一种基坑外设置隔离桩对旁侧隧道保护效果的评估方法技术

本发明专利技术公开了一种基坑外设置隔离桩对旁侧隧道保护效果的评估方法，包括：根据基坑、隔离桩、既有隧道三者位置构建三维坐标系及三维力学计算模型；根据所述的三维力学计算模型，计算基坑开挖在隔离桩处的水平附加应力值；根据所述的三维力学计算模型和所述水平附加应力值，基于最小势能原理和桩

【技术实现步骤摘要】
一种基坑外设置隔离桩对旁侧隧道保护效果的评估方法


[0001]本专利技术属于地下工程
，特别涉及基坑外设置隔离桩对旁侧隧道保护效果的评估方法，适用于研究基坑开挖影响下隔离桩外既有隧道的水平位移规律，从而分析隔离桩对既有隧道的保护作用。

技术介绍

[0002]随着时代的发展，人们对浅地层空间的开发越来越频繁，而在有限的空间内难免会出现临近既有地铁隧道的基坑开挖工程。基坑的开挖会导致周围土层发生位移，极易引起临近地铁隧道的变形破坏。实际工程中常常通过在基坑和隧道之间设置隔离桩来阻隔部分基坑开挖产生的影响，从而对既有隧道形成保护作用。对隔离桩的保护效果进行研究与评估，从而对隔离桩的设计进行优化，具有较大的现实意义和研究价值。
[0003]在针对隔离桩保护效果展开的国内外研究中，目前主要的研究方法包括数值模拟、实测数据分析和室内模型试验，数值模拟法的精度很大程度上取决于建模水平、边界条件以及参数的选取，精确度无法得到有效保证。而针对实测数据分析的研究往往受限于实际工程，目前合适的工程数据较少，无法满足研究需求。室内模型试验无法避免缩尺寸效应的影响，同时对外界因素的扰动较为敏感，精确度同样无法得到有效保证。目前还未见到分析隔离桩对旁侧地铁隧道保护效果的理论解研究。在相类似的理论解研究中，以二阶段分析法与地层补偿法为基础，提出了基坑开挖及隔离桩保护影响下桩外土体位移的三阶段计算方法，但仅考虑了隔离桩外土体的水平位移影响，并未考虑隔离桩对地铁隧道的保护效果影响。其次，在针对基坑开挖引起的旁侧单桩变形影响研究中，目前直接相关的理论解研究较少，大多数相似研究多是建立在二维坐标系上，但在实际工程中，隔离桩布置时大多是多根隔离桩间隔布置，平面坐标体系难以满足研究要求。
[0004]综上所述，构建基坑、隔离桩、地铁隧道三者之间的三维力学计算模型，提出一种基坑外设置隔离桩对旁压隧道的保护效果的评估方法是有必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基坑外设置隔离桩对旁侧隧道保护效果的评估方法，以解决现有的数值模拟法、实测数据分析法、室内模型实验方法在计算过程中精度难以控制或无法构建基坑、隔离桩、地铁隧道三者之间的三维力学计算模型进行隔离桩保护效果的理论解研究的问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术实施例所采用的技术方案如下：一种基坑外设置隔离桩对旁侧隧道保护效果的评估方法，包括：
[0007]根据基坑、隔离桩、既有隧道三者之间的相对位置关系构建三维坐标系，并根据所述的三维坐标系，构建基坑、隔离桩、既有隧道三者之间的三维力学计算模型；
[0008]根据所述的三维力学计算模型，不考虑隧道和隔离桩的存在，计算基坑开挖在隔离桩处的水平附加应力值；
[0009]根据所述的三维力学计算模型和所述水平附加应力值，基于最小势能原理和桩
‑
土变形协调条件，通过能量变分法求得隔离桩侧向挠曲变形；
[0010]根据所述的三维力学计算模型和所述隔离桩侧向绕曲变形，基于地层补偿法，利用镜像法求得隔离桩侧向绕曲变形引起的既有隧道水平位移值；
