下穿既有车站施工的中夹土破坏判别方法及加固方法

1.本发明涉及轨道交通工程技术领域，具体涉及下穿既有车站施工的中夹土破坏判别方法及加固方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.轨道交通建设成网的同时，地铁换乘车站的数量越来越多，一大批既有车站增建为换乘车站，地铁换乘车站建设必然面临更加复杂的建设环境，新建车站近距离下穿既有车站的工程也日益增多。新建车站下穿既有车站时，既有车站沉降与中夹土密切相关，施工中加固措施的制定应考虑中夹土状态。当中夹土完全破坏时，丧失全部承载能力，需要使用主动支护措施控制既有车站沉降，比如千斤顶顶升。当中夹土处于部分破坏状态，则需要使用被动加固控制措施，比如管棚等。因此判定中夹土处于何种破坏状态尤为重要，但发明人发现，目前未有研究给出中夹土破坏模式的评价方法，造成车站近距离下穿既有车站主动托换设计方法不明确，严重影响施工中的主动托换设计。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了下穿既有车站施工的中夹土破坏判别方法，对新建车站下穿既有车站加固方法的旋转具有重要意义。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
6.本发明的实施例提供了下穿既有车站施工的中夹土破坏判别方法，包括以下步骤：
7.获取既有车站对中夹土产生的压力荷载；
8.根据中夹土的厚度、新建车站的宽度和获取的中夹土所受的压力荷载结合预先建立的中夹应力分量计算模型得到中夹土的各个应力分量；
9.根据获取中夹土所受的应力分量来判断中夹土的破坏状态。
10.可选的，根据中夹土的密度、既有车站的埋设、既有车站上方土体的重度和既有车站的重量得到既有车站对中夹土产生的压力荷载。
11.可选的，中夹土的应力分量包括弯应力、挤压应力和切应力。
12.可选的，根据应力分量来判断中夹土破坏状态的具体方法为：当所有应力分量均小于设定值时，则中夹土处于部分破坏状态，否则，中夹土处于完全破坏状态。
13.可选的，中夹土材料强度极限值采用中夹土对应土体的地基最大承载力。
14.可选的，中夹土应力分量计算模型的获取方法为：
15.建立中夹土力学模型；
16.根据中夹土力学模型的平衡微分方程和以艾里应力函数表示的相容方程得到包含未知系数的各个应力分量的计算模型；
17.根据中夹土力学模型的边界条件和圣维南局部效应原理得到各个应力分量计算
模型中的未知系数值，进而得到最终的中夹应力分量计算模型。
18.可选的，中夹土力学模型为简支梁模型。
19.第二方面，本发明的实施例提供了一种下穿既有车站施工的加固方法，采用第一方面所述的下穿既有车站中夹土破坏判别方法对中夹土的破坏模式进行识别，新建车站施工时，根据识别的中夹土的破坏模式采取加固措施。
20.可选的，当识别的中夹土处于完全破坏状态时，新建车站施工时采用主动支护措施。
21.可选的，当识别的中夹土处于部分破坏状态时，新建车站施工时采用被动加固措施。
22.本发明的有益效果：
23.1.本发明的方法，通过中夹土应力分量计算模型，结合采集得到的既有车站、新建车站、中夹土及既有车站上方土体的设定参数即可得到中夹土的破坏模式，设定参数方便采集，利用中夹土应力分离计算模型从理论上即可得到中夹土的破坏模式，使得中夹土破坏模式的判断具有了相应的理论支撑，对下穿既有车站施工的加固方法选择具有重要意义，保证了施工中的主动托换设计的进行。
24.2.本发明的方法，将多个应力分量均与设定值进行比较，只有全部小于设定值时才判断为部分破坏状态，保证了破坏模式判断结果的准确性。
附图说明
25.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
26.图1为本发明实施例1方法流程示意图；
27.图2为本发明实施例1中夹土力学模型示意图；
具体实施方式
28.实施例1
29.本实施例提供了一种下穿既有车站施工的中夹土破坏判别方法，如图1所示，包括以下步骤：
30.步骤1：获取既有车站和新建车站的结构尺寸，进而能够通过既有车站的结构参数，包括既有车站和新建车站的长度和宽度等，通过既有车站的结构参数及其内部各个设备的重量能够计算得到既有车站的重力。
