一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法技术

本发明专利技术涉及一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法，包括步骤：步骤S1：获取管道埋藏土层信息、管道及基坑设计与施工相关信息；步骤S2：确定基坑开挖施工引起围护结构水平位移曲线；步骤S3：根据步骤S2确定的基坑开挖施工引起围护结构水平位移曲线得到基坑开挖作用下坑外土体应力变化值；步骤S4：根据求得的应力变化值确定基坑开挖作用下旁侧既有管道附加荷载；步骤S5：根据附加荷载确定基坑开挖作用下旁侧既有管道附加内力。本发明专利技术能够更方便确定基坑开挖作用下旁侧管道横向附加内力，为邻近管道基坑支护设计提供依据。

【技术实现步骤摘要】
一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法
本专利技术涉及建筑工程
，特别是一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法。
技术介绍
城市轨道交通建设的快速发展，带动其沿线及保护区内商业、房地产等项目建设。在既有管道周边进行基坑开挖的工程越来越频繁、越来越近。基坑开挖卸载影响下，围护结构在坑内外水、土压力差的作用下发生向坑内方向的移动，导致邻近既有管道四周土压力发生变化，使得管道产生附加内力，从而严重威胁管道的运营安全。目前针对基坑开挖对既有隧道纵向影响的解析研究较多，而且研究表明软土地层中地铁盾构隧道的病害大都是由于横向变形引起的；但目前有关基坑开挖对既有隧道横向影响的研究较少，且主要为数值模拟方法(如郑刚等采用有限元方法分析在不同围护结构变形模式和变形量的情况下，不同位置隧道的横截面位移，并进行了影响区划分)；并且以上理论解析研究在计算基坑开挖作用下坑外土体附加应力场时，大都将基坑开挖的卸载效应简化为侧壁上分布向基坑内侧的水平荷载，再根据Mindlin应力解求出基坑开挖诱发的周围土体应力。但是，基坑外土体位移变化受诸多因素影响，包括基坑开挖深度、支护形式、现场土质条件、施工工法等。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法，能够更方便、准确确定基坑开挖作用下旁侧管道横向附加内力，为邻近管道基坑支护设计提供依据。本专利技术采用以下方案实现：一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法，主要包括两个阶段，第一个阶段采用弹性力学方法推导基坑开挖所引起的坑外土体附加应力场；第二阶段建立隧道受力-位移-再平衡过程的附加土压力重分布模型，采用修正惯用法求解附加土压力作用下邻近既有管道横向受力变化。具体包括以下步骤：步骤S1：获取管道埋藏土层信息、管道及基坑设计与施工相关信息；步骤S2：确定基坑开挖施工引起围护结构水平位移曲线；步骤S3：根据步骤S2确定的基坑开挖施工引起围护结构水平位移曲线得到基坑开挖作用下坑外土体应力变化值；步骤S4：根据求得的应力变化值确定基坑开挖作用下旁侧既有管道附加荷载；步骤S5：根据附加荷载确定基坑开挖作用下旁侧既有管道附加内力。进一步地，步骤S1中，所述管道埋藏土层信息、管道及基坑设计与施工相关信息包括：土层的弹性模量、泊松比；管道的埋深，管道的内、外直径；基坑开挖深度、宽度，管道与基坑的水平距离。进一步地，步骤S2具体为，采用下式预测基坑施工过程中围护结构水平位移曲线：式中，umax表示围护结构水平变形最大值，z表示计算位置到地面的竖向距离，Hmax表示围护结构水平水平位移最大值处到地面竖向距离，L表示围护结构长度；或通过现场监测获取围护结构水平位移曲线；或采用有限元软件对基坑开挖过程进行模拟，提取基坑开挖最终状态下基坑边水平位移曲线。进一步地，步骤S3具体为：将围护结构水平位移曲线划分为若干等分段，对于任一微元段变形近似视为平移；采用弹性力学方法，计算每一微元段围护结构平移影响下坑外土体附加应力，再对整个围护结构长度范围内的每一微元段变形产生的附加应力进行求和，得到围护结构变形时基坑外任意点处土体附加应力。进一步地，所述围护结构变形时基坑外土体附加应力满足下式：式中，σx表示水平附加应力，σz表示竖向附加应力，n为等分数，Hi为第i等分点处到地面的竖向距离，x表示计算位置到围护结构的水平距离，Δσx(Hi)、Δσz(Hi)分别为第i等分点处深度以上围护结构平移时产生的水平和竖向附加应力，分别满足以下公式：式中，G表示土体剪切模量，v表示土体泊松比，di表示第i微元段围护结构水平位移值。进一步地，步骤S4具体为：将管道上、下两侧，左、右两侧的附加土压力之差的1/2作为作用在管道上附加荷载，采用折线段对附加土压力进行拟合。其中，附加荷载满足以下公式：其中，q表示管道所受竖向附加土压力，p表示管道所受水平附加土压力，S表示隧道与基坑围护结构的最小水平距离，D表示隧道顶部到地面的竖向距离，R表示隧道计算半径。进一步地，步骤S5具体为：将基坑旁侧管道的附加荷载分为四种工况，采用弹性中心法分别计算各种工况下产生的附加内力，再使用叠加法可得到管道的最终附加内力；其中四种工况分别为：垂直均布荷载作用下的附加内力、垂直三角形荷载作用下附加内力、水平均布荷载作用下附加内力、水平三角形荷载作用下附加内力。进一步地，所述管道的最终附加内力满足以下公式：其中，ξ为弯矩增加率，M表示管道附加弯矩，N表示管道附加轴力，Q表示管道附加剪力，Mi表示第i种工况下的管道附加弯矩，Ni表示第i种工况下的管道附加轴力，Qi表示第i种工况下的管道附加剪力。与现有技术相比，本专利技术有以下有益效果：本专利技术提出基于支护结构变形预测旁侧盾构隧道横向受力的两阶段分析方法，能更好地反映基坑开挖深度、支护形式、现场土质条件、施工工法的影响，从而更方便、准确确定基坑开挖作用下旁侧管道横向附加内力，为邻近管道基坑支护设计提供依据。附图说明图1为本专利技术实施例的基坑开挖作用下旁侧管道力学计算示意图。图2为本专利技术实施例的附加土压力作用下圆形管道力学模型示意图。图3为本专利技术实施例的附加土压力作用下圆形管道力学响应计算工况示意图。图4为本专利技术实施例的围护结构后土体水平位移曲线示意图。图5为本专利技术实施例的基坑开挖作用下既有隧道四周附加土压力曲线示意图。图6为本专利技术实施例的盾构隧道附加荷载示意图。图7为本专利技术实施例的基坑开挖作用下盾构隧道附加内力示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。本实施例提供了一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法，主要包括两个阶段，第一个阶段采用弹性力学方法推导基坑开挖所引起的坑外土体附加应力场；第二阶段建立隧道受力-位移-再平衡过程的附加土压力重分布模型，采用修正惯用法求解附加土压力作用下邻近既有管道横向受力变化。具体包括以下步骤：步骤S1：获取管道埋藏土层信息、管道及基坑设计与施工相关信息；步骤S2：确定基坑开挖施工引起围护结构水平位移曲线；步骤S3：根据步骤S2确定的基坑开挖施工引起围护结构水平位移曲线得到基坑开挖作用下坑外土体应力变化值；...

