一种水平变刚度基坑支护结构及其设计方法

本发明属于基坑支护结构及其设计方法，具体为一种水平变刚度基坑支护结构及其设计方法。

背景技术：

1、随着城市地下空间开发利用的不断深入，“深、大、紧、近”型基坑工程出现的数量与日俱增，对基坑工程的设计从强度控制为主逐渐转变为变形控制为主。目前对于基坑工程支护结构的设计，主要基于二维平面应变，但实际上，深基坑工程具有明显的空间效应，基坑阴角能够有效抑制基坑支护结构的变形，现有的设计中很大程度上忽略了这一点。基于此，对基坑工程水平变刚度设计，是一种更加经济有效的技术手段，具体的，对于拐角附近的支护结构应该适当减小其支护刚度，而对于跨中区域，应当采用不同的结构形式进行刚度增强，同时当变形值过大时，应能够及时施加轴力，抑制其变形的进一步增大，实现实时监测和伺服控制的效果。

2、申请号为cn201811440978.4的中国专利公开了竖向变刚度支护体的基坑支护方法，通过设置多个不同高度与宽度的竖向体，实现基坑支护结构的刚度在竖直方向上的不同，但问题在于：这类支护结构需要占用较大的坑外空间，且需要设置多个不同强度的材料施工竖向体，工序复杂，且不同强度的竖向体接触界面之间不能够协调变形，这会导致最终整个支护结构的作用效果不能够达到预期效果。

3、申请号为cn 202010170614.x的中国专利公开了一种变刚度组合式预制双排桩支护结构及其施工方法，包括有前排桩、后排桩、桩顶梁板平台、挡墙和扶壁肋，前排桩为一排密集排列布置的预制预应力砼空心方桩，后排桩为一排间隔排列布置的预制预应力砼空心桩，通过该结构形式，实现了支护结构侧向刚度沿深度变化，但问题在于：这种方式忽视了基坑的拐角效应，基坑阴角能够抑制变形，但上述
技术实现要素：
仅是调整了竖向刚度，而且会使得靠近拐角附近的支护结构刚度进一步增大，也就进一步造成了设计浪费。

4、总的来说，现有的关于变刚度的基坑支护结构，主要针对在竖向的变刚度上，但均忽略了基坑的拐角效应，不能够进行实时监测，且对于现有的变刚度支护结构，虽能够在一定程度上控制基坑结构变形，但同时也增加了基坑靠近拐角附近的支护结构的造价，造成一种浪费。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种节约材料的水平变刚度基坑支护结构的设计方法，本发明的另一目的是提供一种能够实时监测调控、施工方便的水平变刚度基坑支护结构。

2、技术方案：本发明的所述的一种水平变刚度基坑支护结构的设计方法，包括以下步骤：

3、步骤一，采用三维有限元分析软件对基坑支护结构进行三维建模；

4、步骤二，对支护结构侧向位移进行分析，并计算得到各个截面变形值与平面应变状态变形值的比值，从而获得整个支护段的平面应变比；

5、步骤三，对于平面应变比小于1的区域，结构刚度冗余，考虑基坑的拐角效应，将排桩与混凝土支撑相连，按照平面应变比的优化表达式进行刚度调整；对于平面应变比等于1的区域，结构刚度欠缺，将排桩设置两组并通过主动式刚度调节装置与混凝土支撑相连。

6、进一步地，步骤二中，平面应变比为三维条件下某截面的最大变形与该截面在平面应变条件下的最大变形的比值。

7、基坑工程开挖具有明显的空间效应，基坑阴角能够有效抑制支护结构的变形，即基坑的拐角效应，而最大变形一般发生在支护结构跨中部分。目前对于基坑支护结构的设计理论通常是基于二维平面应变假设进行的，这不符合实际基坑情况，会造成基坑拐角附近支护结构刚度冗余，导致支护结构的变形呈现中部较大，两端部过小的情况，即变形不协调现象，因此，引入一个无量纲量，平面应变比(psr)，通过psr有针对性地对基坑支护结构进行合理分区并采用不同的支护手段，实现基坑支护结构的水平变刚度。

8、进一步地，步骤三中，平面应变比的优化表达式为：

9、dd＝dd0+psr(b-a)/2(d0-dd0)

10、其中，dd为优化后的支护桩桩径，d0为基于二维平面进行设计的桩径，dd0为临界桩径，具体为《建筑基坑支护技术规程》(jgj 120-2012)中给出的建议最小值，psr(b-a)/2为相邻两计算点的psr均值。

11、本发明所述的一种水平变刚度基坑支护结构，包括刚度冗余区和刚度欠缺区；刚度冗余区包括互相连接的排桩、混凝土支撑；刚度欠缺区包括排桩、主动式刚度调节装置和混凝土支撑，排桩设置两组并互相平行，排桩通过主动式刚度调节装置与混凝土支撑相连。

