CN115292794A - 一种斜撑底部预留土方量计算方法和基坑支护施工方法 - Google Patents

一种斜撑底部预留土方量计算方法和基坑支护施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种斜撑底部预留土方量计算方法和基坑支护施工方法。针对现有技术中基坑施工过程中斜撑底部预留土方的难以确定尺寸，支护体系存在较大不稳定的风险的缺陷，本发明根据基坑周边环境、土层性质针对性等环境参数，采用外力做功相等的方法进行求解预留土方上表面宽度B的实际值，实现了精确计算斜撑底部预留土方的量，从而对基坑的支护结构进行风险预期和管控，提高结构施工的安全性。

Description

一种斜撑底部预留土方量计算方法和基坑支护施工方法
技术领域
本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种斜撑底部预留土方量计算方法和基坑支护施工方法。
背景技术
目前国内采用的基坑支护内支撑结构主要为水平支撑和坑内斜撑，对于平面尺寸较大、深度较浅的基坑大多采用坑内斜撑，斜撑材料大多采用钢管或组合型钢，为提供可靠的支座反力，支座设置于基坑底部，采用桩基础或利用中部先期施工的地下室底板提供支撑。现有斜撑技术的基坑土方采用“盆式”开挖方式，先开挖中部土方，边缘土方开挖至斜撑底附近进行放坡，待施加斜撑后再开挖斜撑下方的土体。目前技术存在如下问题：
1、斜撑底部预留土方的设计对尺寸没有明确的标准要求，一直以来都是依靠行业经验。因此在实际工程应用中只能偏于保守，这不仅仅造成了工程工期的延误，也间接造成了资源和成本的浪费；
2、预留土方的量的计算精度难以保证，施工过程中一旦预留土方量过少会造成支护桩变形过大，支护体系失效，存在较大不稳定的风险。
发明内容
为了解决上述现有技术中基坑施工过程中斜撑底部预留土方的难以确定尺寸，支护体系存在较大不稳定的风险的缺陷，本发明提出了一种斜撑底部预留土方量计算方法，可精确计算斜撑底部预留土方的量，大大提高斜撑底部预留土方的稳定性和斜撑支护的可靠性。
本发明采用以下技术方案：
一种斜撑底部预留土方量计算方法，用于计算基坑施工过程中斜撑下方的预留土方的上表面宽度；所述计算方法包括以下步骤：
S1、定义土契体，土契体为由预留土方上表面、预留土方斜面、设定的第一斜面和支护桩所在垂直面围成的土体；第一斜面上棱边为预留土方斜面的下棱边，第一斜面的下棱边经过土强度相等点且平行于第一斜面的上棱边；第一斜面的下棱边的一维投影点即为土契体的下支点；
获取与地面之间的土体的加权平均摩擦角φ m 、土契体的下支点至预留土方上表面的垂直距离H、预留土方的坡度θ和支护桩后方土体的土压力强度E a ；
S2、根据以下公式(Ⅰ)计算土契体的自重W；
W=(2B+xcotθ)xr/2+(B+xcotθ)(H-x)r/2 (Ⅰ)
x=(H-x)/(tanβ+cotθ) (Ⅱ)
β=45°-φ m /2 (Ⅲ)
其中，B为预留土方的上表面宽度，x为预留土方的高度，r为土契体中各层土的重度的加权平均数；β为过渡值；
S3、构建力的功率平衡公式，即：
Wv 0 cos(β-φ)+v 0 cosφC(H-x)/sinβ=E p v 0 sin(β-φ) (Ⅳ)
E p =f(w)E a (Ⅴ)
其中，W为土契体的自重，C为土契体的粘聚力；C(H-x)/sinβ为第一斜面上的抗剪强度；φ为基坑底面至下支点之间土层的摩擦角的加权平均数，所述下支点即土强度相等点；v 0 为假定的功率速度；w表示支护桩桩顶的最大安全位移，w为设定值；f(w)为人工设定的安全系数；E a 为支护桩后方土体的土压力强度，E p 为支护桩后方土体的推动力；
S4、联合公式(Ⅰ)(Ⅳ)计算预留土方的上表面宽度B。
优选的，S4中B的计算公式如下：
B=[2E p tan(β-φ) -2CHξ 2 -H 2 rξ 3]/[Hr(ξ 1+1) ] (Ⅹ)
ξ 1=1/(tanβ+cotθ+1) (Ⅹ.Ⅰ)
