预加弯矩挡土结构的侧向位移计算方法与流程

1.本发明属于地下工程、基坑工程、边坡工程技术领域，涉及预加弯矩挡土结构的侧向位移计算方法。


背景技术：

2.现有基坑支护手段主要依靠围护结构自身刚度和支锚结构来抵御土压力，控制基坑开挖对周边环境带来的变形影响，对于深大基坑或者对变形敏感区域的基坑工程，所需的支护系统体量庞大，存在工程成本高，建设周期长，产生的建筑垃圾多等缺点。
3.通过施加预应力的方式对挡土结构预加弯矩，可改善挡土结构工作状态下的内力分布，减小挡土结构构造尺寸，增加挡土结构抵抗变形的能力，现行《建筑基坑支护技术规程》(jgj120-2012)中，对支挡式结构采用平面杆系结构弹性支点法进行分析，该计算方法基于文克勒弹性地基梁理论，由挡土构件和土体在计算点处的水平位移来推算土反力，未考虑对支挡式结构预加弯矩产生预变形时的支护受力与变形状况，不能准确计算预加弯矩挡土结构的位移与内力分布，存在改进空间。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.本发明的目的在于提供预加弯矩挡土结构的侧向位移计算方法，以解决上述背景技术中提出该计算方法基于文克勒弹性地基梁理论，由挡土构件和土体在计算点处的水平位移来推算土反力，未考虑对支挡式结构预加弯矩产生预变形时的支护受力与变形状况，不能准确计算预加弯矩挡土结构的位移与内力分布，存在改进空间的问题。
6.(二)技术方案
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种预加弯矩挡土结构的侧向位移计算方法，包括有挡土结构，预加力高强钢绞线，计算土反力的弹性支座，底部固定端，顶部预加力锚固端：包括如下步骤：
8.步骤一：确定该挡土结构的计算力学模型，对挡土结构侧面的土、水侧压力进行布置，地表超载可折算为地层水平荷载，挡土结构承担荷载主要为水平方向；
9.步骤二：确定计算所需要的基本参数，包括土体重度、地下水高度、地层物理力学参数、地层侧压力系数、挡土高度、挡土结构材质、挡土结构尺寸、地表超载大小等，根据规范要求与地勘成果等合理确定；
10.步骤三：近似计算得到预加力与挡土结构内预加弯矩的关系公式；
[0011][0012]
式中：mp为挡土结构的预加弯矩，单位n
·
m；d为挡土结构厚度，单位m；l为预加力锚固端长度，单位m；n
p
为预加力，单位n；
[0013]
步骤四：建立结构计算模型；
[0014]
步骤五：计算得到开挖后挡土结构因刚体转动产生的侧向位移：
[0015][0016]
式中：vr为挡土结构因刚体转动产生的侧向位移，单位m；ea为每延米挡土结构外侧所受主动土压力，单位n
·
m；ba为挡土结构计算宽度，单位m；p
s0
为嵌固段初始分布土反力，单位kpa；b0为土反力计算宽度，单位m；ld为支护结构嵌固段长度，单位为m；l为支护结构长度，单位为m；z为计算深度，单位为m；m为土的水平反力系数的比例系数，单位mn/m4；
[0017]
步骤六：计算得到开挖后挡土结构悬臂段因土压力产生的弯矩函数：
[0018][0019]
式中：p
ak
为挡土结构外侧第i层土中计算点的主动土压力强度标准值，单位kpa；z为计算深度，单位m；
[0020]
步骤七：得到预加弯矩的挡土结构悬臂段侧向位移沿深度z的分布公式:
[0021][0022]
式中：vs为挡土结构水平方向的位移，单位m；ea为每延米挡土结构外侧所受主动土压力，单位n
·
m；ba为挡土结构计算宽度，单位m；p
s0
为嵌固段初始分布土反力，单位kpa；b0为土反力计算宽度，单位m；ld为支护结构嵌固段长度，单位为m；l为支护结构长度，单位为m；z为计算深度，单位为m；m为土的水平反力系数的比例系数，单位mn/m4；e为支护结构弹性模量，单位mpa；i为支护结构截面惯性矩，单位m4。
[0023]
优选的，所述挡土结构可能受到的荷载进行分析与简化以便于计算，挡土结构主要承担侧面水平方向的土、水侧压力，地表超载折算为地层水平荷载参与计算，由外加弯矩、土压力等状况引起的挡土结构和土体的变形均是微小的，故可按弹性理论进行计算，通过施加预应力的方式对挡土结构预加弯矩，可改善挡土结构工作状态下的内力分布，减小挡土结构构造尺寸，增加挡土结构抵抗变形的能力。
[0024]
优选的，所述挡土结构的外加弯矩是通过在挡土结构上安装高强钢绞线，对钢绞线进行拉伸锚固产生预应力来实现，为了预应力的施加与传递，钢绞线与挡土结构间设置了一定的距离和角度，这个角度与支护结构自身尺寸相比是微小的，因此可以近似认为预加力n
p
方向与支护结构平行，由此得到预加力的偏心距e＝(d+l)/2，为预加弯矩的挡土结构设计提供理论支撑。