12、进一步地，刚度冗余区的排桩两两之间通过压顶连梁、桩间加固土相连，桩间加固土的高度大于等于基坑开挖深度的三分之二，以提高排桩的水平承载力。压顶连梁起到冠梁的作用。压顶连梁上设置连接凸块，连接凸块上设置用于与排桩的钢筋骨架相连的钢筋弯钩，使得结构更稳固，连接更加牢固。

13、进一步地，桩间加固土由50～60份硫铝酸盐水泥熟料、10～15份石膏，0.1～0.5份羟丙基甲基纤维素，0.1～0.2份聚羧酸减水剂和1～2份硫酸铝混合制备，为淡黄色粉体。

14、进一步地，主动式刚度调节装置通过下层钢垫板与混凝土支撑相连，通过上层钢垫板与变截面传力构件相连；变截面传力构件与压顶连梁相连；变截面传力构件靠近主动式刚度调节装置一侧的截面小于靠近压顶连梁一侧截面，对于主动式刚度调节装置施加在变截面传力构件上的附加力，变截面构件能够实现应力扩散后传递到压顶连梁上，避免应力集中导致结构破坏，起到应力扩散的作用，实现调节支承刚度更优的效果。

15、进一步地，主动式刚度调节装置包括液压千斤顶、液压油管、预应力筋、异形支撑体和外壁，外壁被预应力筋均匀分割并间隔设置液压千斤顶、异形支撑体，液压油管与液压千斤顶相连，预应力筋预先施加拉力。外壁的截面优选为正六边形。拉紧钢制外壁。

16、进一步地，液压油管包括油管阀、柔性油管接口和油管堵头，柔性油管接口上设置油管阀、油管堵头，可实现对油路的完全封堵。

17、进一步地，异形支撑体包括支撑杆、轴力监测杆和电阻式应变片，支撑杆、轴力监测杆围合成对称结构且形心相同，支撑杆上设置轴力监测杆，轴力监测杆上设置电阻式应变片，电阻式应变片通过导线与应变采集仪相连，实现实时监测变形情况的效果。轴力监测杆的中心位置与支撑杆相同、材料相同，均选用抗压刚度较大的材料，且均承担外荷载，且长度为支撑杆高度的1/2，均能承受竖向力。

18、工作原理：当监测变形值达到预设报警值时，打开液压油泵，将液压油通过液压油管泵入液压千斤顶，液压千斤顶对支护桩施加向基坑外侧的水平推力，稳定后，通过油管阀、柔性油管接口和油管堵头堵住液压油管中液压油的流动，锁止液压千斤顶，如此便可实现对基坑支护结构的伺服变形控制。

19、位移监测杆电阻式应变片粘贴在轴力监测杆上，外端连接应变采集装置，可实现实时监测，同时可根据轴力监测杆的抗弯刚度ea，换算得到杆体轴力，当轴力或产生的变形达到报警值时，可通过液压油泵向液压千斤顶泵送液压油，进一步增大支撑轴力，实现支撑系统的伺服控制。当该项工作完成后，可通过设置在液压油管上的油管阀、柔性油管接口和油管堵头密封管路中的液压油，锁止液压千斤顶。

20、有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

21、1、不再拘泥于传统基坑设计上的设计理论(假设二维平面)，而是考虑了基坑的空间效应，利用了基坑的拐角效应(阴角抑制基坑变形)，引入了一个无量纲量(平面应变比，psr)对支护结构的刚度进行分区，进行变刚度设计，对于刚度过剩区，采用基于psr提出的优化表达式能够有效减少建设成本，同时还能够保证变形几乎不变，对于刚度不足区，通过增加刚度，减小支护结构跨中段的大变形，降低基坑施工对周围环境的影响，有效实现了基坑支护结构水平变刚度设计；

22、2、对于刚度不足区，同时通过两种有效手段进行刚度增强，一是对双排桩桩间土进行加固，加固深度由基坑围护结构变形特性确定，不宜小于2/3倍的开挖深度，该方式能够有效提高支护桩的水平承载力；二是通过在支护结构中增设预制的主动式刚度调节装置，既能实时监测结构变形，又能按需进行刚度调节，施加轴力，提高支护系统刚度，实现伺服控制的目的；

23、3、主动式刚度调节装置能够按照需要实时调整支撑刚度，克服了被动式装置只能按照预先设定的承载力和变形限值进行制作安装的弊端；

24、4、刚度调节装置中的液压千斤顶和异形支撑体间隔布置，每个液压千斤顶均对应一个液压油泵，在调节支承刚度时，可实现偏心调节，同时，液压油管上的油管阀、油管堵头和柔性油管接口能够在紧急状态或是达到刚度需求时密封液压油管中的液压油，实现锁紧千斤顶的位移量。