考虑非对称受荷基坑群围护结构受力变形确定和评估方法技术

本发明专利技术提供一种考虑非对称受荷基坑群围护结构受力变形确定方法，包括：建立改进的弹性地基梁整体分析模型；基于所述改进的弹性地基梁整体分析模型，确定计算参数及土压力与墙体变形的耦合关系；改变边界条件模拟基坑开挖，通过所述土压力与墙体变形的耦合关系建立地连墙受力平衡方程组，并迭代求解，确定两侧墙体的最终变形值。该方法充分考虑了非对称荷载对两侧墙体变形的影响，可快速求解更符合实际情况的墙体受力变形特性，计算墙体弯矩安全余量和实现风险定量评估，为工程实践与设计优化提供理论支持。化提供理论支持。化提供理论支持。

【技术实现步骤摘要】
考虑非对称受荷基坑群围护结构受力变形确定和评估方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程计算领域，具体地，涉及一种考虑非对称受荷基坑群围护结构受力变形确定和评估方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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”。当两侧土体宽度不同，或一侧有超载作用都会造成非对称受荷。传统的弹性地基梁方法将计算宽度的围护墙视为竖向地基梁，支撑(或锚杆)简化为与其截面积和弹性模量有关的弹性支座，开挖面以下墙前土对地基梁的反力用土弹簧模拟。其中支撑的计算长度取为基坑间距的二分之一，即假设支撑中心不变，两侧对称压缩。而在非对称受荷下，支撑存在“平移+压缩”的位移模式，需要对支护结构进行整体受力分析。现有弹性地基梁法仅是一种简化模型，只能考虑对称荷载情况下的基坑受力和变形，无法考虑非对称受荷的情况。
[0004]目前对于非对称荷载作用下的土压力和变形研究大都采用数值方法，而通过理论求解非对称受荷下的围护结构变形方法则罕有提出。同时，非对称受荷下围护结构的受力变形分析和风险评估是确保工程安全施工的重要环节。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种考虑非对称受荷基坑群围护结构受力变形确定和评估方法。
[0006]根据本专利技术的一个方面，提供一种考虑非对称受荷基坑群围护结构受力变形确定方法，包括：
[0007]建立改进的弹性地基梁整体分析模型；
[0008]基于所述改进的弹性地基梁整体分析模型，确定计算参数及土压力与墙体变形的耦合关系；
[0009]改变边界条件模拟基坑开挖，通过所述土压力与墙体变形的耦合关系建立地连墙受力平衡方程组，并迭代求解，确定两侧墙体的最终变形值。
[0010]优选地，所述改进的弹性地基梁整体分析模型，包括：
[0011]将两侧地连墙作为弹性梁，支撑作为两端自由压缩的弹簧单元，坑内土体作为土弹簧单元，墙后土压力荷载采用非极限土压力模型；其中，所述非极限土压力模型为
[0012][0013][0014]其中，p
z
为围护墙的水平反力；k为主动土压力侧压力系数；γ为土体重度；H为墙体深度；z为计算深度；α为滑裂面与水平面形成的倾角；为土体内摩擦角；δ为墙土摩擦角。
[0015]优选地，所述基于改进的弹性地基梁整体分析模型，确定计算参数及土压力与墙体变形的耦合关系，包括：
[0016]确定计算参数，所述计算参数包括两侧地连墙刚度矩阵、支撑刚度矩阵和土弹簧刚度矩阵；
[0017]基于所述连墙刚度矩阵、支撑刚度矩阵和土弹簧刚度矩阵，并结合所述改进的弹性地基梁整体分析模型，确定土压力与墙体变形的耦合关系，即墙土摩擦角、土体内摩擦角与墙体变形的耦合关系。
