一种考虑墙土耦合的深基坑围护墙受力变形快速计算方法技术

本发明专利技术提出一种考虑墙土耦合的深基坑围护墙受力变形快速计算方法，充分考虑基坑开挖卸荷过程中墙土变形的耦合关系，具有计算效率高，结果更符合实际情况等优点。该方法包括下列步骤：(1)建立弹性地基梁模型(采用弹性梁模拟地连墙、弹簧单元模拟支撑，土弹簧单元模拟坑内土体，土压力采用非极限土压力模型)，并确定相关计算参数；(2)计算墙后土压力分布(首次计算可假定墙体变形为零)；(3)求解地连墙受力平衡方程，得到对应的墙体变形；(4)判断前后两次计算的墙体变形误差是否收敛到设定值，若不满足要求，则重复第2至第4步直至误差收敛至设定值，得到墙体最终变形值；(5)基于墙体变形值计算墙体弯矩、剪力及墙后土压力分布。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑墙土耦合的深基坑围护墙受力变形快速计算方法
本专利技术涉及岩土工程计算领域，主要涉及一种考虑墙土耦合的深基坑围护墙受力变形快速计算方法。
技术介绍
基坑工程在城市地下空间的快速发展过程中，一直起到至关重要的作用。而围护结构所受土压力荷载的确定，则是基坑工程设计中的关键环节。土压力荷载的取值，不仅影响着整个基坑工程的安全性，也对施工成本起到关键性的控制作用。目前，针对非极限土压力的研究取得重要进展，如《岩石力学与工程学报》(2015年Vol.34No.5,P1060-1070)中陈奕柏等发表的“考虑变形影响的刚性挡墙非极限土压力研究”等，指出了在不同位移模式下土压力取值及计算方法。然而，这些研究更多地关注点在土压力，即假定墙体位移去求解对应的土压力，忽略了土压力的改变同样会影响墙体变形的大小这一事实。另一方面，当前基坑支护结构设计普遍采用假定的土压力模式，但。正如重庆大学陈建功等人在专利“考虑作用点位置的基坑柔性支护主动土压力计算方法”(CN104484503A)中所述，目前仍广泛使用朗肯土压力或库伦土压力模型，由于这些假定模型与实际存在偏差，因此进行了修正。但该专利的修正方法仍建立在土压力的假定上，虽然模型有所改善，但仍忽略了实际工程中，墙体变形引起土压力模式由静止土压力向主动土压力发展的过程。目前，有限元软件可较为准确的求解基坑开挖问题，但由于其所需参数较多，模型建立复杂，计算效率低，设计初期更倾向于使用一些简答的设计软件。由此可见，如何快速且合理求解施工中墙后土压力的分布及墙体变形，是提高设计质量、节约施工成本的重要改进措施。弹性地基梁法是已有的计算地连墙变形的经典方法。该方法将地下连续墙简化为弹性梁，支撑简化为弹簧，坑内的土体简化为土弹簧，也常被称为“m法”。同时，非极限土压力的研究表明，随着地连墙变形的发展，土压力与围护结构的变形存在相互耦合的关系而非固定不变。因此，本专利技术基于弹性地基梁简化模型，并结合有限元法、非极限土压力的研究成果，提出了一种考虑墙土耦合的深基坑围护墙受力变形快速计算方法。该方法运用现有的土压力随围护结构变形而发展变化的非极限土压力研究成果，能有效求解基坑开挖过程中围护墙体的受力变形，为现有的设计施工提供更合理的理论参考。
技术实现思路
本专利技术提出一种考虑墙土耦合的深基坑围护墙受力变形快速计算方法，为基坑开挖设计与施工提供理论依据。为了达到上述目的，本专利技术提出的墙体受力与水平变形的确定方法，包括下列步骤：第一步，根据基坑工程的几何力学参数，建立弹性地基梁模型，具体为采用弹性梁模拟地连墙，弹簧单元模拟支撑，土弹簧单元模拟坑内土体，墙后土压力分布采用非极限土压力模型模拟，并确定相关计算参数。进一步的，求解墙体刚度矩阵[K]、支撑刚度矩阵[Ks]及对应基坑开挖深度的土弹簧刚度矩阵[Km]。进一步的，确定土压力计算公式：其中，并根据非极限土压力模型，确定墙土摩擦角δ、土体内摩擦角与墙体变形s的耦合关系：其中，s为墙体位移，sc为墙土摩擦角的墙体极限位移，sa为土体内摩擦角的墙体极限位移，第二步，根据第一步的土压力公式，计算墙后土压力分布，首次计算可假定墙体变形为零。第三步，将所得刚度矩阵及土压力荷载矩阵代入地连墙受力平衡方程：[Fe]＝[K]·[Δ]+[Km]·[Δm]+[Ks]·([Δs]-[Δ's])进一步的，求解对应的墙体变形矩阵：[Δ]＝([Fe]+[Ks]·[Δ'S])·([K]+[Km]+[Ks])-1-[Δ0]其中，[Fe]为土压力荷载矩阵，[K]为墙体刚度矩阵，[Km]为土弹簧刚度矩阵，[Ks]为支撑刚度矩阵，[Ks]·[Δ's]为支撑施工滞后引起的受力补偿矩阵，[Δ0]＝[Fe0]·([K]+[Km0])-1为未开挖的初始平衡位移。第四步，检测前后两次计算的墙体变形矩阵的误差是否小于设定值：norm([Δn]-[Δn-1])＜δ其中[Δn-1]，[Δn]为前后两次墙体位移，δ为设定误差。若不满足误差设定值，则将第三步求得的墙体位移反代入第一步中的摩擦角与位移的关系式，重复第二步土压力与第三步墙体变形的求解过程，迭代循环直至墙体前后两次求解位移小于设定误差。