CN115081084A - 考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法 - Google Patents

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CN115081084A CN202210808094.XA CN202210808094A CN115081084A CN 115081084 A CN115081084 A CN 115081084A CN 202210808094 A CN202210808094 A CN 202210808094A CN 115081084 A CN115081084 A CN 115081084A
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范晓真
徐长节
丁智
梁禄钜
胡成宝
魏纲
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Abstract

本发明涉及考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法，包括确定偏压基坑的剖面参数以及土体参数；确定偏压基坑两侧围护结构的位移模式和偏压基坑围护结构模型整体受力分析图；确定初步设计时内支撑的位移值；计算各级内支撑的轴力；确定两侧围护结构上的土压力由极限状态转变为非极限状态的待求深度以及两侧围护结构的嵌固深度；确定两侧围护结构的材料及配筋。本发明的有益效果是：本发明可以对偏压基坑围护结构进行基于变形控制的设计，计算公式简便可行，可以在确保安全稳定和基坑变形控制要求的前提下有效节约工程造价，减小施工量，具有很好的推广应用价值。

Description

考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法
技术领域
本发明涉及地下工程领域，更确切地说，它涉及考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法。
背景技术
基坑受偏压荷载的情况愈发常见，包括基坑一侧存在堤坝、基坑两侧堆载不同，基坑两侧建筑物不同等，而常规的计算方法仅能应用于围护结构在基坑两侧坑边荷载对称情况下的设计。
目前，对于偏压基坑，现行《建筑基坑支护技术规程》规定按最不利作用效应一侧进行设计计算，该处理方法会造成投资和施工量的增大。基坑的偏压受荷载将导致基坑两侧围护结构的位移有所不同，进而使得两侧围护结构受到的土压力分布不同，内力分布不对称，两侧围护结构所需的嵌固深度也将有所不同。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法。
第一方面，提供了考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法，包括：
S1、确定偏压基坑的剖面参数以及土体参数；
S2、确定偏压基坑两侧围护结构的位移模式和偏压基坑围护结构模型整体受力分析图；所述两侧围护结构包括荷载大侧围护结构和荷载小侧围护结构；所述两侧围护结构之间通过多级内支撑进行连接；
S3、通过两侧偏压的荷载值以及基坑的容许位移控制值确定初步设计时内支撑的位移值；
S4、根据S3确定的支撑处的位移值，通过应力应变关系计算各级内支撑的轴力；
S5、根据偏压基坑两侧围护结构的位移模式，假定两侧围护结构上土压力的分布模式为：在坑底以下某一深度Xi以上为极限土压力分布，在该深度以下为非极限土压力分布，并线性衰减至坑底处为静止土压力；
S6、基于S5提出的分布模式分别对所述荷载大侧围护结构和所述荷载小侧围护结构的土压力进行计算，确定两侧围护结构上的土压力由极限状态转变为非极限状态的待求深度Xi以及两侧围护结构的嵌固深度Di；
S7、分别计算两侧围护结构的弯矩与剪力分布，并根据最大弯矩和最大剪力分别确定两侧围护结构的材料及配筋；
S8、进行整体稳定性验算、抗倾覆验算、抗隆起稳定性验算。
作为优选，S1中，所述偏压基坑为一侧坑边荷载较大，另一侧坑边荷载较小的基坑；所述偏压基坑的剖面参数包括基坑的开挖深度H，每级内支撑的布设深度hm、计算长度B、受压刚度EA、水平间距S，荷载大侧的坑边荷载值qd和荷载小侧的坑边荷载值qx；所述土体参数包括三倍开挖深度范围内土层的土层厚度d，重度γ，墙土间摩擦角δ，内摩擦角