[0018]优选地，所述两侧地连墙整体刚度矩阵[K1]、[K2]的获取过程，包括：
[0019]假设墙体的竖向刚度无穷大，忽略墙体的竖向压缩变形，仅考虑杆端横向位移与转角同杆端力的关系；
[0020]将改进的弹性地基梁整体分析模型的墙体弹性模量、惯性矩和计算单元长度代入矩阵，得地连墙单元刚度矩阵：
[0021][0022]其中，F
Yi
为节点i处剪力；M
i
为节点i处弯矩；F
Yj
为节点j处剪力；M
j
为节点j处弯矩；E为墙体弹性模量，I为墙体的惯性矩，l为计算单元长度，v
i
为节点i的水平变形，θ
i
为节点i的转角；v
j
为节点j的水平变形，θ
j
为节点j的转角；墙体划分成若干杆单元，相邻杆单元之间的连接点称作节点；
[0023]将所述地连墙单元刚度矩阵沿墙体深度逐个叠加得到两侧地连墙整体刚度矩阵[K1]、[K2]；
[0024]所述支撑刚度矩阵[K
s
]的获取过程，包括：
[0025]将支撑视作与支撑截面积、墙体弹性模量、计算长度有关的弹簧单元，用公式[K
s
]＝EA/LS计算单个支撑刚度，其中，E为支撑弹性模量，A为支撑截面积，L为支撑等效长度，S为支撑等效间距；
[0026]根据施工阶段对应的支撑个数，叠加获得支撑刚度矩阵[K
s
]；
[0027]所述土弹簧刚度矩阵[K
m
]的获取过程，包括：
[0028]根据划分单元及开挖深度，计算对应的土弹簧刚度，其中，所述土弹簧刚度与土体特性及埋深有关，用公式K
m
＝k
h
bh、k
h
＝mz计算获得；K
m
为土弹簧刚度，k
h
为水平基床系数，b为土弹簧计算宽度，h为土弹簧计算宽度，m为基床系数的比例系数，z为土体埋深；
[0029]将所述单个土弹簧刚度叠加整合为土弹簧整体刚度矩阵[K
m
]。
[0030]优选地，所述根据非极限土压力模型，确定摩擦角δ、土体内摩擦角与墙体变形s
的关系，
[0031][0032]其中，δ
m
为考虑摩擦角与墙体变形耦合关系的修正摩擦角；为考虑土体内摩擦角与墙体变形耦合关系的修正土体内摩擦角；s为墙体位移，s
c
为墙土摩擦角的墙体极限位移，s
a
为土体内摩擦角的墙体极限位移，
[0033]优选地，所述改变边界条件模拟基坑开挖，通过土压力与墙体变形的耦合关系建立地连墙受力平衡方程组，包括：
[0034]基于各工况土弹簧刚度矩阵[K
m
]，通过土压力与墙体变形的耦合关系建立地连墙受力平衡方程组：
[0035][0036]求解该方程组，可得墙体的变形矩阵：
[0037][0038]其中，[P
e1
]、[P
e2
]为两侧墙体受到的坑外土压力荷载矩阵，[K1]、[K2]为两侧墙体刚度矩阵，[Δ1]、[Δ2]指两侧墙体整体位移矩阵，[K
m
]为土弹簧刚度矩阵，[Δ
m1
]、[Δ
m2
]：支撑安装前坑底土体初始变形矩阵；[K
s
]为支撑刚度矩阵，[Δ
s1
]、[Δ
s2
]指支撑两端的整体变形矩阵；[Δ
′
s1
]、[Δ
′
s2
]指支撑安装前两端的初始变形矩阵，[K
s
]·
[Δ
′
s1
