CN114414353B - 一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法及系统，根据岩土体的三轴试验和施工工程，确定工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失；根据工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失，确定土压力、锚索预应力随时间变化的表达式；结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；同时考虑土体的流变特性和锚索预应力损失，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。本发明能够全面、客观、准确地评估临时基坑支护结构的性能，为临时基坑工程的安全施工提供依据。

Description

一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法及系统
技术领域
本发明涉及基坑桩锚式支护性能评估技术领域，尤其公开了一种考虑时效的超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法及系统。
背景技术
国民经济的快速发展、土地资源的相对匮乏以及地下空间的加速利用产生了大量的基坑工程，且基坑工程也为了满足各种开发使用功能的需求而不断朝着大面积、大深度的趋势发展，因此，为满足施工安全，对基坑支护结构的性能也提出了越来越高的要求，支护结构的安全也愈发重要。桩锚式基坑支护结构主要承担地面超载和基坑开挖卸载产生的侧向水土压力荷载，以保证基坑开挖过程中的稳定，是一种基坑施工临时支护结构。评价基坑支护结构稳定性主要是用抗力效应与荷载效应的比值作为安全系数来评价基坑支护结构的稳定性，但开挖过程中围护结构的实际弯矩往往与计算值有所差距，且计算所用的参数具有随机性、计算模式存在不确定性等，因而计算所得的安全系数本身不能真正反映支护结构的稳定与安全程度。
目前，基坑工程采用的支护形式多为挖钻孔灌注桩、深层搅拌桩、钢筋混凝土桩等刚性桩与锚杆或土钉的结合，可以有效地对基坑工程进行支护与加固。然而，基坑工程和地下施工所处的环境较为复杂和不确定，使得基坑受周围土压力、水压力及其他不确定荷载的影响较大，引起支护结构产生较大的内力和位移而出现意外事故，严重威胁基坑内施工人员和机械设备的安全。
因此，将支护结构的性能实时反馈，并形成一套基坑支护性能评估体系，及时、准确、快速地对基坑工程支护结构的性能评估于预警，是基坑支护工程亟待解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种考虑时效的超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法及系统，旨在解决基坑工程和地下施工作业时，由于环境的复杂和不确定性，易严重威胁基坑内施工人员和机械设备的安全的技术问题。
本发明的一方面涉及一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法，包括以下步骤：
根据岩土体的三轴试验和施工工程，确定工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失；
根据工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失，确定土压力、锚索预应力随时间变化的表达式；
结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；
同时考虑土体的流变特性和锚索预应力损失，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。
进一步地，支护结构的钢筋混凝土强度折减包括喷射混凝土弹性模量，根据岩土体的三轴试验和施工工程，确定工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失的步骤包括：
通过岩土的三轴压缩试验得到工程现场土体的流变特性，土体粘聚力和内摩擦角随时间的变化关系用下式表示：
Figure 599814DEST_PATH_IMAGE001
其中，c(t)为某一时刻的粘聚力，φ(t)为某一时刻的内摩擦角；c(∞)为长期极限粘聚力，φ(∞)为长期极限内摩擦角，c(∞)为一极小值，φ(∞)相当于残余内摩擦角；c(0)为按标准方法测定的粘聚力，φ(0)为按标准方法测定的内摩擦角；t为任意时刻；t0为测定粘聚力和摩擦角的标准方法所需的时间；α、β、γ分别为无量纲拟合系数，其中，0＜α＜1，β＞0，γ＞0；
根据喷射混凝土强度折减试验数据并拟合其弹性模量随时间变化的规律，得到喷射混凝土弹性模量，所述喷射混凝土弹性模量为：
Figure 124336DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 160557DEST_PATH_IMAGE003
为喷射混凝土弹性模量；
Figure 428727DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 483271DEST_PATH_IMAGE005
、β为拟合参数；t为时间变量，其单位为天；
根据岩土体的施工工程，确定锚索预应力的损失，所述锚索预应力的损失由四参数预应力损失模型计算确定：
Figure 444273DEST_PATH_IMAGE006
其中，Ri(t)为锚索预应力，A为锚索横截面积，E1、E2、η1、η2均为可测定初始值，
Figure 967790DEST_PATH_IMAGE007
为蠕变系数。
进一步地，根据工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失，确定土压力、锚索预应力随时间变化的表达式的步骤包括：