第五步，基于墙体最终变形，求解墙体的受力特性，具体包括墙体弯矩、剪力及墙后土压力分布。进一步的，墙体的弯矩剪力可采用插值法求解，求解方法如下：其中，[M]为墙体弯矩矩阵；[Q]为墙体剪力矩阵；k为有限元单元标号；Δl为有限元单元长度，即墙体总长除以有限单元划分数。进一步的，将墙体变形值代入第一步土压力求解公式，得到最终墙后土压力的分布。本专利技术基于弹性地基梁简化模型，并结合有限元法、非极限土压力的研究成果，提出了一种考虑墙土耦合的深基坑围护墙受力变形快速计算方法。该方法运用现有的土压力随围护结构变形而发展变化的非极限土压力研究成果，可快速求解更符合实际情况的墙体受力变形特性，为现有的设计施工提供更合理的理论参考。附图说明图1所示为本专利技术较佳实施例的计算模型示意图。图2所示为本专利技术较佳实施例的基坑开挖卸荷引起墙体受力与水平变形的快速确定方法流程图。图3所示为本专利技术较佳实施例的墙后土压力计算值与工程实测值、静止土压力分布的对比图。图4所示为本专利技术较佳实施例的墙体变形计算值与工程实测值对比图。具体实施方式以下结合附图给出本专利技术的具体实施方式，但本专利技术不限于以下的实施方式。根据下面说明和权利要求书，本专利技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。请参考图1和图2，图1所示为本专利技术较佳实施例的计算模型示意图，图2所示为本专利技术较佳实施例的计算流程示意图。所述考虑墙土耦合的深基坑围护墙受力变形快速计算方法的求解步骤如下：第一步，根据实际工况，建立基坑开挖的弹性地基梁模型。采用弹性梁模拟地连墙，弹簧单元模拟支撑，土弹簧单元模拟坑内土体，墙后土压力分布采用非极限土压力模型模拟，并确定相关计算参数。第二步，计算墙后土压力分布，首次计算可假定墙体变形为零。第三步，将所得刚度矩阵及土压力荷载矩阵代入地连墙受力平衡方程，求解对应的墙体变形。第四步，判断前后两次计算的墙体变形矩阵的误差是否小于设定值，若不满足误差设定值，则重复第二步土压力与第三步墙体变形的求解过程，迭代循环直至墙体前后两次求解位移收敛至设定误差。第五步，基于墙体最终变形，求解墙体的受力特性，具体包括墙体弯矩、剪力及墙后土压力分布。根据本专利技术较佳实施例，所述的考虑墙土耦合的深基坑围护墙受力变形快速计算方法：步骤一：根据实际工况，建立弹性地基梁模型，采用弹性梁模拟地连墙，弹簧单元模拟支撑，土弹簧单元模拟坑内土体，墙后土压力分布采用非极限土压力模型模拟，并确定相关计算参数。步骤1.1，求解墙体刚度矩阵[K]。假设墙体的竖向刚度无穷大，忽略墙体的竖向压缩变形，只考虑杆端横向位移与转角同杆端力的关系。将步骤一相关数据代入，可得地连墙单元刚度矩阵如下，再将单元整合得到地连墙整体刚度矩阵[K]。其中，E为墙体刚度；I为墙体惯性模量；vi为节点i的水平位移；θi为节点i的转角；FYi为节点i的水平杆端力；Mi为节点i的杆端弯矩。步骤1.2，求解支撑刚度矩阵[Ks]。将支撑简化为与截面积、弹性模量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑墙土耦合的深基坑围护墙受力变形快速计算方法，其特征在于，包括下列步骤：第一步，基于实际工程，建立弹性地基梁模型，采用弹性梁模拟地连墙，弹簧单元模拟支撑，土弹簧单元模拟坑内土体，墙后土压力荷载采用非极限土压力模型：

【技术特征摘要】
2017.12.13 CN 20171133211501.一种考虑墙土耦合的深基坑围护墙受力变形快速计算方法，其特征在于，包括下列步骤：第一步，基于实际工程，建立弹性地基梁模型，采用弹性梁模拟地连墙，弹簧单元模拟支撑，土弹簧单元模拟坑内土体，墙后土压力荷载采用非极限土压力模型：其中，确定计算参数，求解墙体刚度矩阵[K]、支撑刚度矩阵[Ks]及对应基坑开挖深度的土弹簧刚度矩阵[Km]，并根据非极限土压力模型，确定墙土摩擦角δ、土体内摩擦角与墙体变形s的耦合关系：其中，s为墙体位移，sc为墙土摩擦角的墙体极限位移，sa为土体内摩擦角的墙体极限位移，第二步，计算墙后土压力分布，首次计算可假定墙体变形为零；第三步，将所得刚度矩阵及土压力荷载矩阵代入地连墙受力平衡方程，求解墙体变形矩阵；第四步，判断前后两次变形计算误差，若不满足误差设定值，则重复第二步至第四步，直至误差收敛至设定值，得到地连墙最终变形值；第五步，基于墙体最终变形，求解墙体的受力特性，具体包括墙体弯矩、剪力及墙后土压力分布。2.根据权利要求1所述的考虑墙土耦合的深基坑围护墙受力变形快速计算方法，其特征在于，将所求的刚度矩阵及土压力荷载矩阵代入地...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈锦剑，黄彪，侯永茂，李明广，马元，王建华，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31