有限土体水平抗力系数的折减确定方法、系统及存储介质与流程

本发明涉及建筑工程技术领域，尤其是有限土体水平抗力系数的折减确定方法、系统及存储介质。

背景技术：

在建筑基坑或涉水工程建设中，经常使用到坑内加固或围堰吹填砂、抛石等加固手段。其中，当对工程建设中的支护结构进行计算时，需要知道土体的水平抗力系数。

传统方法采用文克尔地基模型研究在横向荷载和支护侧土抗力共同作用下的挠度曲线，进而可求出结构弯矩、剪力及变形。文克尔地基模型中的kh称为土的水平抗力系数，或水平基床系数，由于模型假定，kh值不是单纯的土质常数，土体实际变形量与压缩土层的厚度直接相关。对于实际工程中有限土体及复杂边界的情况，基于文克尔假定求取的土体水平抗力系数具有一定的局限性，不够精确。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供一种精确度高的有限土体水平抗力系数的折减确定方法、系统及存储介质。

第一方面，本发明实施例提供了一种有限土体水平抗力系数的折减确定方法，包括以下步骤：

建立半无限土层模型以及实际有限土层模型，所述半无限土层模型满足模型尺寸效应要求，所述实际有限土层模型满足边界影响要求；

确定半无限土层模型和实际有限土层模型上需要计算水平抗力系数的土体节点；

对所述土体节点施加均布荷载；

计算所述土体节点上土体水平抗力系数的折减系数；

根据所述折减系数计算土体水平抗力系数。

进一步，所述建立半无限土层模型以及实际有限土层模型这一步骤，包括以下步骤：

基于模型长度方向的尺寸效应影响因素，采用平面应变有限元模型来建立半无限土层模型；

基于实际工况因素，建立实际有限土层模型。

进一步，所述基于模型长度方向的尺寸效应影响因素，采用平面应变有限元模型来建立半无限土层模型这一步骤，包括以下步骤：

根据土层厚度与基坑开挖深度，确定土体两侧模型长度；

根据土体两侧模型长度和摩尔-库伦本构模型，采用细网格来建立半无限土层模型。

进一步，所述实际工况因素包括有限土体的形状、多层土体的厚度以及边界条件。

进一步，所述对土体节点施加均布荷载这一步骤，包括以下步骤：

确定均布荷载的荷载方向；

根据收敛性确定均布荷载的大小；

根据荷载方向和均布荷载的大小对土体节点施加均布荷载。

进一步，所述计算所述土体节点上土体水平抗力系数的折减系数这一步骤，包括以下步骤：

获取所述土体节点的水平位移信息；

根据水平位移信息计算各个土体节点处土体水平抗力系数的折减系数。

进一步，所述根据所述折减系数计算土体水平抗力系数这一步骤，其具体为：

计算各个土体节点处土体水平抗力系数的折减系数的平均值；

根据所述平均值计算土体的水平抗力系数比例系数的折减系数；

根据土体的水平抗力系数比例系数的折减系数计算不同深度处的土体水平抗力系数。

第二方面，本发明实施例还提供了一种有限土体水平抗力系数的折减确定系统，包括：

模型构建模块，用于建立半无限土层模型以及实际有限土层模型，所述半无限土层模型满足模型尺寸效应要求，所述实际有限土层模型满足边界影响要求；

土体节点确定模块，用于确定半无限土层模型和实际有限土层模型上需要计算水平抗力系数的土体节点；

荷载施加模块，用于对所述土体节点施加均布荷载；

折减系数计算模块，用于计算所述土体节点上土体水平抗力系数的折减系数；

水平抗力系数计算模块，用于根据所述折减系数计算土体水平抗力系数。

第三方面，本发明实施例还提供了一种有限土体水平抗力系数的折减确定系统，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的有限土体水平抗力系数的折减确定方法。