计算某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力，主动土压力用下式表示：
Figure 774072DEST_PATH_IMAGE008
其中，Pa(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力；γ0为开挖深度范围内主动区土体容重，c(t)为开挖深度范围内某一时刻的粘聚力；q0为地面超载；Ka(t)为某一时刻的主动土压力系数；
计算某一时刻基坑底面以上深度z处的锚杆拉力，锚杆拉力的计算公式如下：
Figure 683122DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 549447DEST_PATH_IMAGE010
为锚杆拉力；Ri(t)为第i道锚索的预应力；Ki为第i道锚杆的刚度系数；Si(t)为第i道锚杆处的实际水平位移；为锚杆于水平线的夹角。
进一步地，结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系的步骤包括：
假定支护桩基坑底面以上为悬臂梁、基坑底面以下为弹性地基梁，并结合锚杆和桩身的变形协调关系，得到桩身的变形协调方程如下：
Figure 91418DEST_PATH_IMAGE011
其中，S1(t)为支护桩在z=H1处的实际水平位移，S2(t)为支护桩在z=H2处的实际水平位移，Sa1(t)为主动土压力在z=H1处产生的水平位移，Sa2(t)为主动土压力在z=H2处产生的水平位移，ST11(t)为T1(t)作用下支护结构在z=H1处的水平位移，ST22(t)为T2(t)作用下支护结构在z=H2处的水平位移，ST12(t)为T1(t)作用下支护结构在z=H2处的水平位移，ST21(t)为T2(t)作用下支护结构在z=H1处的水平位移，y0(t)为基坑底面以下桩身的位移，θ0(t)为基坑底面以下桩身的转角；
推导支护水平位移与锚杆拉力之间的关系式，求解得到位移与锚杆拉力，其方程组如下：
Figure 701391DEST_PATH_IMAGE012
其中，T1(t)为第一道锚杆的锚杆拉力，T2(t)为第二道锚杆的锚杆拉力，S1(t)为支护桩在z=H1处的实际水平位移，S2(t)为支护桩在z=H2处的实际水平位移；
Figure 277996DEST_PATH_IMAGE013
为锚杆的倾斜角度，相当于第i道锚杆与水平线的夹角；K1、K2分别为第一道锚索和第二道锚索的抗拉刚度。
进一步地，同时考虑土体的流变特性和锚索预应力损失，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值的步骤包括：
将锚杆拉力的计算结果代入位移表达式，得到各个时期支护桩各个位置产生的水平位移，对于未设置锚杆条件下可直接进行支护变形的计算；对于设置i（i=1或i≥3）道锚杆的情况依然通过建立位移与拉力的方程组推导求解；
随着时间的增长，桩顶位移也随之增大，计算出支护残余性能，残余性能按下式确定：
Figure 580802DEST_PATH_IMAGE014
其中，η残为残余性能系数，S位移为位移计算值，S限定为规范规定的桩顶位移限定值。
本发明的另一方面涉及一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估系统，包括：
第一确定模块，用于根据岩土体的三轴试验和施工工程，确定工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失；
第二确定模块，用于根据工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失，确定土压力、锚索预应力随时间变化的表达式；
第三确定模块，用于结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；
推导模块，同时考虑土体的流变特性和锚索预应力损失，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。
进一步地，第一确定模块包括：
第一计算单元，用于通过岩土的三轴压缩试验得到工程现场土体的流变特性，土体粘聚力和内摩擦角随时间的变化关系用下式表示：
Figure 62599DEST_PATH_IMAGE015
其中，c(t)为某一时刻的粘聚力，φ(t)为某一时刻的内摩擦角；c(∞)为长期极限粘聚力，φ(∞)为长期极限内摩擦角，c(∞)为一极小值，φ(∞)相当于残余内摩擦角；c(0)为按标准方法测定的粘聚力，φ(0)为按标准方法测定的内摩擦角；t为任意时刻；t0为测定粘聚力和摩擦角的标准方法所需的时间；α、β、γ分别为无量纲拟合系数，其中，0＜α＜1，β＞0，γ＞0；
第二计算单元，用于根据喷射混凝土强度折减试验数据并拟合其弹性模量随时间变化的规律，得到喷射混凝土弹性模量，喷射混凝土弹性模量为：
Figure 476263DEST_PATH_IMAGE016
其中，为喷射混凝土弹性模量；
Figure 845058DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 318765DEST_PATH_IMAGE018
、β为拟合参数；t为时间变量，其单位为天；
第三计算单元，用于根据岩土体的施工工程，确定锚索预应力的损失，锚索预应力的损失由四参数预应力损失模型计算确定：
Figure 287858DEST_PATH_IMAGE019
其中，Ri(t)为锚索预应力，A为锚索横截面积，E1、E2、η1、η2均为可测定初始值，
Figure 239633DEST_PATH_IMAGE020
为蠕变系数。
进一步地，第二确定模块包括：
第四计算单元，用于计算某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力，主动土压力用下式表示：
Figure 994094DEST_PATH_IMAGE021