ξ 2=(1-ξ 1)cosφ/[sinβcos(β-φ)] (Ⅹ.Ⅱ)
ξ 3=ξ 1 cotθ (Ⅹ.Ⅲ)
其中，ξ 1、ξ 2和ξ 3均为过渡参数。
优选的：
f(w)=1.2+0.624×e -0.916w (Ⅵ)
其中，e表示自然常数。
优选的，加权平均摩擦角φ m 的计算公式为：
Figure 566352DEST_PATH_IMAGE001
(Ⅶ)
φ i 为下支点以上土体中第i层土的摩擦角，φ i 为测量值，h i 为下支点以上土体中第i层土的厚度，n为下支点以上土体中土层的数量。
优选的，加权平均数r的计算公式为：
Figure 746666DEST_PATH_IMAGE002
(Ⅷ)
其中，r j 表示土契体中第j层土的重度，r j 为测量值，h j 表示土契体中第j层土的厚度，k为土契体中土体的层数。
优选的，加权平均数φ的计算公式为：
Figure 32154DEST_PATH_IMAGE003
(Ⅸ)
其中，φ g 为基坑底面至下支点之间第g层土的摩擦角度，h g 为基坑底面至下支点之间第g层土的厚度，m为基坑底面至下支点之间的土层数量。
本发明还提出了一种基坑支护施工方法，采用上述计算方法基于预留土方的量，有利于提高施工质量和安全性。所述施工包括以下步骤：
SA1、根据基坑的施工参数开挖基坑，在设计位置施工支护桩和支座，且支护桩和支座相互平行设置；
SA2、在支护桩的顶部施工冠梁，使得支护桩与冠梁连接，且冠梁设置在基坑顶部的施工场地上；
SA3、开挖基坑内土方形成预留土方，预留土方的顶部与围檩的底部齐平，预留土方的底部与基坑底原状土齐平；预留土方上表面的宽度根据所述的斜撑底部预留土方量计算方法获得；预留土方的坡度等于预设的斜撑的倾斜角度；
SA4、在预留土方的底部施工支座；在预留土方的顶部平台施工围檩；
SA5、安装斜撑，斜撑的底部与支座连接，斜撑的顶部与围檩连接；
SA6、开挖斜撑下方的预留土方至基坑底原状土。
本发明的优点在于：
（1）本发明提出的一种斜撑底部预留土方量计算方法，可精确计算斜撑底部预留土方的量，从而对基坑的支护结构进行风险预期和管控，提高结构施工的安全性。
（2）本发明提出的一种斜撑底部预留土方量计算方法，实现了根据基坑周边环境、土层性质针对性设计斜撑底部预留土方的量，以节约材料。同时还实现了根据安全系数的控制实现了对斜撑底部的预留土方的风险控制，保证了根据最终获得的目标参数集合设计得到的斜撑底部的预留土方具有较高的稳定性和可靠性。
（3）本发明中，确定预留土方的环境参数后，采用外力做功相等的方法进行求解预留土方上表面宽度B的实际值，B的计算公式可靠性高。
（4）在预留土方的坡度即斜撑倾斜角度和预留土方高度已知的情况下，确定预留土方上表面宽度既可以确定整个预留土方的量。本发明提供了预留土方上表面宽度的计算公式，为预留土方量的计算提供了清晰明确的计算标准，使得斜撑施工风险可控。
（5）本发明提出的一种基坑支护施工方法，首先采用上述的预留土方量计算方法计算预留土方上表面宽度，确保了工程施工的安全性，有效地提高了施工效率。
附图说明
图1(a)为预留土方环境示意图；
图1(b)为预留土方尺寸示意图；
图2为预留土方示意图；
图3为土契体示意图；
图4为斜撑底部预留土方量计算方法流程图；
图5为基坑支护施工方法流程图；
图6是本发明实施例中第一工况示意图；
图7是本发明实施例中第二工况示意图；
图8是本发明实施例中第三工况示意图；
图9是本发明实施例中第四工况示意图；
图10是本发明实施例中第五工况示意图；
图11是本发明实施例中第六工况示意图；
图12地下结构施工流程图。
1、支护桩；2、支座；3、冠梁；4、支座桩；5、台座；6、围檩；7、斜撑；8、预应力施加装置；9、止水环；10、地下结构底板；11、素混凝土传力带；12、地下结构框架柱；13、地下结构外墙；14、地下结构中间层梁板；15、传力梁板；16、地下结构顶板；17、自然地面；18、基坑底原状土；19、预留土方；20、肥槽回填料。
21、预留土方的上表面；22、基坑底面；23、第一斜面；24、下支点；25、预留土方；26、土契体。