Figure BDA0003739159650000026
以及粘聚力c。
作为优选，S3中，内支撑靠近荷载大侧围护结构一端的位移大小Δsdm取基坑围护结构容许位移值[Δ]max；内支撑靠近荷载小侧围护结构一端的位移大小Δsxm根据每级内支撑的两侧偏压比值进行计算，计算公式为：
Figure BDA0003739159650000021
其中，m表示第m级内支撑；Ka表示主动土压力系数；γ是土层的等效重度，对多层土层通过分层总和法求得。
作为优选，S4中，各级内支撑的轴力的计算公式为：
Figure BDA0003739159650000022
作为优选，S5中，所述偏压基坑两侧围护结构的位移模式为：荷载大侧围护结构底部位移近似于零，底部以上部分呈现向坑内的位移，最大位移由基坑容许位移值确定；荷载小侧围护结构底部位移近似于零，底部以上部分呈现向坑内的位移，同时受到荷载大侧的推回位移影响，位移小于荷载大侧。
作为优选，S6中，水平力平衡方程和力矩平衡方程表示为：
Figure BDA0003739159650000023
其中，i＝1表示荷载较大侧，i＝2表示荷载较小侧；Sai表示坑底以上部分的主动区土压力合力值，即
Figure BDA0003739159650000024
Sbi表示坑底以下土压力合力减小至零以上区域的主动区土压力合力值，即
Figure BDA0003739159650000025
ai则表示该区域的高度，即
Figure BDA0003739159650000031
σi表示按极限土压力分布模式计算时围护桩(墙)底部处的土压力合力，即
Figure BDA0003739159650000032
σ2i表示按非极限土压力分布模式计算时围护桩(墙)底部处的土压力合力，即
Figure BDA0003739159650000033
Figure BDA0003739159650000034
作为优选，所述荷载大侧围护结构为荷载大侧围护桩或荷载大侧围护墙；所述荷载小侧围护结构为荷载小侧围护桩或荷载小侧围护墙。
第二方面，提供了考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计装置，用于执行第一方面任一所述的考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法，包括：
第一确定模块，用于确定偏压基坑的剖面参数以及土体参数；
第二确定模块，用于确定偏压基坑两侧围护结构的位移模式和偏压基坑围护结构模型整体受力分析图；所述两侧围护结构包括荷载大侧围护结构和荷载小侧围护结构；所述两侧围护结构之间通过多级内支撑进行连接；
第三确定模块，用于通过两侧偏压的荷载值以及基坑的容许位移控制值确定初步设计时内支撑的位移值；
第一计算模块，用于根据第三确定模块确定的支撑处的位移值，通过应力应变关系计算各级内支撑的轴力；
假定模块，用于根据偏压基坑两侧围护结构的位移模式，假定两侧围护结构上土压力的分布模式为：在坑底以下某一深度Xi以上为极限土压力分布，在该深度以下为非极限土压力分布，并线性衰减至坑底处为静止土压力；
第二计算模块，用于基于假定模块提出的分布模式分别对所述荷载大侧围护结构和所述荷载小侧围护结构的土压力进行计算，确定两侧围护结构上的土压力由极限状态转变为非极限状态的待求深度Xi以及两侧围护结构的嵌固深度Di；
第三计算模块，分别计算两侧围护结构的弯矩与剪力分布，并根据最大弯矩和最大剪力分别确定两侧围护结构的材料及配筋；
验算模块，用于进行整体稳定性验算、抗倾覆验算、抗隆起稳定性验算。
第三方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在计算机上运行时，使得计算机执行第一方面任一所述的考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法。
第四方面，提供了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如第一方面任一所述的考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法。
本发明的有益效果是：本发明克服了常规基坑设计方法中未考虑的基坑受偏压荷载情况，且可以对偏压基坑围护结构进行基于变形控制的设计，计算公式简便可行，可以在确保安全稳定和基坑变形控制要求的前提下有效节约工程造价，减小施工量，具有很好的推广应用价值。