其中，Pa(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力；γ0为开挖深度范围内主动区土体容重，c(t)为开挖深度范围内某一时刻的粘聚力；q0为地面超载；Ka(t)为某一时刻的主动土压力系数；
第五计算单元，用于用于计算某一时刻基坑底面以上深度z处的锚杆拉力，锚杆拉力的计算公式如下：
Figure 638702DEST_PATH_IMAGE022
其中，T1(t)为锚杆拉力；Ri(t)为第i道锚索的预应力；Ki为第i道锚杆的刚度系数；Si(t)为第i道锚杆处的实际水平位移；
Figure 704878DEST_PATH_IMAGE023
为锚杆于水平线的夹角。
进一步地，第三确定模块包括：
第六计算单元，用于假定支护桩基坑底面以上为悬臂梁、基坑底面以下为弹性地基梁，并结合锚杆和桩身的变形协调关系，得到桩身的变形协调方程如下：
Figure 194765DEST_PATH_IMAGE024
其中，S1(t)为支护桩在z=H1处的实际水平位移，S2(t)为支护桩在z=H2处的实际水平位移，Sa1(t)为主动土压力在z=H1处产生的水平位移，Sa2(t)为主动土压力在z=H2处产生的水平位移，ST11(t)为T1(t)作用下支护结构在z=H1处的水平位移，ST22(t)为T2(t)作用下支护结构在z=H2处的水平位移，ST12(t)为T1(t)作用下支护结构在z=H2处的水平位移，ST21(t)为T2(t)作用下支护结构在z=H1处的水平位移，y0(t)为基坑底面以下桩身的位移，θ0(t)为基坑底面以下桩身的转角。
第七计算单元，用于推导支护水平位移与锚杆拉力之间的关系式，求解得到位移与锚杆拉力，其方程组如下：
Figure 334891DEST_PATH_IMAGE025
其中，为第一道锚杆的锚杆拉力，为第二道锚杆的锚杆拉力，S1(t)为支护桩在z=H1处的实际水平位移，S2(t)为支护桩在z=H2处的实际水平位移；为锚杆的倾斜角度，相当于第i道锚杆与水平线的夹角；K1、K2分别为第一道锚索和第二道锚索的抗拉刚度。
进一步地，推导模块包括：
第八计算单元，用于将锚杆拉力的计算结果代入位移表达式，得到各个时期支护桩各个位置产生的水平位移，对于未设置锚杆条件下可直接进行支护变形的计算；对于设置i道锚杆的情况依然通过建立位移与拉力的方程组推导求解；
第九计算单元，用于随着时间的增长，桩顶位移也随之增大，计算出支护残余性能，残余性能按下式确定：
Figure 150400DEST_PATH_IMAGE014
其中，η残为残余性能系数，S位移为位移计算值，S限定为规范规定的桩顶位移限定值。
本发明所取得的有益效果为：
本发明提供一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法及系统，根据岩土体的三轴试验和施工工程，确定工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失；根据工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失，确定土压力、锚索预应力随时间变化的表达式；结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；同时考虑土体的流变特性和锚索预应力损失，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。本发明提供的超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法及系统，充分考虑了工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力损失的影响，进而推导的支护结构在开挖过程中性能随时间变化的计算公式，可以使基坑支护结构的性能评估更加精确、符合客观实际；计算结果与时间紧密联系，清晰反映了基坑支护性能随时间的变化曲线，可以动态评估基坑支护的性能，对后续的施工工序进行指导，克服了传统的静态评估、模糊评估的缺点；通过规范变形限定值、全过程的基坑支护实测变形数据和计算结果的对比验证，能够全面、客观、准确地评估临时基坑支护结构的性能，为临时基坑工程的安全施工提供依据。
附图说明
图1为本发明提供的一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法一实施例的流程示意图；
图2为本发明提供的一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法中基坑模型计算简力图；
图3为本发明提供的一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法中基坑模型受力简图中上部分示意图；
图4为本发明提供的一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法中基坑模型受力简图中下部分示意图；
图5为本发明提供的一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法中某基坑支护示意图；
图6为本发明提供的一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法中桩身水平位移计算结果图；
图7为本发明提供的一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估系统一实施例的功能框图；
图8为图7中所示的第一确定模块一实施例的功能模块示意图；
图9为图7中所示的第二确定模块一实施例的功能模块示意图；
图10为图7中所示的第三确定模块一实施例的功能模块示意图；
图11为图7中所示的推导模块一实施例的功能模块示意图。
附图标号说明：
10、第一确定模块；20、第二确定模块；30、第三确定模块；40、推导模块；11、第一计算单元；12、第二计算单元；13、第三计算单元；21、第四计算单元；22、第五计算单元；31、第六计算单元；32、第七计算单元；41、第八计算单元；42、第九计算单元。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