具体实施方式
一种基坑支护施工方法
本实施例中结合Π型的支座对基坑支护实施工程进行阐述。
参照图6实施步骤SA1和步骤SA2，其中步骤SA1具体为根据施工基坑的参数，在设计位置施工支护桩1和支座桩4，且支护桩1和支座桩4相互平行设置。支护桩1设置在需要支护的基坑边缘处，支护桩1的顶部与基坑顶部持平。在基坑范围内施工支座桩4，支座桩4顶部的高度低于支护桩1顶部的高度。步骤SA2具体为完成步骤SA1后，在支护桩1的顶部施工冠梁3，使得支护桩1与冠梁3有效连接，且冠梁3设置在基坑顶部的施工场地上。
参阅图7实施步骤SA3和步骤SA4，步骤SA3具体为盆式开挖基坑内土方形成预留土方19，预留土方19的顶部与围檩6的底部齐平，预留土方19的底部与基坑底原状土18齐平。具体实施时，预留土方19用于支撑斜撑7，故而斜撑7的支撑角度确定的情况下，预留土方19的坡度也是确定的，斜撑7的支撑角度为设定值。
步骤SA4具体为在预留土方19的底部采取刻槽的方式开挖施工台座5，两根支座桩4的顶部均锚入台座5，形成Π形的支座2；在预留土方19的顶部平台施工围檩6。
参阅图8实施步骤SA5和步骤SA6，步骤SA5具体为安装工厂预制的钢格构的斜撑7，斜撑7上按设计位置设置了预应力施加装置8和止水环9，斜撑7运至现场后进行逐根吊装固定，其底部与台座5连接，顶部与围檩6连接，连接方式均为通过钢板预埋件焊接形成刚性连接。
斜撑7安装完成则可以实施步骤SA6，即开挖斜撑7下方的预留土方19至基坑底原状土18，实现基坑支护，具体如图9所示。
基坑支护完成，则可对基坑继续施工，例如施工地下结构底板10、地下结构框架柱12、地下结构外墙13和地下结构中间层梁板14等，地下结构施工完成则割断斜撑7，完成地下结构的施工。
参照图12，本实施例中，结合一个具体的地下结构施工进行说明，在斜撑7安装完成后，地下结构施工具体包括以下步骤SA7到SA11。
参阅图9，步骤SA7具体为大面积施工地下结构底板10，并在地下结构底板10边缘与支护桩1之间的间隙处通长浇筑或间断浇筑素混凝土传力带11，使地下结构底板10对支护桩1产生支撑作用。
步骤SA8具体为大面积施工地下结构框架柱12、地下结构外墙13和地下结构中间层梁板14，并在地下结构中间层梁板14与地下结构外墙13交汇处间断浇筑传力梁板15，使地下结构中建层梁板14对支护桩1产生支撑作用。
参阅图10实施步骤SA9，步骤SA9具体为待地下结构底板10、素混凝土传力带11、地下结构中间层梁板14和传力梁板15均养护且达到设计要求强度时，逐根拆除回收斜撑7。本实施例中，拆除斜撑7的方式为：割除地下结构底板10顶面至围檩6之间的斜撑7部分，割除过程对基坑及相邻周边环境进行连续变形监测，以预防塌方。
参阅图11实施步骤SA10，步骤SA10具体为待斜撑7割除完毕后对地下结构外墙13与支护桩1之间的间隙进行回填，肥槽回填材料20一般为素土、灰土或素混凝土。
一种斜撑底部预留土方量计算方法
上述SA3中的预留土方19如图2所示，其尺寸如图1(b)所示。
具体实施时，在已知预留土方19的坡度θ也就是斜撑7倾斜角度的情况下，预留土方19的上表面宽度B可根据以下公式(Ⅹ)计算获得：
B=[2E p tan(β-φ) -2CHξ 2 -H 2 rξ 3]/[Hr(ξ 1+1) ] (Ⅹ)
ξ 1=1/(tanβ+cotθ+1) (Ⅹ.Ⅰ)
ξ 2=(1-ξ 1)cosφ/[sinβcos(β-φ)] (Ⅹ.Ⅱ)
ξ 3=ξ 1 cotθ (Ⅹ.Ⅲ)
其中，E p 为支护桩1后方土体的推动力，β为第一斜面23与支护桩1所在垂直面的夹角，具体如图1(a)所示，第一斜面23的上棱边为预留土方斜面的下棱边，第一斜面23的下棱边经过土强度相等点且平行于第一斜面的上棱边；第一斜面的下棱边的一维投影点即为土契体26的下支点24；
ξ 1、ξ 2和ξ 3均为过渡参数；φ为基坑底面22至下支点24之间土层的摩擦角的加权平均数，所述下支点即土强度相等点；C为土契体粘聚力；r为土契体中各层土的重度的加权平均数；H为土契体26的下支点至预留土方上表面的垂直距离，具体可参照图1(b)。
