基坑侧壁挡土结构设计方法与流程

本发明涉及一种挡土结构设计方法。

背景技术：

深基坑侧壁挡土结构作为施工期间临时性用途，其材料用量太多，工时造价不少于地下基础工程。而导致这些资源多余消耗的根本原因是：未找到一个合适的设计方法。其主要问题是：在实施操作过程中暂无法考虑预压力的作用，即使采用了预应力锚杆支护，也未计入施加预压力由挡土结构传入土中应力对土楔体滑移面的有利效应，更没有定量的计算分析结果。例如：现普遍采用的锚杆挡土结构设计模型就未考虑：当锚杆端锚具对挡土结构施加预压力时，挡土结构背后土阻抗对挡土结构的有利作用及同时传入土体内预压应力，在土楔体极限平衡滑移面上产生三个应力增量即：正应力﹑剪应力﹑抗剪强度增量。由于土楔体滑移面所构成的单元体范围内水平压应力相等且均匀分布，经变换有三个应力增量共同去平衡处于主动极限平衡状态的土体自重应力增量。又可将侧向预压力视为侧限约束力，能约束土体处于主动极限平衡状态。由于挡土结构背后土阻抗及抗剪强度增量的计入，改变了现挡土结构模型简图与设计方法。

技术实现要素：

本发明为了解决现有的挡土结构设计模型未考虑挡土结构背后土阻抗对挡土结构的有利作用及同时传入土体内预压应力作用而导致挡土结构材料用量过多的问题。

基坑侧壁挡土结构设计方法，包括以下步骤：

步骤一、计算主动土压力数值并绘图标识，确立模型简图；在模型简图中，挡土结构的一侧为土体侧，挡土结构另一侧设有若干单向承载预压力锚杆弹簧支座和锚杆，单向承载预压力锚杆弹簧支座连接锚杆给挡土结构施加预压力npi1；

步骤二、将模型简图中主动土压力p按3:1缩减的压力值镜像至锚杆弹簧支座一侧，去掉预压力npi1，再去掉土体侧的土压力或土抗力，得到去掉土体侧土压力或土抗力的模型简图；

步骤三、已知锚杆所能施加的预压力量值等于模型简图梯形线荷载，按分担区间汇集成集中力npi2；再确定梯形线荷形心或中心点，得出锚杆沿竖向排距；

步骤四、按照去掉土体侧土压力或土抗力的模型简图确定锚杆沿竖向排距形成的锚杆预压集中力及作用位置设计锚杆预压集中力等效简图；再按竖向地基梁板设计挡土结构。

进一步地，步骤一所述的单向承载预压力锚杆弹簧支座包括支撑点、支杆和弹簧；所述的支杆的一端通过支撑点固定，支杆的另一端连接弹簧的一端，弹簧的另一端连接锚杆，由锚杆给挡土结构施加预压力。

本发明具有以下有益效果：

在地面均布荷载及土体自重作用下，深基坑侧壁挡土结构一侧土压力的分布如图1，而本发明所对应图1的另一侧锚杆支座节点有两点不同于已往采用的模型简图支座：一、土层锚杆在张拉锚定、承受荷载时伴随有预压力，在简图的弹簧支座上附有预压力npi，作用于挡土结构。二、在预压力作用下，挡土结构向土体一侧移动，锚杆支座会跟进移动而不牵拉，在简图上表示为脱开。当在土压力作用下产生位移而连接时，又可以支承(牵拉)。这一单向支承(牵拉)、又能预压的支座称之为：单向承载预压力锚杆弹簧支座。

同时进行本发明在设计之初就考虑了，挡土结构背后土阻抗对挡土结构的有利作用、同时传入土体内预压应力，以及在土楔体极限平衡滑移面上产生三个应力增量。使得本发明在设计时弹簧支座的预压均布力为原来土体侧主动土压均布力p的三分之一，而且也是经过论证后具有理论依据的。这样使得按照本发明设计基坑侧壁挡土结构，能够在保证设计要求的挡土能力的基础上极大地节省挡土结构材料用量，就其针对锚杆用量一项，利用本发明就可以将锚杆的用量减少百分之五十以上。