31.获取既有车站上方土体的土体参数，包括土体的重度，既有车站的埋深等。
32.获取中夹土的土体参数，包括土体密度、重度、中夹土的厚度等。
33.上述参数的获取均可以采用现有技术手段得到，在此不进行详细叙述。
34.步骤2：根据步骤1获得的参数计算中夹土所受的既有车站的压力荷载。
35.在新建车站开挖后，但还未施作衬砌时，为了方便计算，可将中夹土简化为一根上部承受了既有车站重力和地层压力，下部开挖区域周边土体提供竖向支撑力的简支梁，同时，将中夹土的自重根据弹性力学中的常体力与面力转化方法简化为作用在梁上方的均布荷载，最终可以得到中夹土的力学模型如图2所示，其中中夹土力学模型的中心点为坐标原
点o。
36.中夹土所受的压力荷载f的计算方法为：
37.f＝ρgh+γz+p
38.其中，ρ为中夹土的密度，h为中夹土的厚度，γ为既有车站上方土体的重度，z为既有车站埋深，p为既有车站的重量。
39.步骤3：根据既有车站的埋设、中夹土的土体参数、新建车站的结构参数和获取的中夹土所受的压力荷载结合预先建立的中夹应力分量计算模型得到中夹土的各个应力分量。
40.具体的，中夹应力分量计算模型的获取方法包括以下步骤：
41.建立中夹土的力学模型，将中夹土的力学模型简化为简支梁模型。水平方向为x方向，竖直方向为y方向。
42.在中夹土厚度一定的情况下，其自身重力是定值，根据弹性力学规定，当体力以常量的形式出现时，中夹土力学模型中平衡微分方程全解为：
[0043][0044][0045][0046]
σ
x
、σy和τ
xy
分别为弯应力、挤压应力和切应力，为中夹土所受的三个应力分量。
[0047]
ф为艾里应力函数，在考虑常体力的条件下，以ф作为未知函数的方程，ф可以使用应力函数法的方法进行求解，可以得到用艾里应力函数表示的相容方程：
[0048][0049]
根据材料力学相关理论，应力分量σ
x
、σy和τ
xy
分别主要由弯矩、剪力和荷载f引起，由中夹土力学模型可知，σy不会受x影响，即σy仅是有关于y的函数：
[0050]
σy＝fy
ꢀꢀ
(5)
[0051]
将(5)式带入(2)式，可得：
[0052][0053]
对x进行积分后可以得到应力函数的形式：
[0054][0055]
将公式(7)带入公式(4)的相容方程后可得：
[0056][0057]
式(8)是关于x的二次方程，应力函数必须满足相容方程，故可知式(8)的系数和自由项都为零，即：
[0058][0059]
对公式(9)中三项等式进行求解，可以得到f(y)，f1(y)，f2(y)的表达式：
[0060]
f1(y)＝ey3+fy3+gy
ꢀꢀ
(10)
[0061][0062]
f(y)＝ay3+by2+cy+d
ꢀꢀ
(12)
[0063]
将公式(10)、公式(11)和公式(12)代入到公式(7)即可得到应力函数的表达式：
[0064][0065]
将公式(13)分别带入公式(1)、公式(2)和公式(3)可以得到弯应力、挤压应力和切应力的三个应力分量的包含未知系数a、b、c、d、e、f、g、h、k的计算模型：
[0066][0067]
σy＝ay3+by2+cy+d
ꢀꢀ
(15)
[0068]
τ
xy
＝-x(3ay2+2by+c)-(3ey2+2fy+g)
ꢀꢀ
(16)
[0069]
根据中夹土力学模型的边界条件和圣维南局部效应原理可知：
[0070]
(σy)
y＝h/2
＝0，(σy)
y＝-h/2
＝-q，(τ
xy
)
y＝
±
h/2
＝0
[0071][0072]
带入后得到未知系数的具体值，可以得到：
[0073][0074][0075][0076]
其中l是中夹土的宽度即新建车站的宽度，f是中夹土所受的既有车站的压力荷载，h是中夹土的总厚度。实际工程计算中，x＝l、y＝h，因此得到中夹土三个应力分量的最终的计算模型为：
[0077][0078]
σy＝-f
[0079][0080]
根据求得的压力荷载f、新建车站的宽度l和中夹土的厚度h即可得到三个应力分量的具体值。
[0081]
步骤4：得到三个应力分量的具体值后，依次与设定值进行比较，当所有应力分量的值均小于设定值时，判断中夹土为部分破坏状态，否则中夹土为完全破坏状态，即三个应力分量中只要有一个大于设定值，即判断中夹土为完全破坏状态。
