锚固段长度计算方法、桩基支挡结构设计方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及岩土工程设计领域，特别是锚固段长度计算方法、桩基支挡结构设计方法及系统，方法包括以下步骤：S1，获取锚固段长度的长度区间，并从中选取锚固段长度预设值；S2，将锚固段长度预设值和其他桩基支挡结构设计参数代入预先建立的地基岩土体和桩基支挡结构的有限元模型，求解弹簧单元的水平位移；S3，根据弹簧单元的水平位移计算所受横向压应力；S4，根据横向压应力和容许应力之间的大小，选取锚固长度区间，并重新确定锚固段长度预设值；S5，循环步骤S1～S4，直到锚固长度区间小于预设的容许值，并获取最优锚固长度。该方法采用有限元法和二分思想求解锚固段的最优长度，不仅适用范围广，特别适宜程序化使用。特别适宜程序化使用。特别适宜程序化使用。

【技术实现步骤摘要】
锚固段长度计算方法、桩基支挡结构设计方法及系统


[0001]本专利技术涉及岩土工程设计领域，特别是锚固段长度计算方法、桩基支挡结构设计方法及系统。

技术介绍

[0002]在边坡工程中，常用的桩基支挡结构有抗滑桩、锚索桩、桩板墙、椅式桩以及锚索椅式桩等，其主要特征为依靠桩基锚固段地基抗力承受桩身外荷载。桩基支挡结构的设计计算中，通常将结构分为受荷段和锚固段分别计算，受荷段按结构力学相关理论计算，锚固段按以文克尔“弹性地基”理论为基础的地基系数法计算。
[0003]根据地基系数的变化规律，衍生出“K”法和“m”法两种常用计算方法。“K”法假定锚固段地基系数为常量，“m”法假定地基系数从锚固点开始呈三角形变化。在桩的内力计算中，根据桩的刚度又划分为弹性桩和刚性桩。根据地基系数的变化规律和桩的刚度类型，可以推导出桩身内力和变形的计算解析解。具体推导过程可参考相关文献，如《岩土支挡与锚固工程》。
[0004]在实际的支挡结构设计中，受荷段的几何尺寸与荷载、锚固段的地基系数可从地质资料直接获得或计算得出，结构截面形状与尺寸也可以初步拟定，此时只剩下其锚固段长度待计算。对于某一给定的锚固段长度，通过上述理论计算，如果桩身锚固段各处的横向压应力不超过地基的横向容许承载力，则可认为该锚固段长度满足理论计算需求。在实际工程中，锚固段长度不仅要满足理论计算需求，还需满足工程经济需求，即经济最优，故桩基支挡结构设计的核心即为锚固段长度最优(最短)值的计算。
[0005]专利技术专利《一种抗滑桩锚固段最小长度的计算方法》(申请号CN201410794788.8)公开了一种抗滑桩锚固段最小长度的计算方法，将锚固段分为等压段和非等压段分别计算，但其只针对刚性抗滑桩，对于锚索桩、锚索椅式桩等复杂结构，难以得出解析解，局限性较大。专利技术专利《倾斜滑面滑坡抗滑桩锚固段长度计算方法》(申请号CN201910264025.5)将抗滑桩锚固段分为无效锚固段和有效锚固段，分别计算后求和，就得到锚固段长度，但并未涉及如何计算锚固段最优长度，对复杂桩基支挡结构同样存在较大局限性。
[0006]上述两种方法不仅局限于锚固段地层为均质单层地层的情况，对于锚固段为多层地层的情况，如锚固段上部为土层，下部为岩层，或多层不同的土层(岩层)，地基系数并不是常见的线性变化，很难用解析方法计算出锚固段最优长度，而且也局限于单根抗滑桩的情况，对于组合桩，如锚索桩、椅式桩、锚索椅式桩等，结构较为复杂，即便是均质的锚固段地层，也很难用解析法推导出锚固段最优长度的解析解。甚至大多数解析方法都存在这样的局限。
[0007]而对于数值方法而言，常见的有限元法、有限差分法等可以进行类似结构的内力计算，但单纯的数值方法无法计算锚固段最优长度，且现有公开的数值计算软件中暂未发现其有计算锚固段最优长度的功能。
[0008]根据弹性地基理论与能量守恒定律，将地基岩土体等效为弹簧，在其他条件不变
的情况下，锚固段长度越长，与桩接触的地基弹簧越多(地基受力面积越大)，地基弹簧在同样外荷载作用产生的变形量越小，当锚固段长度达到一定值时，地基弹簧变形量逐渐趋于稳定，即锚固段长度与地基弹簧变形量呈负相关，如图1所示。地基弹簧变形量越大，其所受压应力越大，当压应力刚好等于容许压应力时，此时的变形量即为满足理论计算需求的最大变形量，而对应的锚固段长度即为最优锚固段长度(即小于该长度，地基土压应力超过容许值，可能发生破坏；大于该长度，满足理论计算，但又不够经济)。
[0009]因此，为解决解析法在计算锚固段最优长度的局限与难处，弥补数值计算软件中缺乏相应桩基支挡结构设计功能的缺失，基于上述变化规律提出一种桩基支挡结构设计计算方法，计算桩基支挡结构锚固段最优值，以及对应的结构内力与变形计算。由于上述规律只是定性描述，无法采用数学公式具体表示，但在变化过程中地基变形量随锚固段长度单调递减，因此采用二分法的思想求解地基变形量为容许变形量时的锚固段长度。该方法可用于单层、多层地层中的桩基支挡结构锚固段最优长度计算，抗滑桩、锚索桩、椅式桩、锚索椅式桩等形式支挡结构的锚固段最优长度计算，以及组合情况的计算。