具体实施时，β根据以下公式(Ⅲ)计算获得：
β=45°-φ m /2 (Ⅲ)
Figure 175690DEST_PATH_IMAGE004
(Ⅶ)
其中，φ m 为下支点以上土体即下支点与地面之间的土体的加权平均摩擦角，φ i 为下支点以上土体中第i层土的摩擦角，φ i 为测量值，h i 为下支点以上土体中第i层土的厚度，n为土体中土层的数量。
加权平均数r的计算公式为：
Figure 230234DEST_PATH_IMAGE002
(Ⅷ)
其中，r j 表示土契体26中第j层土的重度，r j 为测量值，h j 表示土契体26中第j层土的厚度，k为土契体26中土体的层数。
φ的计算公式为：
Figure 814406DEST_PATH_IMAGE003
(Ⅸ)
其中，φ g 为基坑底面22至下支点24之间第g层土的摩擦角度，h g 为基坑底面22至下支点24之间第g层土的厚度，m为基坑底面22至下支点24之间的土层数量。
具体的，公式(Ⅹ)推导过程如下：
首先，结合本领域基础知识，分别构建土契体26的自重W计算公式(Ⅰ)、和支护桩1上力的平衡公式(Ⅳ)；土契体26如图3所示，土契体26为由预留土方上表面、预留土方斜面、设定的第一斜面和支护桩1所在垂直面围成的土体。
然后获取预留土方25的高度x的计算公式(Ⅱ)，再整合公式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅳ)可得到公式(Ⅹ)。
W=(2B+xcotθ)xr/2+(B+xcotθ)(H-x)r/2 (Ⅰ)
x=(H-x)/(tanβ+cotθ) (Ⅱ)
Wv 0 cos(β-φ)+v 0 cosφC(H-x)/sinβ=E p v 0 sin(β-φ) (Ⅳ)
公式(Ⅰ)、(Ⅱ)、(Ⅳ)中，C(H-x)/sinβ为第一斜面23上的抗剪强度；v 0 为假定的功率速度。
当前本领域缺乏对支护桩1后方土体的推动力E p 的计算方式，本实施方式中，通过数据拟合得到E p 的计算公式如下：
E p =f(w)E a (Ⅴ)
f(w)=1.2+0.624×e -0.916w (Ⅵ)
其中，w表示支护桩1桩顶的最大安全位移，w为设定值；f(w)为人工设定的安全系数；E a 为支护桩1后方土体的土压力强度。
以下，结合3个具体的实施例对采用本发明提供的计算方法设计的预留土方进行评估。
以下每一个实施例中分别采用本发明设计的预留土方和经验值预留土方进行施工安全评估，通过安全系数f(w)将评估结果具象化，具体数据如下表2所示。
表1：实施例设计数据
Figure 587190DEST_PATH_IMAGE005
表2：实施例公式(Ⅹ)设计值和经验值对比
Figure 534417DEST_PATH_IMAGE006
表2中，B0为预留土方的下表面宽度。
结合以上3个实施例可以看出，传统的经验值做法稳定性差，针对不同的基坑深度时，经验值选择的B值灵活性差，且基坑越深，安全系数越小，即不稳定风险越高。
而采用本发明计算获得的B值，可通过预先设置支护桩1顶部的位移使得安全系数始终稳定在1.4，可见本发明相较于传统的经验值做法，可满足不同深度的基坑施工的安全需求。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种斜撑底部预留土方量计算方法，其特征在于，用于计算基坑施工过程中斜撑（7）下方的预留土方（25）的上表面宽度；所述计算方法包括以下步骤：
S1、定义土契体（26），土契体（26）为由预留土方上表面（21）、预留土方斜面、设定的第一斜面和支护桩（1）所在垂直面围成的土体；第一斜面（23）上棱边为预留土方斜面的下棱边，第一斜面（23）的下棱边经过土强度相等点且平行于第一斜面（23）的上棱边；第一斜面（23）的下棱边的一维投影点即为土契体（26）的下支点（24）；
获取下支点（24）与地面之间的土体的加权平均摩擦角φ m 、土契体（26）的下支点至预留土方上表面的垂直距离H、预留土方的坡度θ和支护桩（1）后方土体的土压力强度E a ；
