一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，涉及轨道交通工程技术领域，包括：计算松动区内任意x处侧向土压力系数，得到下层土拱x水平向上任意一点处与土拱边缘拱脚处竖向应力的关系式；考虑土体粘聚力对土拱效应的影响，利用太沙基松动土压力模型，对抛物线状土体微分，得到下层拱松动土压力的计算公式；将最下层拱等效为三铰拱模型，确定土拱的拱高及最上层拱的位置，计算土拱的影响深度及拱顶处松动土压力数值。本发明专利技术通过建立多层抛物拱理论模型，求得土拱松动土压力数值，能够获得精确的土压力，提高地下工程结构尺寸设计的精准度。的精准度。的精准度。

【技术实现步骤摘要】
一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法


[0001]本专利技术涉及轨道交通工程
，尤其涉及一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法。

技术介绍

[0002]管幕(棚)法是在车站或隧道结构上部外围土层中，预先顶进钢管，然后设置钢管间连接或改变相邻钢管间构造的方式，形成一个具有能抵御上部荷载的超前支护体系，从而减小下部结构施工对周围土体与既有建构筑物的扰动，同时该方法能够有效控制地表沉降。受下部土体开挖扰动影响，因管幕(棚)与土体刚度不同，导致土体位移不均匀和应力重分布，开挖区域内土体将上方荷载转化为压应力，并将压应力传递至两侧拱脚，形成微型土拱。
[0003]微型土拱承载能力的大小直接影响到管幕(棚)间土体沉降，进而对地表沉降产生影响。在土拱形成原因、土拱形状方面，认为土拱沿土体最大主应力线发展，一般呈现出抛物线或悬挂线等形状，但是对土拱的受力形态，在地层中的影响范围方面研究的比较少，尚未形成准确的理论模型对其进行解析，土拱的承载性能常常被忽略，由此导致理论研究或工程实践中对于土压力的估算不够精确，也会造成地下工程设计中结构尺寸设计过大等现象。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，通过建立多层抛物拱理论模型，求得土拱松动土压力数值，能够获得精确的土压力，提高地下工程结构尺寸设计的精准度。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0006]本专利技术的实施例提供了一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，包括：
[0007]计算松动区内任意x处侧向土压力系数，得到下层土拱x水平向上任意一点处与土拱边缘拱脚处竖向应力的关系式；
[0008]考虑土体粘聚力对土拱效应的影响，利用太沙基松动土压力模型，对抛物线状土体微分，得到下层拱松动土压力的计算公式；
[0009]将最下层拱等效为三铰拱模型，确定土拱的拱高及最上层拱的位置，计算土拱的影响深度及拱顶处松动土压力数值。
[0010]作为进一步的实现方式，根据拱区上方松动土在土拱边缘拱脚位置处的土压力，确定土体内部侧向土压力系数和被动土压力系数；基于土体内部被动土压力系数相等，确定松动区内任意x处侧向土压力系数。
[0011]作为进一步的实现方式，下层土拱x水平向上任意一点处竖向应力与土拱边缘拱脚处竖向应力的关系式：
[0012][0013]其中，其中，表示土体内摩擦角，ψ表示x处大主应力方向与竖向方向的夹角，k
p
表示被动土压力系数。
[0014]作为进一步的实现方式，考虑粘聚力с对土拱效应的影响，将粘性土的摩尔应力圆向左平移一定距离得到新坐标系τ
c
oσ
c
，得到两坐标系间的关系：
[0015]τ
c
＝τ；
[0016]其中，σ
c
为考虑粘聚力下的切应力，τ
c
为考虑粘聚力下的剪应力；
[0017]将两坐标系间的关系代入下层土拱x水平向上任意一点与土拱边缘拱脚处竖向应力的关系式中，得到粘性土条件下各部分土体应力关系。
[0018]作为进一步的实现方式，基于土拱的对称特性，设置土拱抛物状轨迹方程为：
[0019][0020]其中，f为下层拱拱高，x为任意点到拱脚的距离，l为土拱的跨度。
[0021]作为进一步的实现方式，对下层抛物状土体微分：
[0022][0023]其中，γ为土层平均重度，s为土拱弧长，为平均土压力。
[0024]作为进一步的实现方式，将最下层拱等效为三铰拱模型，设置钢管侧摩阻力能够为最下层土拱提供稳定支撑，求出最下层土拱高跨比。
[0025]作为进一步的实现方式，最下层土拱高跨比为：
[0026][0027]其中，f为下层拱拱高，l为土拱的跨度。
[0028]作为进一步的实现方式，将压力曲线拐点位置作为最上层土拱的位置，拐点以上区域内土体受力按土柱理论计算，最上层土拱的深度为h0，拐点以下即土拱范围内土体按照松动土压力计算，在拐点处得到则土拱的影响范围为H
