CN114417480A - 一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法 - Google Patents

Abstract

一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法，包括以下步骤：步骤一：根据基坑的矩形特征，建立O₁x坐标轴和O₂y坐标轴；步骤二：建立基坑地下连续墙的长边刚度E_x的表达式和短边刚度E_y的表达式；步骤三：先根据长边刚度E_x和短边刚度E_y的表达式，获取基坑各边的刚度，再建立基坑三维有限元模型，然后通过数值模拟基坑开挖的各个阶段，输出整个阶段中的最大弯矩、剪力、变形，步骤四：判断最大弯矩、最大剪力、最大变形与允许弯矩、允许剪力、允许变形是否均满足相对误差界限范围。本设计基坑长边及短边的变刚度计算式，使基坑各处地连墙的刚度与基坑各处地连墙的变形相匹配，避免过度设计，减少材料成本。

Description

一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法

技术领域

本发明涉及基坑工程技术领域，尤其涉及一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法。

背景技术

地下连续墙作为深基坑支护挡土墙常用形式之一，在高层建筑、市政工程等地下基坑围护结构中得到了广泛应用。基坑开挖过程中，矩形基坑长度方向和宽度方向中间位置变形最大，向边角递减，且长度和宽度方向变形不一致，与基坑尺寸相关联，然而现有基坑设计，整个基坑不同位置、不同断面处的地连墙给定的刚度均一样，在基坑变形较大的远离坑角段，这样的刚度是满足要求的，但是在变形较小的坑角或近坑角段，这一设计无疑会偏于保守，造成材料的不必要浪费。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中基坑地连墙刚度设计过于保守，造成材料浪费的缺陷与问题，提供一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：

一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据基坑的矩形特征，以基坑的长边中心O₁作为原点，建立O₁x坐标轴，以基坑的短边中心O₂作为原点，建立O₂y坐标轴；

步骤二、以O₁为中心，建立基坑地下连续墙的长边刚度E_x的表达式，以O₂为中心，建立基坑地下连续墙的短边刚度E_y的表达式；

步骤三、先根据长边刚度E_x和短边刚度E_y的表达式，获取基坑各边的刚度，再建立基坑三维有限元模型，然后通过数值模拟基坑开挖的各个阶段，得出每个阶段中的弯矩、剪力、变形，并输出整个阶段中的最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形S_输；

步骤四、判断最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形S_输与允许弯矩M_允许、允许剪力Q_允许、允许变形S_允许是否均满足相对误差界限范围，若满足，则完成设计工作，若不满足，则跳转至步骤五；

步骤五、调整长边刚度E_x和短边刚度E_y，得到新的长边刚度E′_x和短边刚度E′_y，并跳转至步骤三。

所述步骤二中，长边刚度E_x的表达式为：

其中，E₀为基坑坑脚处的刚度，E₁为基坑长边中心处最大刚度，E_x为距O₁任意位置x处的地连墙刚度，L为基坑的长边长度。

所述步骤二中，短边刚度E_y的表达式为：

其中，E₀为基坑坑脚处的刚度，E₂为基坑短边中心处最大刚度，E_y为距O₂任意位置y处的地连墙刚度，B为基坑的短边长度。

所述步骤四中，最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形S_输与允许弯矩M_允许、允许剪力Q_允许、允许变形S_允许的相对误差界限范围不等式为：

所述步骤五中的调整方法为：判断最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形量S_输是否大于允许弯矩M_允许、允许剪力Q_允许、允许变形S_允许；

若是，则调小长边刚度E_x和短边刚度E_y，得到新的长边刚度E′_x和短边刚度E′_y；

若否，则调大长边刚度E_x和短边刚度E_y，得到新的长边刚度E′_x和短边刚度E′_y。

所述调小后的长边刚度公式为E′_x＝0.95E_x；

所述调小后的短边刚度公式为E′_y＝0.95E_y。

所述调大后的长边刚度公式为E′_x＝1.05E_x；

所述调大后的短边刚度公式为E′_y＝1.05E_y。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法，根据基坑地下连续墙刚度的特点，提出了基坑地下连续墙的变刚度计算公式，通过建立三维有限元模型进行模拟计算，得出结果，并对输出值进行优化调整，避免了在基础设计时基坑刚度设计过大，过于保守，造成材料浪费的情况。因此，本发明可以减少材料浪费，提高经济效益。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明基坑地下连续墙的平面图。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1和图2，一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据基坑的矩形特征，以基坑的长边中心O₁作为原点，建立O₁x坐标轴，以基坑的短边中心O₂作为原点，建立O₂y坐标轴；

