前提下减少了不必要的浪费，证明了本实施例提供的设计计算方法经济合理。
综上，本实施例提供的设计计算方法，能准确合理求解作用在位移模式为绕围护结构底部转动的悬臂式刚性围护结构上的有限土体土压力，在此基础上，根据力矩平衡方程能简单有效地求解出围护结构长度，能够为实际设计计算提供指导和帮助。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
(1)确定邻近地下室外墙基坑的剖面参数以及土体物理力学参数，所述剖面参数包括基坑开挖深度H、围护结构与邻近地下室外墙距离B，所述土体物理力学参数包括围护结构与土体间摩擦角δ1、地下室外墙与土体间摩擦角δ2、土体等效内摩擦角土层等效重度γ；
(2)确定基坑主动侧滑裂面倾角α以及有限土体分区高度h；
(3)根据有限土体分区高度h将有限土体分为Ⅰ区和Ⅱ区，利用两个分区中斜微分单元水平与竖直方向的静力平衡方程，建立方程组：
式中：Fa1为作用在Ⅰ区斜微分单元围护结构侧界面上的法向力；Fa2为作用在Ⅱ区斜微分单元围护结构侧界面上的法向力；Ta1为作用在Ⅰ区斜微分单元围护结构侧界面上的切向力；Ta2为作用在Ⅱ区斜微分单元围护结构侧界面上的切向力；Tp为作用在斜微分单元斜边上的切向力；Np为作用在斜微分单元斜边上的法向力；d为微分符号；dG1为Ⅰ区斜微分单元的重力；dG2为Ⅱ区斜微分单元的重力；Nhe为作用在Ⅱ区斜微分单元地下室外墙侧界面上的法向力；The为作用在Ⅱ区斜微分单元地下室外墙侧界面上的切向力；
由方程组计算主动侧有限土体土压力pa：
式中：z为土压力计算处深度；L为待求的围护结构长度；Ka1为Ⅰ区有限土体土压力系数；Ka2为Ⅱ区有限土体土压力系数；
(4)结合主动侧有限土体土压力pa和被动侧土压力pp，根据力矩平衡方程确定围护结构长度；
(5)判断围护结构长度L与有限土体分区高度h关系；若所求围护结构长度L满足L≥h，则进入下一步；否则按照无限土体情况重新计算主动侧土压力pam以及主动土压力合力对围护结构底部的力矩大小Mam，并重新根据力矩平衡方程确定围护结构长度；
(6)根据所求围护结构长度以及作用于围护结构上的土压力计算围护结构的最大弯矩及最大剪力，根据最大弯矩和最大剪力确定围护结构的材料及配筋。
2.根据权利要求1所述的一种邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计方法，其特征在于，所述斜微分单元水平与竖直方向的静力平衡方程为：
式中，Fx为作用在斜微分单元上的水平方向力；Fy为作用在斜微分单元上的竖直方向力。
3.根据权利要求1所述的一种邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计方法，其特征在于，所述围护结构的位移模式为绕围护结构底部转动的悬臂式刚性围护结构，围护结构的位移最大值位于围护结构顶部。
4.根据权利要求1所述的一种邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计方法，其特征在于，所述有限土体分区高度h＝Btanα。
5.根据权利要求1所述的一种邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计方法，其特征在于，所述基坑主动侧滑裂面倾角α由下式确定：
。
6.根据权利要求1所述的一种邻近地下室外墙基坑悬臂式刚性围护结构设计方法，其特征在于，所述围护结构主动侧土压力根据斜微分单元的静力平衡方程求解，被动侧土压力根据库伦被动土压力理论求解。
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