附图说明
图1为含偏压基坑围护结构位移模式的偏压基坑剖面模型图；
图2为考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑整体受力分析示意图；
附图标记说明：1-荷载大侧地表，2-荷载大侧围护结构，3-荷载大侧围护结构的位移模式， 4-荷载小侧地表，5-荷载小侧围护结构，6-荷载小侧围护结构的位移模式，7-内支撑，8-坑底。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1：
考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法，包括：
S1、确定偏压基坑的剖面参数以及土体参数。
S1中，偏压基坑为一侧坑边荷载较大，另一侧坑边荷载较小的基坑；偏压基坑的剖面参数包括基坑的开挖深度H，每级内支撑的布设深度hm、计算长度B、受压刚度EA、水平间距 S，荷载大侧的坑边荷载值qd和荷载小侧的坑边荷载值qx；土体参数包括三倍开挖深度范围内土层的土层厚度d，重度γ，墙土间摩擦角δ，内摩擦角
Figure BDA0003739159650000041
以及粘聚力c。
示例地，某偏压基坑的剖面参数如下：
参见图1，基坑地面标高为0，开挖区坑底标高为－10.0m，即开挖深度H＝10.0m。于标高－1m处设一级内支撑，即h1＝1m，支撑长度B＝30m，支撑刚度EA为1.854×106kN，支撑水平间距S＝15m；偏压基坑的荷载大侧的坑边荷载值qd＝50kNm2和荷载小侧的坑边荷载值 qx＝10kNm2。
三倍开挖深度范围内的土体参数如表1所示：
表1土层参数
Figure BDA0003739159650000051
为了采用库伦土压力理论对黏性土进行计算，对实际工程中的黏性土可根据抗剪强度相等的原理，通过等代内摩擦角
Figure BDA0003739159650000052
等代为无黏性土，等代公式为
Figure BDA0003739159650000053
对多层土体通过分层总和法进行归一化，得到地层土体的等效内摩擦角
Figure BDA0003739159650000054
等效外摩擦角
Figure BDA0003739159650000055
等效有效重度
Figure BDA0003739159650000056
则由库伦土压力理论可计算得到主动、被动土压力系数分别为Ka＝0.44，Kp＝2.59，由 Jaky静止土压力系数公式可计算得到K0＝0.65。
S2、确定偏压基坑两侧围护结构的位移模式和偏压基坑围护结构模型整体受力分析图；两侧围护结构包括荷载大侧围护结构和荷载小侧围护结构；两侧围护结构之间通过多级内支撑进行连接。
S2中，偏压基坑两侧围护结构的位移模式为：荷载大侧围护结构底部位移近似于零，底部以上部分呈现向坑内的位移，最大位移由基坑容许位移值确定；荷载小侧围护结构底部位移近似于零，底部以上部分呈现向坑内的位移，同时受到荷载大侧的推回位移影响，位移小于荷载大侧。位移模式示意图可参见图1。
S3、通过两侧偏压的荷载值以及基坑的容许位移控制值确定初步设计时内支撑的位移值。
S3中，内支撑靠近荷载大侧围护结构一端的位移大小Δsdm取基坑围护结构容许位移值 [Δ]max；内支撑靠近荷载小侧围护结构一端的位移大小Δsxm根据每级内支撑的两侧偏压比值进行计算，计算公式为：
Figure BDA0003739159650000057
其中，m表示第m级内支撑；Ka表示主动土压力系数；γ是土层的等效重度，对多层土层通过分层总和法求得。
示例地，取容许位移值[Δ]max＝5.0cm，可得Δsdm＝[Δ]max＝5.0cm，荷载小侧支撑的位移大小Δsxm根据上式计算可得Δsx1＝2.1cm。
S4、根据S3确定的支撑处的位移值，通过应力应变关系计算各级内支撑的轴力。
S4中，各级内支撑的轴力的计算公式为：
Figure BDA0003739159650000061
示例地，
Figure BDA0003739159650000062
S5、根据偏压基坑两侧围护结构的位移模式，假定两侧围护结构上土压力的分布模式为：在坑底以下某一深度Xi以上为极限土压力分布，在该深度以下为非极限土压力分布，并线性衰减至坑底处为静止土压力。
S6、如图2所示，基于S5提出的分布模式分别对荷载大侧围护结构和荷载小侧围护结构的土压力进行计算，确定两侧围护结构上的土压力由极限状态转变为非极限状态的待求深度 Xi以及两侧围护结构的嵌固深度Di。