步骤二、以O₁为中心，建立基坑地下连续墙的长边刚度E_x的表达式，以O₂为中心，建立基坑地下连续墙的短边刚度E_y的表达式；

步骤三、先根据长边刚度E_x和短边刚度E_y的表达式，获取基坑各边的刚度，再建立基坑三维有限元模型，然后通过数值模拟基坑开挖的各个阶段，得出每个阶段中的弯矩、剪力、变形，并输出整个阶段中的最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形S_输；

步骤四、判断最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形S_输与允许弯矩M_允许、允许剪力Q_允许、允许变形S_允许是否均满足相对误差界限范围，若满足，则完成设计工作，若不满足，则跳转至步骤五；

步骤五、调整长边刚度E_x和短边刚度E_y，得到新的长边刚度E′_x和短边刚度E′_y，并跳转至步骤三。

所述步骤二中，长边刚度E_x的表达式为：

其中，E₀为基坑坑脚处的刚度，E₁为基坑长边中心处最大刚度，E_x为距O₁任意位置x处的地连墙刚度，L为基坑的长边长度。

所述步骤二中，短边刚度E_y的表达式为：

其中，E₀为基坑坑脚处的刚度，E₂为基坑短边中心处最大刚度，E_y为距O₂任意位置y处的地连墙刚度，B为基坑的短边长度。

所述步骤四中，最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形S_输与允许弯矩M_允许、允许剪力Q_允许、允许变形S_允许的相对误差界限范围不等式为：

所述步骤五中的调整方法为：判断最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形量S_输是否大于允许弯矩M_允许、允许剪力Q_允许、允许变形S_允许；

若是，则调小长边刚度E_x和短边刚度E_y，得到新的长边刚度E′_x和短边刚度E′_y；

若否，则调大长边刚度E_x和短边刚度E_y，得到新的长边刚度E′_x和短边刚度E′_y。

所述调小后的长边刚度公式为E′_x＝0.95E_x；

所述调小后的短边刚度公式为E′_y＝0.95E_y。

所述调大后的长边刚度公式为E′_x＝1.05E_x；

所述调大后的短边刚度公式为E′_y＝1.05E_y。

本发明的原理说明如下：

本发明提供了一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法，该方法具有以下特点：

1、提出了沿基坑长度方向的变刚度动态设计计算方法及判别准则。

2、提出了基坑长边及短边的变刚度计算式，中部最大，坑角最小，假设合理，计算简便。

3、充分利用基坑自身的坑角效应，从设计出发做到了基坑不同位置围护结构的变形与其对应位置处的刚度相匹配，确保安全的同时最大程度的提高了经济效益。

实施例1：

一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法，包括以下步骤：

步骤一、根据基坑的矩形特征，以基坑的长边中心O₁作为原点，建立O₁x坐标轴，以基坑的短边中心O₂作为原点，建立O₂y坐标轴；

步骤二、以O₁为中心，E₁和E₀为基坑长边两已知点的刚度，建立基坑地下连续墙的长边刚度E_x的表达式，假定刚度沿长边线性分布，距O₁任意位置x处的地连墙刚度E_x为：

其中，E₀为基坑坑脚处的刚度，E₁为基坑长边中心处最大刚度，E_x为距O₁任意位置x处的地连墙刚度，L为基坑的长边长度。

以O₂为中心，E₂和E₀为基坑短边两已知点的刚度，建立基坑地下连续墙的短边刚度E_y的表达式，假定刚度沿短边线性分布，距O₂任意位置y处的地连墙刚度为：

其中，E₀为基坑坑脚处的刚度，E₂为基坑短边中心处最大刚度，E_y为距O₂任意位置y处的地连墙刚度，B为基坑的短边长度。

步骤三、先根据长边刚度E_x和短边刚度E_y的表达式，获取基坑各边的刚度，应用岩土工程大型有限元软件PLAXIS3D建立基坑三维有限元模型，通过数值模拟计算得出基坑开挖过程中的基坑受力、变形以及基坑开挖影响范围，得出每个阶段中的弯矩、剪力、变形，并输出整个阶段中的最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形S_输；