[0011]根据所得的隧道水平位移值的大小进行评估，参照《城市轨道交通结构安全保护技术规程》中I级控制标准，若隧道水平位移值小于5mm，则为合理，反之不合理。
[0012]进一步地，根据基坑、隔离桩、既有隧道三者之间的相对位置关系构建三维坐标系，并根据所述的三维坐标系，构建基坑、隔离桩、既有隧道三者之间的三维力学计算模型，具体如下：
[0013]根据基坑、隔离桩、既有隧道三者之间的相对位置关系构建三维坐标系，所述三维坐标系中，记(x，y)为计算点在xoy平面上的坐标点，z为计算点离地面的竖向距离，再根据所述的三维坐标系构建基坑、隔离桩、既有隧道三者之间的三维力学计算模型，平行于隧道一侧的侧壁长为L，另一侧壁长为B，基坑开挖深度为d，围护结构埋深为d0，围护结构总长为H(H＝d+d0)；多根隔离桩组成的围护结构位于x
g
处，总宽度为L
g
，每一根隔离桩的桩径为D
g
，长度为H
g
，相邻间隔距离为l
g
；既有隧道直径为D，中心轴线埋深为H
s
，位于x
s
处。
[0014]进一步地，根据所述的三维力学计算模型，不考虑隧道和隔离桩的存在，计算基坑开挖在隔离桩处的水平附加应力值，具体如下：
[0015]围护结构底面处等效荷载引起的隔离桩轴线上某点(x1，y1，z1)的水平附加应力值和侧壁卸载引起的隔离桩轴线上某点(x1，y1，z1)的水平附加应力值)的水平附加应力值以及总水平附加应力值σ
x
计算过程如下：
[0016][0017][0018][0019][0020][0021][0022]其中β为折减系数，K0为静止土压力系数，μ为土体的泊松比，γ为土体重度，σ为基坑围护结构底面水平平面处土体受到的荷载的等效荷载，字母L/2和
ꢀ‑
L/2是变量η沿y方向的积分上下限，字母B/2和
‑
B/2是变量ε沿x方向的积分上下限，字母d和0是变量τ沿z方向的积分上下限；T1、T2、R1、R2、R5、 R6、R7、R8均为中间变量，满足满足满足满足满足
[0023]进一步地，根据所述的三维力学计算模型和所述水平附加应力值，基于最小势能原理和桩
‑
土变形协调条件，通过能量变分法求得隔离桩侧向挠曲变形，具体如下：
[0024]桩
‑
土的相对位移为Δ＝h
sz
‑
x
z
，约束位移产生的单位长度的桩侧土压力F为
[0025]F＝K
·
Δ
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0026]式中，K为桩侧土体的地基基床系数；
[0027]在桩侧土体侧移作用下，隔离桩将发生挠曲变形，从能量角度上分析，桩土相对位移产生的能量将转化为隔离桩桩身的弹性变形能U
p
，U
p
表示为：
[0028][0029]式中，H
g
为隔离桩桩长；
[0030]结合公式(6)，桩
‑
土体系总势能π
p
可以表示为，
[0031][0032]其中桩顶受水平力作用的桩身侧向绕曲变形x
zh
表达式为：
[0033]x
zh
＝{Z
h
}
T
{δ
h
}
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0034]桩顶受弯矩作用的桩身侧向绕曲变形x
zm
表达式为：
[0035]x
zm
＝{Z
m
}
T
{δ
m
}