]、[K...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑非对称受荷基坑群围护结构受力变形确定方法，其特征在于，包括：建立改进的弹性地基梁整体分析模型；基于所述改进的弹性地基梁整体分析模型，确定计算参数及土压力与墙体变形的耦合关系；改变边界条件模拟基坑开挖，通过所述土压力与墙体变形的耦合关系建立地连墙受力平衡方程组，并迭代求解，确定两侧墙体的最终变形值。2.根据权利要求1所述的一种考虑非对称受荷基坑群围护结构受力变形确定方法，其特征在于，所述改进的弹性地基梁整体分析模型，包括：将两侧地连墙作为弹性梁，支撑作为两端自由压缩的弹簧单元，坑内土体作为土弹簧单元，墙后土压力荷载采用非极限土压力模型；其中，所述非极限土压力模型为单元，墙后土压力荷载采用非极限土压力模型；其中，所述非极限土压力模型为其中，p
z
为围护墙的水平反力；k为主动土压力侧压力系数；γ为土体重度；H为墙体深度；z为计算深度；α为滑裂面与水平面形成的倾角；为土体内摩擦角；δ为墙土摩擦角。3.根据权利要求1所述的一种考虑非对称受荷基坑群围护结构受力变形确定方法，其特征在于，所述基于改进的弹性地基梁整体分析模型，确定计算参数及土压力与墙体变形的耦合关系，包括：确定计算参数，所述计算参数包括两侧地连墙刚度矩阵、支撑刚度矩阵和土弹簧刚度矩阵；基于所述连墙刚度矩阵、支撑刚度矩阵和土弹簧刚度矩阵，并结合所述改进的弹性地基梁整体分析模型，确定土压力与墙体变形的耦合关系，即墙土摩擦角、土体内摩擦角与墙体变形的耦合关系。4.根据权利要求3所述的一种考虑非对称受荷基坑群围护结构受力变形确定方法，其特征在于，所述两侧地连墙整体刚度矩阵[K1]、[K2]的获取过程，包括：假设墙体的竖向刚度无穷大，忽略墙体的竖向压缩变形，仅考虑杆端横向位移与转角同杆端力的关系；将改进的弹性地基梁整体分析模型的墙体弹性模量、惯性矩和计算单元长度代入矩阵，得地连墙单元刚度矩阵：其中，F
Yi
为节点i处剪力；M
i
为节点i处弯矩；F
Yj
为节点j处剪力；M
j
为节点j处弯矩；E为墙体弹性模量，I为墙体的惯性矩，l为计算单元长度，v
i
为节点i的水平变形，θ
i
为节点i的转角；v
j
为节点j的水平变形，θ
j
为节点j的转角；墙体划分成若干杆单元，相邻杆单元之间的连
接点称作节点；将所述地连墙单元刚度矩阵沿墙体深度逐个叠加得到两侧地连墙整体刚度矩阵[K1]、[K2]；所述支撑刚度矩阵[K
s
]的获取过程，包括：将支撑视作与支撑截面积、墙体弹性模量、计算长度有关的弹簧单元，用公式[K
s
]＝EA/LS计算单个支撑刚度，其中，E为支撑弹性模量，A为支撑截面积，L为支撑等效长度，S为支撑等效间距；根据施工阶段对应的支撑个数，叠加获得支撑刚度矩阵[K
s
]；所述土弹簧刚度矩阵[K
m
]的获取过程，包括：根据划分单元及开挖深度，计算对应的土弹簧刚度，其中，所述土弹簧刚度与土体特性及埋深有关，用公式K
m
＝k
h
bh、k
h
＝mz计算获得；K
m
为土弹簧刚度，k
h
为水平基床系数，b为土弹簧计算宽度，h为土弹簧计算宽度，m为基床系数的比例系数，z为土体埋深；将所述单个土弹簧刚度叠加整合为土弹簧整体刚度矩阵[K
m
]。5.根据权利要求4所述的一种考虑非对称受荷基坑群围护结构受力变形确定方法，其特征在于，所述根据非极限土压力模型，确定摩擦角δ、土体内摩擦角与墙体变形s的关系，其中，δ
m
为考虑摩擦角与墙体变形耦合关系的修正摩擦角；为考虑土体内摩擦角与墙体变形耦合关系的修正土体内摩擦角；s为墙体位移，s
c
为墙土摩擦角的墙体极限位移，s
a
为土体内摩擦角的墙体极限位移，6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明广，陈锦剑，程岩，林彤，刘逸敏，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：