如图1至图6所示，本发明第一实施例提出一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法，包括以下步骤：
步骤S100、根据岩土体的三轴试验和施工工程，确定工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失。
进一步地，步骤S100包括：
步骤S110、通过岩土的三轴压缩试验得到工程现场土体的流变特性，土体粘聚力和内摩擦角随时间的变化关系用下式表示：
Figure 94085DEST_PATH_IMAGE026
（1）
在公式（1）中，c(t)为某一时刻的粘聚力，φ(t)为某一时刻的内摩擦角；c(∞)为长期极限粘聚力，φ(∞)为长期极限内摩擦角，c(∞)为一极小值，φ(∞)相当于残余内摩擦角；c(0)为按标准方法测定的粘聚力，φ(0)为按标准方法测定的内摩擦角；t为任意时刻；t0为测定粘聚力和摩擦角的标准方法所需的时间；α、β、γ分别为无量纲拟合系数，其中，0＜α＜1，β＞0，γ＞0。
步骤S120、支护结构的钢筋混凝土强度折减包括喷射混凝土弹性模量，根据喷射混凝土强度折减试验数据并拟合其弹性模量随时间变化的规律，得到喷射混凝土弹性模量，喷射混凝土弹性模量为：
Figure 653242DEST_PATH_IMAGE027
（2）
在公式（2）中，
Figure 851137DEST_PATH_IMAGE003
为喷射混凝土弹性模量；
Figure 571968DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 2949DEST_PATH_IMAGE005
、β为拟合参数；t为时间变量，其单位为天。
对于常用的C20喷射混凝土，其拟和参数公式如下：
Figure 100218DEST_PATH_IMAGE028
（3）
在公式（3）中，t为时间变量，其单位为天。
步骤S130、根据岩土体的施工工程，确定锚索预应力的损失，锚索预应力的损失由四参数预应力损失模型计算确定：
Figure 683778DEST_PATH_IMAGE029
（4）
在公式（4）中，Ri(t)为锚索预应力，A为锚索横截面积，E1、E2、η1、η2均为可测定初始值，
Figure 372248DEST_PATH_IMAGE007
为蠕变系数。
步骤S200、根据工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失，确定土压力、锚索预应力随时间变化的表达式。
进一步地，步骤S200包括：
步骤S210、计算某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力，主动土压力用下式表示：
Figure 290525DEST_PATH_IMAGE030
（5）
在公式（5）中，Pa(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力；γ0为开挖深度范围内主动区土体容重，c(t)为开挖深度范围内某一时刻的粘聚力；q0为地面超载；Ka(t)为某一时刻的主动土压力系数。
步骤S220、计算某一时刻基坑底面以上深度z处的锚杆拉力，锚杆拉力的计算公式如下：
Figure 942218DEST_PATH_IMAGE031
（6）
在公式（6）中，Ti(t)为锚杆拉力；Ri(t)为第i道锚索的预应力；Ki为第i道锚杆的刚度系数；Si(t)为第i道锚杆处的实际水平位移；
Figure 363972DEST_PATH_IMAGE032
为锚杆于水平线的夹角。
步骤S300、结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系。
基坑底面的桩身位移计算公式为：
Figure 692185DEST_PATH_IMAGE033
（7）
基坑底面的桩身转角计算公式为：
Figure 832179DEST_PATH_IMAGE034
（8）
在公式（7）中，α为特征系数；q为嵌入岩土体部分支护所受荷载；Q0为等效剪力；M0为等效弯矩。
Figure 21983DEST_PATH_IMAGE035
（9）
φ1、φ2、φ3、φ4的计算公式为：
Figure 563823DEST_PATH_IMAGE036
（10）
进一步地，步骤S300包括：
步骤S310、假定支护桩基坑底面以上为悬臂梁、基坑底面以下为弹性地基梁，并结合锚杆和桩身（2道锚杆）的变形协调关系，得到桩身的变形协调方程，其表达式为：
Figure 62937DEST_PATH_IMAGE037
（11）
在公式（11）中，S1(t)为支护桩在z=H1处的实际水平位移，S2(t)为支护桩在z=H2处的实际水平位移，Sa1(t)为主动土压力在z=H1处产生的水平位移，Sa2(t)为主动土压力在z=H2处产生的水平位移，ST11(t)为T1(t)作用下支护结构在z=H1处的水平位移，ST22(t)为T2(t)作用下支护结构在z=H2处的水平位移，ST12(t)为T1(t)作用下支护结构在z=H2处的水平位移，ST21(t)为T2(t)作用下支护结构在z=H1处的水平位移，y0(t)为基坑底面以下桩身的位移，θ0(t)为基坑底面以下桩身的转角。
步骤S320、推导支护水平位移与锚杆拉力之间的关系式，求解得到位移与锚杆拉力，其方程组如下：
Figure 690228DEST_PATH_IMAGE038
（12）
在公式（12）中，T1(t)为第一道锚杆的锚杆拉力，T2(t)为第二道锚杆的锚杆拉力，S1(t)为支护桩在z=H1处的实际水平位移，S2(t)为支护桩在z=H2处的实际水平位移；
Figure 672004DEST_PATH_IMAGE039
为锚杆的倾斜角度，相当于第i道锚杆与水平线的夹角；K1、K2分别为第一道锚索和第二道锚索的抗拉刚度。