[0025]
优选的，所述结构计算采用《建筑基坑支护技术规程》(jgj120-2012)中规定的平面杆系结构弹性支点法进行计算，为施加预加力，需对挡土结构的底部采取措施进行部分固定，故挡土结构入土端部简化为铰支座，预加弯矩的挡土结构整体视为刚体，在外侧主动土压力的作用下绕支座发生微小转动，推动内侧土产生反力，直至静力平衡，主动土压力采用朗肯理论分层计算，土反力采用m法计算，为预加弯矩的挡土结构设计提供理论支撑。
[0026]
优选的，所述m由支护结构水平载荷试验及地区经验取值，缺乏资料时，可按《建筑基坑支护技术规程》(jgj120-2012)中公式4.1.6计算，b0、ba均按《建筑基坑支护技术规程》(jgj120-2012)中相关要求计算，有助于预加弯矩的挡土结构投入工程应用。
[0027]
优选的，所述预加弯矩的挡土结构嵌固段仅考虑结构刚体转动位移，悬臂段侧向位移由结构刚体转动位移和结构弯曲变形叠加组合而成，挡土结构弯曲变形由主动土压力产生的弯矩与预加弯矩共同作用产生，为变形要求严格的地下工程提供一种更为合理、经济、有效的支护措施。
[0028]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：提出了一种预加弯矩的挡土结构的结构计算模型与位移计算公式，优化了现有设计方法无法计算预加弯矩的挡土结构位移的不足，为预加弯矩的挡土结构设计提供理论支撑，有助于预加弯矩的挡土结构投入工程应用，为变形要求严格的地下工程提供一种更为合理、经济、有效的支护措施。
附图说明
[0029]
图1是预加力装置安装过程示意图；
[0030]
图中，1.挡土结构，2.预加力高强钢绞线，3.计算土反力的弹性支座，4底部固定端，5.顶部预加力锚固端；
[0031]
图2是装置结构计算模型示意图；
[0032]
图3是装置安装完成工作机理示意图；
[0033]
图4是装置工作状态弯矩示意图。
具体实施方式
[0034]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种预加弯矩挡土结构的侧向位移计算方法，包括有挡土结构，预加力高强钢绞线，计算土反力的弹性支座，底部固定端，顶部预加力锚固端：其特征在于：包括如下步骤：
[0036]
步骤一：确定该挡土结构的计算力学模型，对挡土结构侧面的土、水侧压力进行布置，地表超载可折算为地层水平荷载，挡土结构承担荷载主要为水平方向；
[0037]
步骤二：确定计算所需要的基本参数，包括土体重度、地下水高度、地层物理力学参数、地层侧压力系数、挡土高度、挡土结构材质、挡土结构尺寸、地表超载大小等，根据规范要求与地勘成果等合理确定；
[0038]
步骤三：近似计算得到预加力与挡土结构内预加弯矩的关系公式；
[0039][0040]
式中：mp为挡土结构的预加弯矩，单位n
·
m；d为挡土结构厚度，单位m；l为预加力锚固端长度，单位m；n
p
为预加力，单位n；
[0041]
步骤四：建立结构计算模型；
[0042]
步骤五：计算得到开挖后挡土结构因刚体转动产生的侧向位移：
[0043]
[0044]
步骤六：计算得到开挖后挡土结构悬臂段因土压力产生的弯矩函数：
[0045][0046]
步骤七：得到预加弯矩的挡土结构悬臂段侧向位移沿深度z的分布公式:
[0047][0048]
进一步的，挡土结构可能受到的荷载进行分析与简化以便于计算，挡土结构主要承担侧面水平方向的土、水侧压力，地表超载折算为地层水平荷载参与计算，由外加弯矩、土压力等状况引起的挡土结构和土体的变形相对于支护结构尺寸均是微小的，故可按弹性理论进行计算。
[0049]
进一步的，挡土结构的外加弯矩是通过在挡土结构上安装高强钢绞线，对钢绞线进行拉伸锚固产生预应力来实现，为了预应力的施加与传递，钢绞线与挡土结构间设置了一定的距离和角度，这个角度与支护结构自身尺寸相比是微小的，因此可以近似认为预加力n
p
方向与支护结构平行，由此得到预加力的偏心距e＝(d+l)/2。
[0050]
进一步的，结构计算采用《建筑基坑支护技术规程》(jgj120-2012)中规定的平面杆系结构弹性支点法进行计算，为施加预加力，需对挡土结构的底部采取措施进行部分固定，故挡土结构入土端部简化为铰支座，预加弯矩的挡土结构整体视为刚体，在外侧主动土压力的作用下绕支座发生微小转动，推动内侧土产生反力，直至静力平衡，主动土压力采用朗肯理论分层计算，土反力采用m法计算。
[0051]
进一步的，m由支护结构水平载荷试验及地区经验取值，缺乏资料时，可按《建筑基坑支护技术规程》(jgj120-2012)中公式4.1.6计算，b0、ba均按《建筑基坑支护技术规程》(jgj120-2012)中相关要求计算。