S2、根据以下公式(Ⅰ)计算土契体（26）的自重W；
W=(2B+xcotθ)xr/2+(B+xcotθ)(H-x)r/2 (Ⅰ)
x=(H-x)/(tanβ+cotθ) (Ⅱ)
β=45°-φ m /2 (Ⅲ)
其中，B为预留土方的上表面宽度，x为预留土方的高度，r为土契体（26）中各层土的重度的加权平均数；β为过渡值；
S3、构建力的功率平衡公式，即：
Wv 0 cos(β-φ)+v 0 cosφC(H-x)/sinβ=E p v 0 sin(β-φ) (Ⅳ)
E p =f(w)E a (Ⅴ)
其中，W为土契体（26）的自重，C为土契体的粘聚力；C(H-x)/sinβ为第一斜面（23）上的抗剪强度；φ为基坑底面（22）至下支点（24）之间土层的摩擦角的加权平均数，所述下支点（24）即土强度相等点；v 0 为假定的功率速度；w表示支护桩（1）桩顶的最大安全位移，w为设定值；f(w)为人工设定的安全系数；E a 为支护桩（1）后方土体的土压力强度，E p 为支护桩（1）后方土体的推动力；
S4、联合公式(Ⅰ)(Ⅳ)计算预留土方的上表面宽度B。
2.如权利要求1所述的斜撑底部预留土方量计算方法，其特征在于，S4中B的计算公式如下：
B=[2E p tan(β-φ) -2CHξ 2 -H 2 rξ 3]/[Hr(ξ 1+1)] (Ⅹ)
ξ 1=1/(tanβ+cotθ+1) (Ⅹ.Ⅰ)
ξ 2=(1-ξ 1)cosφ/[sinβcos(β-φ)] (Ⅹ.Ⅱ)
ξ 3=ξ 1 cotθ (Ⅹ.Ⅲ)
其中，ξ 1、ξ 2和ξ 3均为过渡参数。
3.如权利要求1所述的斜撑底部预留土方量计算方法，其特征在于：
f(w)=1.2+0.624×e -0.916w (Ⅵ)
其中，e表示自然常数。
4.如权利要求1所述的斜撑底部预留土方量计算方法，其特征在于，加权平均摩擦角φ m 的计算公式为：
Figure 914293DEST_PATH_IMAGE001
(Ⅶ)
φ i 为下支点以上土体中第i层土的摩擦角，φ i 为测量值，h i 为下支点以上土体中第i层土的厚度，n为下支点以上土体中土层的数量。
5.如权利要求1所述的斜撑底部预留土方量计算方法，其特征在于，加权平均数r的计算公式为：
Figure 406716DEST_PATH_IMAGE002
(Ⅷ)
其中，r j 表示土契体（26）中第j层土的重度，r j 为测量值，h j 表示土契体（26）中第j层土的厚度，k为土契体（26）中土体的层数。
6.如权利要求1所述的斜撑底部预留土方量计算方法，其特征在于，加权平均数φ的计算公式为：
Figure 666796DEST_PATH_IMAGE003
(Ⅸ)
其中，φ g 为基坑底面（22）至下支点（24）之间第g层土的摩擦角度，h g 为基坑底面（22）至下支点（24）之间第g层土的厚度，m为基坑底面（22）至下支点（24）之间的土层数量。
7.一种基坑支护施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
SA1、根据基坑的施工参数开挖基坑，在设计位置施工支护桩（1）和支座（2），且支护桩（1）和支座（2）相互平行设置；
SA2、在支护桩（1）的顶部施工冠梁，使得支护桩（1）与冠梁连接，且冠梁设置在基坑顶部的施工场地上；
SA3、开挖基坑内土方形成预留土方，预留土方的顶部与围檩（6）的底部齐平，预留土方的底部与基坑底原状土齐平；预留土方（25）上表面的宽度根据权利要求1至6任一项所述的斜撑底部预留土方量计算方法获得；预留土方（25）的坡度等于预设的斜撑的倾斜角度；
SA4、在预留土方的底部施工支座（2）；在预留土方的顶部平台施工围檩（6）；
SA5、安装斜撑，斜撑的底部与支座（2）连接，斜撑的顶部与围檩（6）连接；
SA6、开挖斜撑下方的预留土方至基坑底原状土。
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