步骤S400、同时考虑土体的流变特性和锚索预应力损失，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。
进一步地，步骤S400包括：
步骤S410、将锚杆拉力的计算结果代入位移表达式，得到各个时期支护桩各个位置产生的水平位移，针对设置2道锚杆的锚杆拉力进行求解，对于未设置锚杆条件下可直接进行支护变形的计算；对于设置i（i=1或i≥3）道锚杆的情况依然通过建立位移与拉力的方程组推导求解。
步骤S420、随着时间的增长，桩顶位移也随之增大，计算出支护残余性能，残余性能按下式确定：
Figure 68350DEST_PATH_IMAGE040
（13）
在公式（13）中，η残为残余性能系数，S位移为位移计算值，S限定为规范规定的桩顶位移限定值。
本实施例提供的超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法，同现有技术相比，根据岩土体的三轴试验和施工工程，确定工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失；根据工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失，确定土压力、锚索预应力随时间变化的表达式；结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；同时考虑土体的流变特性和锚索预应力损失，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。本实施例提供的超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法，充分考虑了工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力损失的影响，进而推导的支护结构在开挖过程中性能随时间变化的计算公式，可以使基坑支护结构的性能评估更加精确、符合客观实际；计算结果与时间紧密联系，清晰反映了基坑支护性能随时间的变化曲线，可以动态评估基坑支护的性能，对后续的施工工序进行指导，克服了传统的静态评估、模糊评估的缺点；通过规范变形限定值、全过程的基坑支护实测变形数据和计算结果的对比验证，能够全面、客观、准确地评估临时基坑支护结构的性能，为临时基坑工程的安全施工提供依据。
依据本发明的考虑时效的预应力桩锚式超期服役基坑支护性能评估方法，计算分析兰州某基坑开挖工程。基坑长度120m，宽度70m，开挖深度22.8m，地面超载20kPa，其土层参数如表1所示，基坑共设置3道锚杆，距地面的垂直距离分别为3.7、8.7、13.7m，施加的预应力分别为180、160、160kN，刚度系数为21510、26340、39740kN/m，支护方案如图3至图5所示。
表1基坑不同土层的相关力学参数
Figure 535104DEST_PATH_IMAGE041
由桩身位移计算结果图可知，本发明计算结果在桩深15.7m处出现最大位移14.2mm，桩顶位移为1mm，嵌岩部分位移不足1mm。而实际的桩身水平位移在桩深15m附近出现最大值，桩顶和嵌岩部分的水平位移均较小，其实际监测结果和计算结果的位移曲线整体基本一致，且出现最大位移的桩深位置接近，最大位移值误差不足1mm，表明本发明的计算结果与实际相符，适用于基坑桩锚式支护结构的变形及性能分析，且图6同时给出30天、半年、1年的位移预测值，建筑基坑工程监测技术标准[附条文说明]GB50497-2019）规定，桩顶最大位移值取为40mm，根据公式（13）可得30天、半年、1年的支护残余性能分别为49%、35%、33%。
优选地，如图7所示，图7为本发明提供的一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估系统一实施例的功能框图，在本实施例中，该超期服役基坑桩锚式支护性能评估系统包括第一确定模块10、第二确定模块20、第三确定模块30和推导模块40，其中，第一确定模块10，用于根据岩土体的三轴试验和施工工程，确定工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失；第二确定模块20，用于根据工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失，确定土压力、锚索预应力随时间变化的表达式；第三确定模块30，用于结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；推导模块40，同时考虑土体的流变特性和锚索预应力损失，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。
进一步地，请见图8，图8为图7中所示的第一确定模块一实施例的功能模块示意图，在本实施例中，第一确定模块10包括第一计算单元11、第二计算单元12和第三计算单元13，其中，
第一计算单元11，用于通过岩土的三轴压缩试验得到工程现场土体的流变特性，土体粘聚力和内摩擦角随时间的变化关系用下式表示：
Figure 400423DEST_PATH_IMAGE042
（14）
在公式（14）中，c(t)为某一时刻的粘聚力，φ(t)为某一时刻的内摩擦角；c(∞)为长期极限粘聚力，φ(∞)为长期极限内摩擦角，c(∞)为一极小值，φ(∞)相当于残余内摩擦角；c(0)为按标准方法测定的粘聚力，φ(0)为按标准方法测定的内摩擦角；t为任意时刻；t0为测定粘聚力和摩擦角的标准方法所需的时间；α、β、γ分别为无量纲拟合系数，其中，0＜α＜1，β＞0，γ＞0。
第二计算单元12，用于根据喷射混凝土强度折减试验数据并拟合其弹性模量随时间变化的规律，得到喷射混凝土弹性模量，喷射混凝土弹性模量为：
Figure 181297DEST_PATH_IMAGE043
（15）
在公式（15）中，为喷射混凝土弹性模量；
Figure 697729DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 273067DEST_PATH_IMAGE005