【技术保护点】
1.一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤S1：获取管道埋藏土层信息、管道及基坑设计与施工相关信息；/n步骤S2：确定基坑开挖施工引起围护结构水平位移曲线；/n步骤S3：根据步骤S2确定的基坑开挖施工引起围护结构水平位移曲线得到基坑开挖作用下坑外土体应力变化值；/n步骤S4：根据求得的应力变化值确定基坑开挖作用下旁侧既有管道附加荷载；/n步骤S5：根据附加荷载确定基坑开挖作用下旁侧既有管道附加内力。/n

【技术特征摘要】
1.一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：获取管道埋藏土层信息、管道及基坑设计与施工相关信息；
步骤S2：确定基坑开挖施工引起围护结构水平位移曲线；
步骤S3：根据步骤S2确定的基坑开挖施工引起围护结构水平位移曲线得到基坑开挖作用下坑外土体应力变化值；
步骤S4：根据求得的应力变化值确定基坑开挖作用下旁侧既有管道附加荷载；
步骤S5：根据附加荷载确定基坑开挖作用下旁侧既有管道附加内力。


2.根据权利要求1所述的一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法，其特征在于，步骤S1中，所述管道埋藏土层信息、管道及基坑设计与施工相关信息包括：土层的弹性模量、泊松比；管道的埋深，管道的内、外直径；基坑开挖深度、宽度，管道与基坑的水平距离。


3.根据权利要求1所述的一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法，其特征在于，步骤S2具体为，采用下式预测基坑施工过程中围护结构水平位移曲线：



式中，umax表示围护结构水平变形最大值，z表示计算位置到地面的竖向距离，Hmax表示围护结构水平位移最大值处到地面的竖向距离，L表示围护结构长度；
或通过现场监测获取围护结构水平位移曲线；或采用有限元软件对基坑开挖过程进行模拟，提取基坑开挖最终状态下基坑边水平位移曲线。


4.根据权利要求1所述的一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法，其特征在于，步骤S3具体为：将围护结构水平位移曲线划分为若干等分段，对于任一微元段变形近似视为平移；采用弹性力学方法，计算每一微元段围护结构平移影响下坑外土体附加应力，再对整个围护结构长度范围内每一微元段变形产生的附加应力进行求和，得到围护结构变形时基坑外任意点处土体附加应力。


5.根据权利要求4所述的一种基坑开挖引起旁侧管道横向附加内力的确定方法，其特征在于，所述围护结构变形时基坑外土体附加应力满足下式...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丙强，陈启文，王启云，黄伟，臧万军，陈军浩，姚志雄，
申请(专利权)人：福建工程学院，
类型：发明
国别省市：福建;35