步骤四、判断最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形S_输与允许弯矩M_允许、允许剪力Q_允许、允许变形S_允许是否满足相对误差界限范围不等式为：

若满足，则完成设计工作，若不满足，则跳转至步骤五；

步骤五、调整长边刚度E_x和短边刚度E_y，得到新的长边刚度E′_x和短边刚度E′_y，并跳转至步骤三。

所述步骤五中的调整方法为：判断最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形量S_输是否大于允许弯矩M_允许、允许剪力Q允_许、允许变形S_允许，当最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形S_输均大于对应的允许值时，则需要调小对应的长边刚度E_x和短边刚度E_y，可令E′_x＝0.95E_x，E′_y＝0.95E_y，再将E′_x和E′_y代入到步骤三中进行重新开挖模拟计算，若不行，再令E″_x＝0.95E′_x，E″_y＝0.95E′_y，并进行以上步骤，直至计算通过；

当最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形S_输均小于对应的允许值时，则需要调大对应的长边刚度E_x和短边刚度E_y，可令E′_x＝1.05E_x，E′_y＝1.05E_y，再将E′_x和E′_y代入到步骤三中进行重新开挖模拟计算，若不行，再令E″_x＝1.05E′_x，E″_y＝1.05E′_y，并进行以上步骤，直至计算通过。

Claims (7)

1.一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、根据基坑的矩形特征，以基坑的长边中心O₁作为原点，建立O₁x坐标轴，以基坑的短边中心O₂作为原点，建立O₂y坐标轴；

步骤二、以O₁为中心，建立基坑地下连续墙的长边刚度E_x的表达式；以O₂为中心，建立基坑地下连续墙的短边刚度E_y的表达式；

步骤三、先根据长边刚度E_x和短边刚度E_y的表达式，获取基坑各边的刚度，再建立基坑三维有限元模型，然后通过数值模拟基坑开挖的各个阶段，得出每个阶段中的弯矩、剪力、变形，并输出整个阶段中的最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形S_输；

步骤四、判断最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形S_输与允许弯矩M_允许、允许剪力Q_允许、允许变形S_允许是否均满足相对误差界限范围，若满足，则完成设计工作，若不满足，则跳转至步骤五；

步骤五、调整长边刚度E_x和短边刚度E_y，得到新的长边刚度E_x ^′和短边刚度E_y ^′，并跳转至步骤三。

2.根据权利要求1所述的一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法，其特征在于：所述步骤二中，长边刚度E_x的表达式为：

其中，E₀为基坑坑脚处的刚度，E₁为基坑长边中心处最大刚度，E_x为距O₁任意位置x处的地连墙刚度，L为基坑的长边长度。

3.根据权利要求1所述的一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法，其特征在于：所述步骤二中，短边刚度E_y的表达式为：

其中，E₀为基坑坑脚处的刚度，E₂为基坑短边中心处最大刚度，E_y为距O₂任意位置y处的地连墙刚度，B为基坑的短边长度。

4.根据权利要求1所述的一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法，其特征在于：所述步骤四中，最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形S_输与允许弯矩M_允许、允许剪力Q_允许、允许变形S_允许的相对误差界限范围不等式为：

5.根据权利要求1所述的一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法，其特征在于：所述步骤五中的调整方法为：判断最大弯矩M_输、最大剪力Q_输、最大变形量S_输是否大于允许弯矩M_允许、允许剪力Q_允许、允许变形S_允许；

若是，则调小长边刚度E_x和短边刚度E_y，得到新的长边刚度E′_x和短边刚度E′_y；

若否，则调大长边刚度E_x和短边刚度E_y，得到新的长边刚度E′_x和短边刚度E′_y。

6.根据权利要求5所述的一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法，其特征在于：所述调小后的长边刚度公式为E′_x＝0.95E_x；

所述调小后的短边刚度公式为E′_y＝0.95E_y。

7.根据权利要求5所述的一种矩形基坑变刚度地下连续墙及其动态设计方法，其特征在于：所述调大后的长边刚度公式为E′_x＝1.05E_x；

所述调大后的短边刚度公式为E′_y＝1.05E_y。

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