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0036]隔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基坑外设置隔离桩对旁侧隧道保护效果的评估方法，其特征在于，包括：根据基坑、隔离桩、既有隧道三者之间的相对位置关系构建三维坐标系，并根据所述的三维坐标系，构建基坑、隔离桩、既有隧道三者之间的三维力学计算模型；根据所述的三维力学计算模型，不考虑隧道和隔离桩的存在，计算基坑开挖在隔离桩处的水平附加应力值；根据所述的三维力学计算模型和所述水平附加应力值，基于最小势能原理和桩
‑
土变形协调条件，通过能量变分法求得隔离桩侧向挠曲变形；根据所述的三维力学计算模型和所述隔离桩侧向绕曲变形，基于地层补偿法，利用镜像法求得隔离桩侧向绕曲变形引起的既有隧道水平位移值；根据所得的隧道水平位移值的大小进行评估，参照《城市轨道交通结构安全保护技术规程》中I级控制标准，若隧道水平位移值小于5mm，则为合理，反之不合理。2.根据权利要求1所述的一种基坑外设置隔离桩对旁侧隧道保护效果的评估方法，其特征在于，根据基坑、隔离桩、既有隧道三者之间的相对位置关系构建三维坐标系，并根据所述的三维坐标系，构建基坑、隔离桩、既有隧道三者之间的三维力学计算模型，具体如下：根据基坑、隔离桩、既有隧道三者之间的相对位置关系构建三维坐标系，所述三维坐标系中，记(x，y)为计算点在xoy平面上的坐标点，z为计算点离地面的竖向距离，再根据所述的三维坐标系构建基坑、隔离桩、既有隧道三者之间的三维力学计算模型，平行于隧道一侧的侧壁长为L，另一侧壁长为B，基坑开挖深度为d，围护结构埋深为d0，围护结构总长为H(H＝d+d0)；多根隔离桩组成的围护结构位于x
g
处，总宽度为L
g
，每一根隔离桩的桩径为D
g
，长度为H
g
，相邻间隔距离为l
g
；既有隧道直径为D，中心轴线埋深为H
s
，位于x
s
处。3.根据权利要求1所述的一种基坑外设置隔离桩对旁侧隧道保护效果的评估方法，其特征在于，根据所述的三维力学计算模型，不考虑隧道和隔离桩的存在，计算基坑开挖在隔离桩处的水平附加应力值，具体如下：围护结构底面处等效荷载引起的隔离桩轴线上某点(x1，y1，z1)的水平附加应力值和侧壁卸载引起的隔离桩轴线上某点(x1，y1，z1)的水平附加应力值)的水平附加应力值以及总水平附加应力值σ
x
计算过程如下：
其中β为折减系数，K0为静止土压力系数，μ为土体的泊松比，γ为土体重度，σ为基坑围护结构底面水平平面处土体受到的荷载的等效荷载，字母L/2和
‑
L/2是变量η沿y方向的积分上下限，字母B/2和
‑
B/2是变量ε沿x方向的积分上下限，字母d和0是变量τ沿z方向的积分上下限；T1、T2、R1、R2、R5、R6、R7、R8均为中间变量，满足均为中间变量，满足均为中间变量，满足均为中间变量，满足均为中间变量，满足4.根据权利要求1所述的一种基坑外设置隔离桩对旁侧隧道保护效果的评估方法，其特征在于，根据所述的三维力学计算模型和所述水平附加应力值，基于最小势能原理和桩
‑
土变形协调条件，通过能量变分法求得隔离桩侧向挠曲变形，具体如下：桩
‑
土的相对位移为Δ＝h
sz
‑
x
z
，约束位移产生的单位长度的桩侧土压力F为F＝K
·
Δ
ꢀꢀ
(6)式中，K为桩侧土体的地基基床系数；在桩侧土体侧移作用下，隔离桩将发生挠曲变形，从能量角度上分析，桩土相对位移产生的能量将转化为隔离桩桩身的弹性变形能U
p
，U
p
表示为：
式中，H
g
为隔离桩桩长；结合公式(6)，桩
‑
土体系总势能π
p
可以表示为，其中桩顶受水平力作用的桩身侧向绕曲变形x
zh
表达式为：x
zh
＝{Z
h

【专利技术属性】
技术研发人员：魏纲，齐永洁，林志颖，章丽莎，张书鸣，许智超，周鑫鑫，周烨波，陈春来，
申请(专利权)人：浙大城市学院，
类型：发明
国别省市：