第四方面，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的有限土体水平抗力系数的折减确定方法。

上述本发明实施例中的一个或多个技术方案具有如下优点：本发明的实施例通过建立半无限土层模型以及实际有限土层模型，然后对确定到的土体节点施加均布荷载，接着计算折减系数，最终计算得到土体水平抗力系数；相较于现有通过文克尔地基模型来估算土体水平抗力系数的方法，本发明能够应用于有限土体及复杂边界的情况，提高了精确度且便于实施。

附图说明

图1为本发明实施例的步骤流程图；

图2为本发明中满足模型尺寸效应要求的近似半无限土层模型示意图；

图3是本发明中考虑复杂边界条件的实际有限土层模型示意图；

图4是本发明中土体水平抗力系数比例系数(m值)折减系数的计算对象示意图；

图5是本发明中两个模型中各节点位移提取结果及土体水平抗力系数比例系数(m值)折减系数的确定过程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明实施例提供了一种有限土体水平抗力系数的折减确定方法，包括以下步骤：

建立半无限土层模型以及实际有限土层模型，所述半无限土层模型满足模型尺寸效应要求，所述实际有限土层模型满足边界影响要求；

确定半无限土层模型和实际有限土层模型上需要计算水平抗力系数的土体节点；

对所述土体节点施加均布荷载；

计算所述土体节点上土体水平抗力系数的折减系数；

根据所述折减系数计算土体水平抗力系数。

具体地，本实施例建立满足模型尺寸效应要求的近似半无限土层模型，该模型采用平面应变有限元模型，考虑模型长度方向尺寸效应影响，计算土体两侧模型长度需大于3d(d为计算土层厚度与基坑开挖深度二者取大值)，同时模型应尽可能采用细网格，以提高计算精度。

另外，根据实际工况建立实际有限土层模型，可考虑不同形状有限土体、多层不等厚土体等复杂边界的影响。本实施例中，除需要计算水平抗力系数的土体外，其余土层厚度、参数及边界条件需保持同半无限土层模型中土层模型一致(如图4所示)。同时模型可根据实际需要采用不同的本构模型进行线性或非线性分析。

进一步作为优选的实施方式，所述建立半无限土层模型以及实际有限土层模型这一步骤，包括以下步骤：

基于模型长度方向的尺寸效应影响因素，采用平面应变有限元模型来建立半无限土层模型；

基于实际工况因素，建立实际有限土层模型。

进一步作为优选的实施方式，所述基于模型长度方向的尺寸效应影响因素，采用平面应变有限元模型来建立半无限土层模型这一步骤，包括以下步骤：

根据土层厚度与基坑开挖深度，确定土体两侧模型长度；

根据土体两侧模型长度和摩尔-库伦本构模型，采用细网格来建立半无限土层模型。

进一步作为优选的实施方式，所述实际工况因素包括有限土体的形状、多层土体的厚度以及边界条件。

进一步作为优选的实施方式，所述对土体节点施加均布荷载这一步骤，包括以下步骤：

确定均布荷载的荷载方向；

根据收敛性确定均布荷载的大小；

根据荷载方向和均布荷载的大小对土体节点施加均布荷载。

具体地，本实施例在需计算水平抗力系数的土体节点处施加均布荷载，荷载方向为水平方向，大小根据收敛性进行选取。对常见的有限土体，当存在下卧软土层，或不考虑模型底部水平约束时，荷载可适当减小，有助于计算收敛。

进一步作为优选的实施方式，所述计算所述土体节点上土体水平抗力系数的折减系数这一步骤，包括以下步骤：

获取所述土体节点的水平位移信息；

根据水平位移信息计算各个土体节点处土体水平抗力系数的折减系数。

进一步作为优选的实施方式，所述根据所述折减系数计算土体水平抗力系数这一步骤，其具体为：

计算各个土体节点处土体水平抗力系数的折减系数的平均值；

根据所述平均值计算土体的水平抗力系数比例系数的折减系数；

根据土体的水平抗力系数比例系数的折减系数计算不同深度处的土体水平抗力系数。

具体地，如图2和图3所示，本实施例提取半无限土层模型以及实际有限土层模型中需要计算水平抗力系数的土体处的各节点水平位移，在荷载及边界条件相同情况下，由力学基本假定：

