一种双参数地基梁的管棚支护计算方法技术

本发明专利技术公开了一种双参数地基梁的管棚支护计算方法，根据

【技术实现步骤摘要】
一种双参数地基梁的管棚支护计算方法


[0001]本专利技术涉及隧道与地下工程领域，具体涉及一种双参数地基梁的管棚支护计算方法
。

技术介绍

[0002]围岩条件差或是开挖断面大的隧道工程建设中往往需要采用超前支护的手段防止地层塌陷，控制超前变形，以及为初期支护争取作用时间
。
在已有的超前支护手段中，管棚由于工艺简单，施工方便，成本相对低廉等优点，被广泛应用于隧道进出口段
、
不良地质地段或者超大断面隧道的施工中
。
管棚的广泛应用，推动了管棚设计与计算理论的发展
。
[0003]现有的基于弹性地基梁理论的管棚计算公式，一般将管棚视为一根搁置在弹性地基上的欧拉梁，基于荷载沿管棚全长均匀分布的假设，忽略梁在弹性地基上的三维影响，建立了弹性地基上管棚计算方法
。
这些公式能一定程度指导管棚设计计算
、
反映管棚的受力状态，但由于未考虑实际工程条件，导致理论计算结果与实际测试结果偏差较大
。
在类似问题的理论分析中，绝大多数并未综合考虑梁在弹性地基上的三维影响，掌子面前方的岩土体扰动段相较于深部未扰动的岩土体，其地层反力系数和剪切模量都有了一定程度降低
。
采用现有的管棚支护计算理论势必高估管棚支护的承载能力
。
[0004]管棚的设计参数关系到围岩稳定性的控制效果以及施工的安全性，因此有必要针对管棚支护计算理论进行改进，建立更加完善的管棚支护计算方法以指导管棚施工，保障隧道工程建设的安全
。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种双参数地基梁的管棚支护计算方法，具体技术方案如下：一种双参数地基梁的管棚支护计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]S1、
根据
Pasternak
地基模型上的梁的挠曲微分控制方程，考虑梁在弹性地基上的三维影响，运用初参数解法求解挠曲微分方程，得到
Pasternak
地基模型上任意荷载作用下的挠曲变形解析解；
[0007]S2、
根据实际的隧道施工步骤，将管棚全长划分成不同的区段进行理论分析计算；
[0008]S3、
根据实际支护情况，选择适当的梁模型对各个区段进行简化；
[0009]S4、
根据实际的开挖工况及管棚端部的受力及变形情况，选择适当的约束条件对管棚端部进行简化；
[0010]S5、
根据实际的隧道埋深情况，选择适当的围岩压力计算理论，适当假设管棚全长的荷载分布形式；
[0011]S6、
通过分段节点处的挠度
w、
转角
θ
、
弯矩
M
和广义剪力
Q
的连续性条件以及管棚端部的边界条件求解得到各个区段的挠曲变形的解析解
。
[0012]步骤
S1
具体为：
[0013]S1.1、
建立
Pasternak
地基上的梁的挠曲微分控制方程，其表达式为式
1)
：
[0014][0015]其中，
k
和
G
p
分别为地基反力系数及地基剪切模量，
EI
为管棚截面的等效抗弯刚度，
EI
＝
E
c
I
c
+E
s
I
s
，
E
c
、I
c
、E
s
和
I
s
分别是填充混凝土的弹性模量
、
管棚用钢的弹性模量
、
填充混凝土的截面惯性矩和管棚用钢的截面惯性矩；
b
为梁上荷载的计算宽度，
b
＝
0.5
π
D
，
D
为管棚外径；
q(x)
为梁上荷载，
w(x)
为梁上
x
位置处的挠度；
b
*
为地基反力的计算宽度，
[0016]S1.2、
考虑梁在弹性地基上的三维影响，运用初参数解法求解步骤
S1.1
中的挠曲微分控制方程，得到
Pasternak
地基模型上任意荷载作用下的挠曲变形解析解，具体为：
[0017](1)
时，
[0018][0019][0020][0021][0022](2)
时，
[0023][0024][0025][0026][0027](3)
时，
[0028][0029][0030][0031][0032](4)G