S6中，水平力平衡方程和力矩平衡方程表示为：
Figure BDA0003739159650000063
其中，i＝1表示荷载较大侧，i＝2表示荷载较小侧；Sai表示坑底以上部分的主动区土压力合力值，即
Figure BDA0003739159650000064
Sbi表示坑底以下土压力合力减小至零以上区域的主动区土压力合力值，即
Figure BDA0003739159650000065
ai则表示该区域的高度，即
Figure BDA0003739159650000066
σi表示按极限土压力分布模式计算时围护桩(墙)底部处的土压力合力，即
Figure BDA0003739159650000067
σ2i表示按非极限土压力分布模式计算时围护桩(墙)底部处的土压力合力，即
Figure BDA0003739159650000068
Figure BDA0003739159650000069
示例地，Sa1＝525.8kN/m，Sa2＝437.8kN/m，Sb1＝136.1kN/m，Sb2＝94.3kN/m，a1＝2.6m，a2＝2.2m，
Figure BDA00037391596500000610
σ21＝155.4kN/m2，σ22＝129.4kN/m2。将以上各式代入水平力平衡方程和力矩平衡方程，求解该方程组得X1＝6.7m，D1＝14.1m， X2＝5.6m，D2＝8.2m。
S7、分别计算两侧围护结构的弯矩与剪力分布，并根据最大弯矩和最大剪力分别确定两侧围护结构的材料及配筋。
S8、进行整体稳定性验算、抗倾覆验算、抗隆起稳定性验算。
综上所述，与现有技术中的直接按最不利效应一侧进行单边设计的方法相比，本发明提供的偏压基坑围护结构设计方法，克服了常规基坑设计方法中未考虑的基坑受偏压荷载情况，并且能够考虑支护结构的位移，从变形角度控制设计，大大改进了现有计算方法。在提供的实施例中每延米节省支护结构长约5.9m，节约大量工程造价。

Claims (10)

1.考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法，其特征在于，包括：
S1、确定偏压基坑的剖面参数以及土体参数；
S2、确定偏压基坑两侧围护结构的位移模式和偏压基坑围护结构模型整体受力分析图；所述两侧围护结构包括荷载大侧围护结构和荷载小侧围护结构；所述两侧围护结构之间通过多级内支撑进行连接；
S3、通过两侧偏压的荷载值以及基坑的容许位移控制值确定初步设计时内支撑的位移值；
S4、根据S3确定的支撑处的位移值，通过应力应变关系计算各级内支撑的轴力；
S5、根据偏压基坑两侧围护结构的位移模式，假定两侧围护结构上土压力的分布模式为：在坑底以下某一深度Xi以上为极限土压力分布，在该深度以下为非极限土压力分布，并线性衰减至坑底处为静止土压力；
S6、基于S5提出的分布模式分别对所述荷载大侧围护结构和所述荷载小侧围护结构的土压力进行计算，确定两侧围护结构上的土压力由极限状态转变为非极限状态的待求深度Xi以及两侧围护结构的嵌固深度Di；
S7、分别计算两侧围护结构的弯矩与剪力分布，并根据最大弯矩和最大剪力分别确定两侧围护结构的材料及配筋；
S8、进行整体稳定性验算、抗倾覆验算、抗隆起稳定性验算。
2.根据权利要求1所述的考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法，其特征在于，S1中，所述偏压基坑为一侧坑边荷载较大，另一侧坑边荷载较小的基坑；所述偏压基坑的剖面参数包括基坑的开挖深度H，每级内支撑的布设深度hm、计算长度B、受压刚度EA、水平间距S，荷载大侧的坑边荷载值qd和荷载小侧的坑边荷载值qx；所述土体参数包括三倍开挖深度范围内土层的土层厚度d，重度γ，墙土间摩擦角δ，内摩擦角
Figure FDA0003739159640000012
以及粘聚力c。
3.根据权利要求2所述的考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法，其特征在于，S3中，内支撑靠近荷载大侧围护结构一端的位移大小Δsdm取基坑围护结构容许位移值[Δ]max；内支撑靠近荷载小侧围护结构一端的位移大小Δsxm根据每级内支撑的两侧偏压比值进行计算，计算公式为：
Figure FDA0003739159640000011
其中，m表示第m级内支撑；Ka表示主动土压力系数；γ是土层的等效重度，对多层土层通过分层总和法求得。