、β为拟合参数；t为时间变量，其单位为天。
对于常用的C20喷射混凝土，其拟和参数公式如下：
Figure 625682DEST_PATH_IMAGE044
（16）
在公式（16）中，t为时间变量，其单位为天。
第三计算单元13，用于根据岩土体的施工工程，确定锚索预应力的损失，锚索预应力的损失由四参数预应力损失模型计算确定：
Figure 210247DEST_PATH_IMAGE045
（17）
在公式（17）中，Ri(t)为锚索预应力，A为锚索横截面积，E1、E2、η1、η2均为可测定初 始值，
Figure 581185DEST_PATH_IMAGE046
为蠕变系数。
优选地，请见图9，图9为图7中所示的第二确定模块一实施例的功能模块示意图，在本实施例中，第二确定模块20包括：
第四计算单元21，用于计算某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力，主动土压力用下式表示：
Figure 593004DEST_PATH_IMAGE047
（18）
在公式（18）中，Pa(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力；γ0为开挖深度范围内主动区土体容重，c(t)为开挖深度范围内某一时刻的粘聚力；q0为地面超载；Ka(t)为某一时刻的主动土压力系数。
第五计算单元22，用于用于计算某一时刻基坑底面以上深度z处的锚杆拉力，锚杆拉力的计算公式如下：
Figure 167336DEST_PATH_IMAGE048
（19）
在公式（19）中，
Figure 555592DEST_PATH_IMAGE049
为锚杆拉力；Ri(t)为第i道锚索的预应力；Ki为第i道锚杆的刚度系数；Si(t)为第i道锚杆处的实际水平位移；
Figure 577774DEST_PATH_IMAGE032
为锚杆于水平线的夹角。
进一步地，请见图10，图10为图7中所示的第三确定模块一实施例的功能模块示意图，在本实施例中，第三确定模块30包括第六计算单元31和第七计算单元32，其中，
第六计算单元31，用于假定支护桩基坑底面以上为悬臂梁、基坑底面以下为弹性地基梁，并结合锚杆和桩身的变形协调关系，得到桩身的变形协调方程，其表达式为：
Figure 511226DEST_PATH_IMAGE050
（20）
在公式（20）中，S1(t)为支护桩在z=H1处的实际水平位移，S2(t)为支护桩在z=H2处的实际水平位移，Sa1(t)为主动土压力在z=H1处产生的水平位移，Sa2(t)为主动土压力在z=H2处产生的水平位移，ST11(t)为T1(t)作用下支护结构在z=H1处的水平位移，ST22(t)为T2(t)作用下支护结构在z=H2处的水平位移，ST12(t)为T1(t)作用下支护结构在z=H2处的水平位移，ST21(t)为T2(t)作用下支护结构在z=H1处的水平位移，y0(t)为基坑底面以下桩身的位移，θ0(t)为基坑底面以下桩身的转角。
第七计算单元32，用于推导支护水平位移与锚杆拉力之间的关系式，求解得到位移与锚杆拉力，其方程组如下：
Figure 87701DEST_PATH_IMAGE051
（21）
在公式（21）中，
Figure 14069DEST_PATH_IMAGE052
为第一道锚杆的锚杆拉力，
Figure 94020DEST_PATH_IMAGE053
为第二道锚杆的锚杆拉力，S1(t)为支护桩在z=H1处的实际水平位移，S2(t)为支护桩在z=H2处的实际水平位移；
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为锚杆的倾斜角度，相当于第i道锚杆与水平线的夹角；K1、K2分别为第一道锚索和第二道锚索的抗拉刚度。
优选地，请见图11，图11为图7中所示的推导模块一实施例的功能模块示意图，在本实施例中，推导模块40包括第八计算单元41和第九计算单元42，其中，
第八计算单元41，用于将锚杆拉力的计算结果代入位移表达式，得到各个时期支护桩各个位置产生的水平位移，对于未设置锚杆条件下可直接进行支护变形的计算；对于设置i=1或i≥3道锚杆的情况依然通过建立位移与拉力的方程组推导求解。
第九计算单元42，用于随着时间的增长，桩顶位移也随之增大，计算出支护残余性能，残余性能按下式确定：
Figure 995111DEST_PATH_IMAGE014
（22）
在公式（22）中，η残为残余性能系数，S位移为位移计算值，S限定为规范规定的桩顶位移限定值。
本实施例提供的超期服役基坑桩锚式支护性能评估装置，同现有技术相比，根据岩土体的三轴试验和施工工程，确定工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失；根据工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失，确定土压力、锚索预应力随时间变化的表达式；结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；同时考虑土体的流变特性和锚索预应力损失，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值。本实施例提供的超期服役基坑桩锚式支护性能评估装置，充分考虑了工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力损失的影响，进而推导的支护结构在开挖过程中性能随时间变化的计算公式，可以使基坑支护结构的性能评估更加精确、符合客观实际；计算结果与时间紧密联系，清晰反映了基坑支护性能随时间的变化曲线，可以动态评估基坑支护的性能，对后续的施工工序进行指导，克服了传统的静态评估、模糊评估的缺点；通过规范变形限定值、全过程的基坑支护实测变形数据和计算结果的对比验证，能够全面、客观、准确地评估临时基坑支护结构的性能，为临时基坑工程的安全施工提供依据。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据岩土体的三轴试验和施工工程，确定工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失；