附图说明

图1为基坑侧壁挡土模型简图；图中：1为挡土结构；2为预压力锚杆弹簧支座(单向承载)；3为基坑底标高；

图2为去掉锚杆给挡土结构施加预压力后基坑侧壁挡土模型简图；

图3为去掉土体侧土压力或土抗力的模型简图；

图4为设计锚杆预压集中力等效简图：

图5为锚杆支座节点的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图4说明本实施方式，

基坑侧壁挡土结构设计方法，包括以下步骤：

步骤一、计算主动土压力数值并绘图标识，确立模型简图，如图1所示；在模型简图中，挡土结构1的一侧为土体侧，挡土结构1另一侧(图1中的挡土结构左侧)设有若干单向承载预压力锚杆弹簧支座2和锚杆，单向承载预压力锚杆弹簧支座2连接锚杆，锚杆给挡土结构1施加预压力npi1(图1中所示的npi)；注：图1主动土压力值，是当初始零预压力时的土压力分布图；

步骤二、将模型简图中主动土压力p按3:1缩减的压力值镜像至锚杆弹簧支座一侧，去掉预压力npi1，如图2所示，再去掉土体侧(挡土结构右侧)的土压力或土抗力，得到去掉土体侧土压力或土抗力的模型简图，如图3所示，

步骤三、已知锚杆所能施加的预压力量值等于图3所示的模型简图梯形线荷载，按分担区间汇集成集中力npi2(图4中所示的npi)；再确定梯形线荷形心或中心点，得出锚杆沿竖向排距；

步骤四、按照去掉土体侧土压力或土抗力的模型简图3确定锚杆沿竖向排距形成的锚杆预压集中力及作用位置设计锚杆预压集中力等效简图，如简图4所示；再按竖向地基梁板设计挡土结构。

步骤一所述的单向承载预压力锚杆弹簧支座2包括支撑点2-1、支杆2-2和弹簧2-3；所述的支杆2-2的一端通过支撑点2-1固定，支杆2-2的另一端连接弹簧2-3的一端，弹簧2-3的另一端连接锚杆，由锚杆给挡土结构1施加预压力，当挡土结构1向土体侧移动时，锚杆不牵拉承载，当挡土结构1向支座一侧移动时，锚杆则牵拉承载，称为单向承载。

对本发明所述设计方法论证：

1、由土工试验得库仑抗剪强度包线与莫尔应力圆切点几何关系τ＝τf；可写出土体极限平衡状态下应力式(1)，(2)：

联立式(1)，(2)可导出式：

在极限平衡状态条件下，土体抗剪强度与主应力关系式为线性函数，微分与增量有：

dτf＝δτf；dσ＝δσ(5)

式(3)，(4)由式(5a)分别对σ1，σ3求导微分得增量式：

式(6)，(7)可按大小主压应力增量写成分量形式。

2、土体极限平衡面的水平夹角及法向应力公式：

由式(8)，(9)得式：

3、设基坑侧壁土体受水平压应力增量δσ3；

由式(10)得：

式(11)对τf求导：

写微分得增量的分量式，由式:δτf＝δτf1＝δτf3得：

由式(7)，(13)得关系式：

由公式：得：

已有：

式(11)，(14)对σ3求导：

写微分得增量的分量式

式(13a)，(16)合矢量增量效应得：

δσ1＝δσ1τ+δσ13＝3·δσ13

设：δσ1＝σ1；σ3＝p；由式(17)得：

p：土压力；q：地面均布荷载；σ3：小主压应力；σ1：大主压应力。

δσ1：土体单元垂直向压应力增量(大主压应力增量)；

δσ3：土体单元水平向压应力增量(小主压应力增量)；

δτf：土楔体极限平衡面上抗剪强度增量；

在地面均布荷载及土体自重作用下，深基坑侧壁挡土结构一侧土压力的分布如图1，而图1的另一侧锚杆支座节点2的示意详图如图5所示，锚杆支座节点有两点不同于已往采用的模型简图支座：一、土层锚杆在张拉锚定、承受荷载时伴随有预压力，在简图的弹簧支座上附有预压力npi，作用于挡土结构。二、在预压力作用下，挡土结构向土体一侧移动，锚杆支座会跟进移动而不牵拉，在简图上表示为脱开。当在土压力作用下产生位移而连接时，又可以支承(牵拉)。这一单向支承(牵拉)、又能预压的支座称之为：单向承载预压力锚杆弹簧支座。