[0082]
现有技术中，强度失效的主要形式有断裂破坏和屈服破坏两种，这两种破坏形式又分别延申出两种强度理论公式，这四种强度理论公式和对应的判定方法如下。
[0083]
①
最大拉应力理论
[0084]
该理论提出最大拉应力是造成材料断裂破坏的原因，即无论在何种受力情况下，只要材料的最大拉应力超过其极限值，材料就会断裂破坏，根据这一理论可以得到强度条件：
[0085]
σ1≤[σ]
ꢀꢀ
(21)
[0086]
②
最大伸长线应变理论
[0087]
该理论提出最大伸长线应变是造成材料断裂破坏的原因，即无论在何种受力情况下，只要材料的最大伸长线应变超过其极限值，材料就会断裂破坏，根据这一理论可以得到强度条件：
[0088]
σ
1-μ(σ2+σ3)≤[σ]
ꢀꢀ
(22)
[0089]
③
最大切应力理论
[0090]
该理论提出最大切应力是造成材料屈服破坏的原因，即无论在何种受力情况下，只要材料的最大切应力超过其极限值，材料就会屈服破坏，根据这一理论可以得到强度条件：
[0091]
σ
1-σ3≤[σ]
ꢀꢀ
(23)
[0092]
④
形状改变比能理论
[0093]
该理论提出形状改变比能是造成材料屈服破坏的原因，即无论在何种受力情况下，要材料的形状改变比能超过其极限值，材料就会屈服破坏，根据这一理论可以得到强度条件：
[0094][0095]
前两种强度理论适用于以断裂形式失效的脆性材料，如石料和混凝土等；后两种强度理论适用于以屈服形式失效的塑性材料，如碳钢和铝等。
[0096]
本实施例中，中夹土是否失效可使用最大拉应力强度理论进行验算。
[0097]
本实施例中，设定值采用中夹土的土体类型对应的地基最大承载力，可根据土体类型获得。
[0098]
采用本实施例的方法，本发明的方法，通过中夹土应力分量计算模型，结合采集得到的既有车站、新建车站、中夹土及既有车站上方土体的设定参数即可得到中夹土的破坏模式，设定参数方便采集，利用中夹土应力分离计算模型从理论上即可得到中夹土的破坏模式，使得中夹土破坏模式的判断具有了相应的理论支撑，对下穿既有车站施工的加固方法选择具有重要意义，保证了施工中的主动托换设计的进行。
[0099]
实施例2：
[0100]
本实施例提供了一种下穿既有车站施工的加固方法，首先采用实施例1所述的方法对中夹土的破坏模式进行判别。
[0101]
当识别的中夹土处于完全破坏状态时，新建车站施工时采用主动支护措施，主动支护措施采用千斤顶顶升等，采用现有方法即可，在此不进行详细叙述。
[0102]
当识别的中夹土处于部分破坏状态时，新建车站施工时采用被动加固措施，被动加固措施采用管棚等，采用现有方法即可，在此不进行详细叙述。
[0103]
本实施例方法的一个实际应用中：
[0104]
取普通下穿既有车站的参数：既有车站埋深10m，既有车站断面尺寸为15
×
10m，既有车站重度为25kn/m3，新建车站的断面尺寸为9
×
7m，中夹土厚度为3m，土体容重为18.8kn/m3，粘聚力20kpa，摩擦角30
°
。对中夹土进行受力分析，确定在特定工况下中夹土破坏模式，以指导支护设计。
[0105]
求解得到中夹土上方所受到的力f＝294.4，将其代入到式(18)～(20)计算出各应力分量具体数值：
[0106]
σ
x
＝-109222.24
[0107]
σy＝-294.4
[0108]
τ
xy
＝3974.4
[0109]
对于中夹土的最大地基承载力，采用太沙基理论进行求解；
[0110][0111]
式中c为粘聚力；q为两侧超载，q＝γd，γ为中夹土重度，d为中夹土厚度；b为中夹土宽度；nc、nq、n
γ
为承载系数，可根据摩擦角查表可得。
[0112]
太沙基公式承载力系数表
[0113][0114]
由已知数据进行求解，可得中夹土的最大地基承载力pu＝3695.36。经过对比可发现τ
xy
》pu，证明此时中夹土已处于完全破坏状态。
[0115]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范
围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。