p
＝0时，模型退化成
Winkler
地基梁模型，
[0033][0034][0035][0036][0037](5)k
＝
G
p
＝0时，模型退化成普通梁模型，
[0038][0039][0040][0041][0042]式
2)
‑
式
21)
中：
w0、
θ0、M0、Q0为初始截面的挠度
、
转角
、
弯矩及广义剪力，
z
为积分变量，
[0043][0044][0045][0046][0047]J1(x)
＝
cos(
λ
x)sinh(
λ
x)
，
J2(x)
＝
cos(
λ
x)cosh(
λ
x)
，
[0048]J3(x)
＝
sin(
λ
x)cosh(
λ
x)
，
J4(x)
＝
sin(
λ
x)sinh(
λ
x)。
[0049]步骤
S2
具体为：根据典型的隧道施工步骤，将管棚全长分成初期支护封闭段
、
初期支护未封闭段
、
开挖未支护段
、
掌子面前方土体松动段和未松动段；其中，初期支护封闭段
、
初期支护未封闭段和开挖未支护段长度根据实际支护情况确定；掌子面前方土体松动段长度为：其中
h
为隧道开挖高度，为前方土体的内摩擦角；未松动段根据管棚末端距掌子面的距离确定：其中
Δ
L
为管棚末端距掌子面的距离
。
[0050]步骤
S3
具体为：考虑初期支护的支撑作用，将初期支护封闭段和初期支护未封闭段简化成
Pasternak
地基梁模型；考虑初期支护的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种双参数地基梁的管棚支护计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
根据
Pasternak
地基模型上的梁的挠曲微分控制方程，考虑梁在弹性地基上的三维影响，运用初参数解法求解挠曲微分方程，得到
Pasternak
地基模型上任意荷载作用下的挠曲变形解析解；
S2、
根据实际的隧道施工步骤，将管棚全长划分成不同的区段进行理论分析计算；
S3、
根据实际支护情况，选择适当的梁模型对各个区段进行简化；
S4、
根据实际的开挖工况及管棚端部的受力及变形情况，选择适当的约束条件对管棚端部进行简化；
S5、
根据实际的隧道埋深情况，选择适当的围岩压力计算理论，适当假设管棚全长的荷载分布形式；
S6、
通过分段节点处的挠度
w、
转角
θ
、
弯矩
M
和广义剪力
Q
的连续性条件以及管棚端部的边界条件求解得到各个区段的挠曲变形的解析解
。2.
根据权利要求1所述的双参数地基梁的管棚支护计算方法，其特征在于，步骤
S1
具体为：
S1.1、
建立
Pasternak
地基上的梁的挠曲微分控制方程，其表达式为式
1)
：其中，
k
和
G
p
分别为地基反力系数及地基剪切模量，
EI
为管棚截面的等效抗弯刚度，
EI
＝
E
c
I
c
+E
s
I
s
，
E
c
、I
c
、E
s
和
I
s
分别是填充混凝土的弹性模量
、
管棚用钢的弹性模量
、
填充混凝土的截面惯性矩和管棚用钢的截面惯性矩；
b
为梁上荷载的计算宽度，
b
＝
0.5
π
D
，
D
为管棚外径；
q(x)
为梁上荷载，
w(x)
为梁上
x
位置处的挠度；
b
*
为地基反力的计算宽度，
S1.2、
考虑梁在弹性地基上的三维影响，运用初参数解法求解步骤
S1.1
中的挠曲微分控制方程，得到
Pasternak
地基模型上任意荷载作用下的挠曲变形解析解，具体为：
(1)
时，时，
(2)
时，时，时，
(3)
时，时，时，时，
(4)G
p
＝0时，模型退化成
Winkler
地基梁模型，地基梁模型，地基梁模型，地基梁模型，
(5)k
＝
G
p

【专利技术属性】
技术研发人员：贾朝军，陈磊，雷明锋，施成华，何艳春，李翱，黄娟，周璞，
申请(专利权)人：中国中铁股份有限公司中南大学湖南路桥建设集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：