技术实现思路

[0010]本专利技术采用有限元法进行结构内力计算和锚固段的地基应力计算，采用二分思想求解锚固段的最优长度值，提出了锚固段长度计算方法、桩基支挡结构设计方法及系统。
[0011]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了以下技术方案：
[0012]一种桩基支挡结构的锚固段长度计算方法，包括以下步骤：
[0013]S1，获取锚固段长度的最小值和最大值，所述最小值和最大值构成长度区间，并且在最小值和最大值之间选取锚固段长度预设值；
[0014]S2，将所述锚固段长度预设值和其他桩基支挡结构设计参数代入预先建立的地基岩土体和桩基支挡结构的有限元模型，所述有限元模型中，地基岩土体等效为弹簧单元，所述桩基支挡结构等效为若干梁单元，弹簧单元远离桩侧节点固定，对桩基支挡结构地基岩土体以外的部分施加荷载，采用数值计算方法求解弹簧单元的水平位移；
[0015]S3，根据所述弹簧单元的水平位移以及所述弹簧单元所在地层的地基系数计算梁单元所受横向压应力；
[0016]S4，若所述横向压应力小于容许应力，选取最小值和锚固段长度预设值之间的长度为长度区间，将最大值替换为锚固段长度预设值，并返回步骤S1；若所述横向压应力大于或等于容许应力，则选取锚固段长度预设值和最大值之间的长度为长度区间，将最小值替换为锚固段长度预设值，并返回步骤S1；
[0017]S5，循环步骤S1～S4，直到所述长度区间小于预设的容许值，并获取长度区间小于预设的容许值时得到的锚固段长度，作为最优锚固长度。
[0018]作为优选方案，步骤S5中，所述长度区间小于预设的容许值时，若所述横向压应力小于容许应力，则最优锚固长度为当前长度区间的最大值，若所述横向压应力大于或等于容许应力，则最优锚固长度为锚固段长度预设值和最大值之间的取值。
[0019]作为优选方案，步骤S5中，所述长度区间小于预设的容许值时，若所述横向压应力大于或等于容许应力，还包括，在锚固段长度预设值和最大值构成的调整区间中选取调整中间值，采用步骤S1～S4的方法获取第二长度区间，循环步骤S1～S4，直到所述第二长度区
间小于所述预设的容许值，并以第二长度区间小于所述预设的容许值时得到的锚固段长度作为最优锚固长度。
[0020]作为优选方案，步骤S2中所述地基岩土体和桩基支挡结构的有限元模型的构建包括以下步骤：
[0021]以有限元单元长度将桩基支挡结构锚固段进行划分，得到N个长度单元，N为整数；桩基支挡结构锚固段按照地层厚度划分为梁单元；
[0022]将锚固段地层等效转换为弹簧单元，每个梁单元对应一个弹簧单元，所述弹簧单元与梁单元的轴向垂直。
[0023]作为优选方案，若所述锚固段地层为多个地层，则将锚固段各地层等效转换为不同刚度的弹簧单元。
[0024]作为优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种桩基支挡结构的锚固段长度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，获取锚固段长度的最小值和最大值，所述最小值和最大值构成长度区间，并且在最小值和最大值之间选取锚固段长度预设值；S2，将所述锚固段长度预设值和其他桩基支挡结构设计参数代入预先建立的地基岩土体和桩基支挡结构的有限元模型，所述有限元模型中，地基岩土体等效为弹簧单元，所述桩基支挡结构等效为若干梁单元，弹簧单元远离桩侧节点固定，对桩基支挡结构地基岩土体以外的部分施加荷载，采用数值计算方法求解弹簧单元的水平位移；S3，根据所述弹簧单元的水平位移以及所述弹簧单元所在地层的地基系数计算梁单元所受横向压应力；S4，若所述横向压应力小于容许应力，选取最小值和锚固段长度预设值之间的长度为长度区间，将最大值替换为锚固段长度预设值，并返回步骤S1；若所述横向压应力大于或等于容许应力，则选取锚固段长度预设值和最大值之间的长度为长度区间，将最小值替换为锚固段长度预设值，并返回步骤S1；S5，循环步骤S1～S4，直到所述长度区间小于预设的容许值，并获取长度区间小于预设的容许值时得到的锚固段长度，作为最优锚固长度。2.如权利要求1所述的一种桩基支挡结构的锚固段长度计算方法，其特征在于，步骤S5中，所述长度区间小于预设的容许值时，若所述横向压应力小于容许应力，则最优锚固长度为当前长度区间的最大值，若所述横向压应力大于或等于容许应力，则最优锚固长度为锚固段长度预设值和最大值之间的取值。3.如权利要求2所述的一种桩基支挡结构的锚固段长度计算方法，其特征在于，步骤S5中，所述长度区间小于预设的容许值时，若所述横向压应力大于或等于容许应力，还包括，在锚固段长度预设值和最大值构成的调整区间中选取调整中间值，采用步骤S1～S4的方法获取第二长度区间，循环步骤S1～S4，直到所述第二长度区间小于所述预设的容许值，并以第二长度区间小于所述预设的容许值时得到的锚固段长度作为最优锚固长度。4.如权利要求1所述的一种桩基支挡结构的锚固段长度计算方法，其特征在于，步骤S2中所述地基岩土体和桩基支挡结构的有限元模型的构建包括以下步骤：以有限元单元长度将桩基支挡结构锚固段进行划分，得到N个长度单...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伯根，吴沛沛，胡超，李安洪，李宁，王雨佳，杜猛，庄颖茜，吕婷，魏炜，肖昌瑞，胡世兴，刘宇罡，廖田婷，
申请(专利权)人：中铁二院工程集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：