[0052]
进一步的，预加弯矩的挡土结构嵌固段仅考虑结构刚体转动位移，悬臂段侧向位移由结构刚体转动位移和结构弯曲变形叠加组合而成，挡土结构弯曲变形由主动土压力产生的弯矩与预加弯矩共同作用产生。
[0053]
进一步的，对于因周围环境限制导致挡土结构位移有控制要求的基坑工程，当采用预加弯矩挡土结构时，可利用本发明的公式对挡土结构达到位移控制要求所需的预加力进行反算，这类操作可认为是本发明的一种应用方式。
[0054]
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种预加弯矩挡土结构的侧向位移计算方法，包括有挡土结构，预加力高强钢绞线，计算土反力的弹性支座，底部固定端，顶部预加力锚固端：其特征在于：包括如下步骤：步骤一：确定该挡土结构的计算力学模型，对挡土结构侧面的土、水侧压力进行布置，地表超载可折算为地层水平荷载，挡土结构承担荷载主要为水平方向；步骤二：确定计算所需要的基本参数，包括土体重度、地下水高度、地层物理力学参数、地层侧压力系数、挡土高度、挡土结构材质、挡土结构尺寸、地表超载大小等，根据规范要求与地勘成果等合理确定；步骤三：近似计算得到预加力与挡土结构内预加弯矩的关系公式；式中：m
p
为挡土结构的预加弯矩，单位n
·
m；d为挡土结构厚度，单位m；l为预加力锚固端头长度，单位m；n
p
为预加力，单位n；步骤四：建立结构计算模型；步骤五：计算得到开挖后挡土结构因刚体转动产生的侧向位移：步骤六：计算得到开挖后挡土结构悬臂段因土压力产生的弯矩函数：步骤七：得到预加弯矩的挡土结构悬臂段侧向位移沿深度z的分布公式:2.根据权利要求1一种预加弯矩挡土结构的侧向位移计算方法，其特征在于：所述挡土结构可能受到的荷载进行分析与简化以便于计算，挡土结构主要承担侧面水平方向的土、水侧压力，地表超载折算为地层水平荷载参与计算，由外加弯矩、土压力等状况引起的挡土结构和土体的变形相对于支护结构尺寸均是微小的，故可按弹性理论进行计算。3.根据权利要求2一种预加弯矩挡土结构的侧向位移计算方法，其特征在于：所述挡土结构的外加弯矩是通过在挡土结构上安装高强钢绞线，对钢绞线进行拉伸锚固产生预应力来实现，为了预应力的施加与传递，钢绞线与挡土结构间设置了一定的距离和角度，这个角度与支护结构自身尺寸相比是微小的，因此可以近似认为预加力n
p
方向与支护结构平行，由此得到预加力的偏心距e＝(d+l)/2。4.根据权利要求3一种预加弯矩挡土结构的侧向位移计算方法，其特征在于：所述结构计算采用《建筑基坑支护技术规程》(jgj120-2012)中规定的平面杆系结构弹性支点法进行计算，为施加预加力，需对挡土结构的底部采取措施进行部分固定，故挡土结构入土端部简化为铰支座，预加弯矩的挡土结构整体视为刚体，在外侧主动土压力的作用下绕支座发生微小转动，推动内侧土产生反力，直至静力平衡，主动土压力采用朗肯理论分层计算，土反
力采用m法计算。5.根据权利要求4一种预加弯矩挡土结构的侧向位移计算方法，其特征在于：所述m由支护结构水平载荷试验及地区经验取值，缺乏资料时，可按《建筑基坑支护技术规程》(jgj120-2012)中公式4.1.6计算，b0、b
a
均按《建筑基坑支护技术规程》(jgj120-2012)中相关要求计算。6.根据权利要求5一种预加弯矩挡土结构的侧向位移计算方法，其特征在于：所述预加弯矩的挡土结构嵌固段仅考虑结构刚体转动位移，悬臂段侧向位移由结构刚体转动位移和结构弯曲变形叠加组合而成，挡土结构弯曲变形由主动土压力产生的弯矩与预加弯矩共同作用产生。

技术总结
本发明公开了一种预加弯矩挡土结构的侧向位移计算方法，包括：有挡土结构，预加力高强钢绞线，计算土反力的弹性支座，底部固定端，顶部预加力锚固端，确定该挡土结构的计算力学模型，对挡土结构侧面的土、水侧压力进行布置，地表超载可折算为地层水平荷载，挡土结构承担荷载主要为水平方向。该预加弯矩挡土结构的侧向位移计算方法，提出了一种预加弯矩的挡土结构的结构计算模型与位移计算公式，优化了现有设计方法无法计算预加弯矩的挡土结构位移的不足，为预加弯矩的挡土结构设计提供理论支撑，有助于预加弯矩的挡土结构投入工程应用，为变形要求严格的地下工程提供一种更为合理、经济、有效的支护措施。有效的支护措施。有效的支护措施。


技术研发人员：余巍 王超 杨波
受保护的技术使用者：南京东大岩土工程勘察设计研究院有限公司
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/9/5