4.根据权利要求3所述的考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法，其特征在于，S4中，各级内支撑的轴力的计算公式为：
Figure FDA0003739159640000021
5.根据权利要求4所述的考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法，其特征在于，S2中，所述偏压基坑两侧围护结构的位移模式为：荷载大侧围护结构底部位移近似于零，底部以上部分呈现向坑内的位移，最大位移由基坑容许位移值确定；荷载小侧围护结构底部位移近似于零，底部以上部分呈现向坑内的位移，同时受到荷载大侧的推回位移影响，位移小于荷载大侧。
6.根据权利要求5所述的考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法，其特征在于，S6中，水平力平衡方程和力矩平衡方程表示为：
Figure FDA0003739159640000022
其中，i＝1表示荷载较大侧，i＝2表示荷载较小侧；Sai表示坑底以上部分的主动区土压力合力值，即
Figure FDA0003739159640000023
Sbi表示坑底以下土压力合力减小至零以上区域的主动区土压力合力值，即
Figure FDA0003739159640000024
其中，Kp为被动土压力系数；ai则表示该区域的高度，即
Figure FDA0003739159640000025
σi表示按极限土压力分布模式计算时围护桩(墙)底部处的土压力合力，即
Figure FDA0003739159640000026
Figure FDA0003739159640000027
σ2i表示按非极限土压力分布模式计算时围护桩(墙)底部处的土压力合力，即
Figure FDA0003739159640000028
其中，K0为静止土压力系数。
7.根据权利要求6所述的考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法，其特征在于，所述荷载大侧围护结构为荷载大侧围护桩或荷载大侧围护墙；所述荷载小侧围护结构为荷载小侧围护桩或荷载小侧围护墙。
8.考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计装置，其特征在于，用于执行权利要求1至7任一所述的考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法，包括：
第一确定模块，用于确定偏压基坑的剖面参数以及土体参数；
第二确定模块，用于确定偏压基坑两侧围护结构的位移模式和偏压基坑围护结构模型整体受力分析图；所述两侧围护结构包括荷载大侧围护结构和荷载小侧围护结构；所述两侧围护结构之间通过多级内支撑进行连接；
第三确定模块，用于通过两侧偏压的荷载值以及基坑的容许位移控制值确定初步设计时内支撑的位移值；
第一计算模块，用于根据第三确定模块确定的支撑处的位移值，通过应力应变关系计算各级内支撑的轴力；
假定模块，用于根据偏压基坑两侧围护结构的位移模式，假定两侧围护结构上土压力的分布模式为：在坑底以下某一深度Xi以上为极限土压力分布，在该深度以下为非极限土压力分布，并线性衰减至坑底处为静止土压力；
第二计算模块，用于基于假定模块提出的分布模式分别对所述荷载大侧围护结构和所述荷载小侧围护结构的土压力进行计算，确定两侧围护结构上的土压力由极限状态转变为非极限状态的待求深度Xi以及两侧围护结构的嵌固深度Di；
第三计算模块，分别计算两侧围护结构的弯矩与剪力分布，并根据最大弯矩和最大剪力分别确定两侧围护结构的材料及配筋；
验算模块，用于进行整体稳定性验算、抗倾覆验算、抗隆起稳定性验算。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求1至7任一所述的考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法。
10.一种计算机程序产品，其特征在于，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1至7任一所述的考虑非极限土压力分布模式的偏压基坑围护结构设计方法。
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