其中，k1,i代表半无限土层模型中模型i节点处土体水平抗力系数；k2,i代表实际有限土层模型中模型i节点处土体水平抗力系数；s1,i代表半无限土层模型中模型i节点处土体水平位移；s2,i代表实际有限土层模型中模型i节点处土体水平位移；

计算得到各节点处土体水平抗力系数的折减系数：

其中，βi为计算土体i节点处土体水平抗力系数的折减系数；

取各节点折减系数的平均值作为计算土体的水平抗力系数比例系数(m值)的折减系数。

其中，为计算土体水平抗力系数比例系数(m值)的折减系数折减；n代表n个土体节点。

然后计算不同深度处的土体水平抗力系数：

其中，z为计算点距地面的深度；h为计算工况下的基坑开挖深度。从上式可以看到，对于有限土体及复杂边界的影响，其任一深度处土体水平抗力系数为半无限土层的倍。

下面以钢板桩围堰工程中有限抛石体水平抗力系数的计算为例，已知钢板桩外侧有限抛石体高8m，顶部宽10m，外侧按1:3放坡，底部宽2m，外侧按1:7放坡。

详细描述本发明一种有限土体水平抗力系数的折减确定方法的具体实施步骤如下：

(1)如图2所示，建立近似半无限土层模型，模型单侧宽9d＝72m(d为抛石体高度8m)，土层1为抛石层：采用摩尔-库伦本构模型，弹模e＝100mpa，c＝0kpa，φ＝38°；土层2为淤泥层：采用摩尔-库伦本构模型，弹模e＝4.2mpa，c＝2.8kpa，φ＝1.8°。模型两侧约束水平位移，底部约束竖向及水平位移，计算网格大小为0.5m。

(2)改变抛石体形状及边界条件，模型其余参数保持不变。

(3)在抛石体高8m范围内作用均布荷载，由于下卧为软土层，考虑收敛性，此处荷载大小取为50kpa。

(4)提取半无限土层模型(模型1)以及实际有限土层模型(模型2)中各节点水平位移如表1所示：

表1

如图5所示，本实施例根据计算有限抛石体水平抗力系数比例系数(m值)的折减系数：

即考虑有限抛石体及边界条件的影响，抛石体各深度的水平抗力系数降低为原来的0.203倍。

综上所述，相较于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明以非线性平面有限元计算为分析基础，通过对比分析半无限土体与实际土体的节点位移变化，得到考虑复杂边界条件下实际土体水平抗力系数折减系数的简化计算方法。

本发明计算方法力学概念明确，计算简便，计算结果稳定，可靠简明，解决了传统文克尔地基模型中无法计算多层、复杂形状及边界土体水平抗力系数的问题，为实际工程计算坑内加固，有限填料等加固措施中的土体抗力系数计算提供了一种有效、简便的实用计算方法。

与图1的方法相对应，本发明实施例还提供了一种有限土体水平抗力系数的折减确定系统，包括：

模型构建模块，用于建立半无限土层模型以及实际有限土层模型，所述半无限土层模型满足模型尺寸效应要求，所述实际有限土层模型满足边界影响要求；

土体节点确定模块，用于确定半无限土层模型和实际有限土层模型上需要计算水平抗力系数的土体节点；

荷载施加模块，用于对所述土体节点施加均布荷载；

折减系数计算模块，用于计算所述土体节点上土体水平抗力系数的折减系数；

水平抗力系数计算模块，用于根据所述折减系数计算土体水平抗力系数。

与图1的方法相对应，本发明实施例还提供了一种有限土体水平抗力系数的折减确定系统，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的有限土体水平抗力系数的折减确定方法。

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

与图1的方法相对应，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的有限土体水平抗力系数的折减确定方法。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明并且采用方块图的形式举例说明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。