根据工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失，确定土压力、锚索预应力随时间变化的表达式；
结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；
同时考虑土体的流变特性和锚索预应力损失，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值；
所述支护结构的钢筋混凝土强度折减包括喷射混凝土弹性模量，所述根据岩土体的三轴试验和施工工程，确定工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失的步骤包括：
通过岩土的三轴压缩试验得到工程现场土体的流变特性，土体粘聚力和内摩擦角随时间的变化关系用下式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，c(t)为某一时刻的粘聚力，φ(t)为某一时刻的内摩擦角；c(∞)为长期极限粘聚力，φ(∞)为长期极限内摩擦角，c(0)为按标准方法测定的粘聚力，φ(0)为按标准方法测定的内摩擦角；t为任意时刻；t0为测定粘聚力和摩擦角的标准方法所需的时间；α、β、γ分别为无量纲拟合系数，其中，0＜α＜1，β＞0，γ＞0；
根据喷射混凝土强度折减试验数据并拟合其弹性模量随时间变化的规律，得到喷射混凝土弹性模量，所述喷射混凝土弹性模量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为喷射混凝土弹性模量；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure DEST_PATH_IMAGE005
、β为拟合参数；t为时间变量，其单位为 天；
根据岩土体的施工工程，确定锚索预应力的损失，所述锚索预应力的损失由四参数预应力损失模型计算确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
其中，Ri(t)为锚索预应力，A为锚索横截面积，E1、E2、η1、η2均为可测定初始值，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为蠕 变系数；
所述根据工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失，确定土压力、锚索预应力随时间变化的表达式的步骤包括：
计算某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力，主动土压力用下式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中，Pa(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力；γ0为开挖深度范围内主动区土体容重，c(t)为开挖深度范围内某一时刻的粘聚力；q0为地面超载；Ka(t)为某一时刻的主动土压力系数；
计算某一时刻基坑底面以上深度z处的锚杆拉力，所述锚杆拉力的计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为锚杆拉力；Ri(t)为第i道锚索的预应力；Ki为第i道锚杆的刚度系数；Si(t)为第i道锚杆处的实际水平位移；
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为锚杆于水平线的夹角；
所述结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系的步骤包括：
假定支护桩基坑底面以上为悬臂梁、基坑底面以下为弹性地基梁，并结合锚杆和桩身的变形协调关系，得到桩身的变形协调方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
其中，S1(t)为支护桩在z=H1处的实际水平位移，S2(t)为支护桩在z=H2处的实际水平位移，Sa1(t)为主动土压力在z=H1处产生的水平位移，Sa2(t)为主动土压力在z=H2处产生的水平位移，ST11(t)为T1(t)作用下支护结构在z=H1处的水平位移，ST22(t)为T2(t)作用下支护结构在z=H2处的水平位移，ST12(t)为T1(t)作用下支护结构在z=H2处的水平位移，ST21(t)为T2(t)作用下支护结构在z=H1处的水平位移，y0(t)为基坑底面以下桩身的位移，θ0(t)为基坑底面以下桩身的转角；
推导支护水平位移与锚杆拉力之间的关系式，求解得到位移与锚杆拉力，其方程组如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为第一道锚杆的锚杆拉力，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为第二道锚杆的锚杆拉力，S1(t)为支护桩在z=H1处的实际水平位移，S2(t)为支护桩在z=H2处的实际水平位移；
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为锚杆的倾斜角度，相当于第i道锚杆与水平线的夹角；K1、K2分别为第一道锚索和第二道锚索的抗拉刚度；
所述同时考虑土体的流变特性和锚索预应力损失，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值的步骤包括：
将锚杆拉力的计算结果代入位移表达式，得到各个时期支护桩各个位置产生的水平位移，对于未设置锚杆条件下可直接进行支护变形的计算；对于设置i道锚杆的情况依然通过建立位移与拉力的方程组推导求解；