‑
h0；
[0029]其中，H为隧道顶部距地表的距离。
[0030]作为进一步的实现方式，平均松动土压力公式为：
[0031][0032]其中，
[0033][0034]γ为土层平均重度，s为土拱弧长，c为粘聚力，为土体内摩擦角，k
b
为侧向土压力系数。
[0035]本专利技术的有益效果如下：
[0036]本专利技术通过获取土体的地质参数(粘聚力、内摩擦角)，确定粘聚力影响下各部分土体应力关系，依托太沙基松动土压力模型，对抛物线状土体微分得到下层拱松动土压力的计算公式；同时，提供了拱高的确定方法、土拱的影响深度及拱顶处松动土压力计算方法；即，通过建立多层抛物拱理论模型，求得土拱松动土压力数值，为管幕(棚)设计提供理论依据，提高地下工程结构尺寸设计的精准度。
附图说明
[0037]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0038]图1是本专利技术根据一个或多个实施方式的流程图；
[0039]图2是本专利技术根据一个或多个实施方式的多层抛物线承载拱力学模型示意图；
[0040]图3是本专利技术根据一个或多个实施方式的土拱受力模型示意图；
[0041]图4是本专利技术根据一个或多个实施方式的粘性土摩尔应力圆示意图；
[0042]图5是本专利技术根据一个或多个实施方式的太沙基松动土压力模型示意图；
[0043]图6(a)和图6(b)是本专利技术根据一个或多个实施方式的三铰拱模型示意图；
[0044]图7是本专利技术根据一个或多个实施方式的最上层土拱位置示意图。
具体实施方式
[0045]实施例一：
[0046]本专利技术的一个典型实施例中，如图1所示，给出了一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法。
[0047]目前，对于土压力的估算不够精确，会造成地下工程设计中结构尺寸设计过大等现象；基于此，本实施例提供了一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，提出了如图2所示的多层抛物拱松动土压力计算模型，随着高度增加，土拱拱高逐渐较小，并逐渐趋近于零，此时对地表沉降影响甚微，将此时的临界状态定义为土拱的上限。最下层土拱到土拱的上限这段距离称为土体卸载影响范围，即土拱范围。
[0048]根据应力偏转理论对某深度内抛物线型土拱进行受力分析，从拱脚处土压力到拱顶处再求解出这一层平均土压力，确定拱脚处、拱顶处及一层平均土压力三者之间关系。
[0049]将下层拱等效为三铰拱进行受力分析，确定松动土压力中待定参数m、s、f。将下层拱等效为三铰拱进行受力分析，确定松动土压力中待定参数
[0050]下面，结合附图对上述管幕承载松动土压力计算方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，包括：计算松动区内任意x处侧向土压力系数，得到下层土拱x水平向上任意一点处与土拱边缘拱脚处竖向应力的关系式；考虑土体粘聚力对土拱效应的影响，利用太沙基松动土压力模型，对抛物线状土体微分，得到下层拱松动土压力的计算公式；将最下层拱等效为三铰拱模型，确定土拱的拱高及最上层拱的位置，计算土拱的影响深度及拱顶处松动土压力数值。2.根据权利要求1所述的一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，根据拱区上方松动土在土拱边缘拱脚位置处的土压力，确定土体内部侧向土压力系数和被动土压力系数；基于土体内部被动土压力系数相等，确定松动区内任意x处侧向土压力系数。3.根据权利要求1或2所述的一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，下层土拱x水平向上任意一点处竖向应力与土拱边缘拱脚处竖向应力的关系式：其中，其中，表示土体内摩擦角，ψ表示x处大主应力方向与竖向方向的夹角，k
p
表示被动土压力系数。4.根据权利要求1所述的一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，考虑粘聚力с对土拱效应的影响，将粘性土的摩尔应力圆向左平移一定距离得到新坐标系τ
c
oσ
c
，得到两坐标系间的关系：其中，σ
c
为考虑粘聚力下的切应力，τ
c
为考虑粘聚力下的剪应力；将两坐标系间的关系代入下层土拱x水平向上任...

【专利技术属性】
技术研发人员：何志伟，刘朝阳，李树良，魏元津，杨侠，毕元甲，吴圣智，李勋，梁尔斌，
申请(专利权)人：中铁十四局集团有限公司山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：