随着时间的增长，桩顶位移也随之增大，计算出支护残余性能，残余性能按下式确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
其中，η残为残余性能系数，S位移为位移计算值，S限定为规范规定的桩顶位移限定值。
2.一种超期服役基坑桩锚式支护性能评估系统，其特征在于，包括：
第一确定模块（10），用于根据岩土体的三轴试验和施工工程，确定工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失；
第二确定模块（20），用于根据工程现场土体的流变特性、支护结构的钢筋混凝土强度折减以及锚索预应力的损失，确定土压力、锚索预应力随时间变化的表达式；
第三确定模块（30），用于结合基坑桩锚支护模型的基本假定，确定桩身和锚杆的变形协调关系；
推导模块（40），同时考虑土体的流变特性和锚索预应力损失，并结合弹性地基梁基本理论，推导出考虑时效的超期服役基坑桩锚支护性能评估值；
所述第一确定模块（10）包括：
第一计算单元（11），用于通过岩土的三轴压缩试验得到工程现场土体的流变特性，土体粘聚力和内摩擦角随时间的变化关系用下式表示：
Figure 937420DEST_PATH_IMAGE001
其中，c(t)为某一时刻的粘聚力，φ(t)为某一时刻的内摩擦角；c(∞)为长期极限粘聚力，φ(∞)相当于残余内摩擦角；c(0)为按标准方法测定的粘聚力，φ(0)为按标准方法测定的内摩擦角；t为任意时刻；t0为测定粘聚力和摩擦角的标准方法所需的时间；α、β、γ分别为无量纲拟合系数，其中，0＜α＜1，β＞0，γ＞0；
第二计算单元（12），用于根据喷射混凝土强度折减试验数据并拟合其弹性模量随时间变化的规律，得到喷射混凝土弹性模量，所述喷射混凝土弹性模量为：
Figure 729927DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为喷射混凝土弹性模量；
Figure 509664DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure 639294DEST_PATH_IMAGE005
、β为拟合参数；t为时间变量，其单位为 天；
第三计算单元（13），用于根据岩土体的施工工程，确定锚索预应力的损失，所述锚索预应力的损失由四参数预应力损失模型计算确定：
Figure 453666DEST_PATH_IMAGE006
其中，Ri(t)为锚索预应力，A为锚索横截面积，E1、E2、η1、η2均为可测定初始值，
Figure 276129DEST_PATH_IMAGE007
为蠕 变系数；
所述第二确定模块（20）包括：
第四计算单元（21），用于计算某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力，所述主动土压力用下式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
其中，Pa(t)为某一时刻基坑底面以上深度z处的主动土压力；γ0为开挖深度范围内主动区土体容重，c(t)为开挖深度范围内某一时刻的粘聚力；q0为地面超载；Ka(t)为某一时刻的主动土压力系数；
第五计算单元（22），用于计算某一时刻基坑底面以上深度z处的锚杆拉力，所述锚杆拉力的计算公式如下：
Figure 559474DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为锚杆拉力；Ri(t)为第i道锚索的预应力；Ki为第i道锚杆的刚度系数；Si(t)为第i道锚杆处的实际水平位移；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为锚杆于水平线的夹角；
所述第三确定模块（30）包括：
第六计算单元（31），用于假定支护桩基坑底面以上为悬臂梁、基坑底面以下为弹性地基梁，并结合锚杆和桩身的变形协调关系，得到桩身的变形协调方程如下：
Figure 492795DEST_PATH_IMAGE012
其中，S1(t)为支护桩在z=H1处的实际水平位移，S2(t)为支护桩在z=H2处的实际水平位移，Sa1(t)为主动土压力在z=H1处产生的水平位移，Sa2(t)为主动土压力在z=H2处产生的水平位移，ST11(t)为T1(t)作用下支护结构在z=H1处的水平位移，ST22(t)为T2(t)作用下支护结构在z=H2处的水平位移，ST12(t)为T1(t)作用下支护结构在z=H2处的水平位移，ST21(t)为T2(t)作用下支护结构在z=H1处的水平位移，y0(t)为基坑底面以下桩身的位移，θ0(t)为基坑底面以下桩身的转角；
第七计算单元（32），用于推导支护水平位移与锚杆拉力之间的关系式，求解得到位移与锚杆拉力，其方程组如下：
Figure 161673DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为第一道锚杆的锚杆拉力，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为第二道锚杆的锚杆拉力，S1(t)为支护桩在z=H1处的实际水平位移，S2(t)为支护桩在z=H2处的实际水平位移；为锚杆的倾斜角度，相当于第i道锚杆与水平线的夹角；K1、K2分别为第一道锚索和第二道锚索的抗拉刚度；
所述推导模块（40）包括：
第八计算单元（41），用于将锚杆拉力的计算结果代入位移表达式，得到各个时期支护桩各个位置产生的水平位移，对于未设置锚杆条件下可直接进行支护变形的计算；对于设置i道锚杆的情况依然通过建立位移与拉力的方程组推导求解；
第九计算单元（42），用于随着时间的增长，桩顶位移也随之增大，计算出支护残余性能，所述残余性能按下式确定：
Figure 171349DEST_PATH_IMAGE017
其中，η残为残余性能系数，S位移为位移计算值，S限定为规范规定的桩顶位移限定值。
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