本發(fā)明涉及一種擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

深基坑側(cè)壁擋土結(jié)構(gòu)作為施工期間臨時(shí)性用途，其材料用量太多，工時(shí)造價(jià)不少于地下基礎(chǔ)工程。而導(dǎo)致這些資源多余消耗的根本原因是：未找到一個(gè)合適的設(shè)計(jì)方法。其主要問(wèn)題是：在實(shí)施操作過(guò)程中暫無(wú)法考慮預(yù)壓力的作用，即使采用了預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，也未計(jì)入施加預(yù)壓力由擋土結(jié)構(gòu)傳入土中應(yīng)力對(duì)土楔體滑移面的有利效應(yīng)，更沒(méi)有定量的計(jì)算分析結(jié)果。例如：現(xiàn)普遍采用的錨桿擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型就未考慮：當(dāng)錨桿端錨具對(duì)擋土結(jié)構(gòu)施加預(yù)壓力時(shí)，擋土結(jié)構(gòu)背后土阻抗對(duì)擋土結(jié)構(gòu)的有利作用及同時(shí)傳入土體內(nèi)預(yù)壓應(yīng)力，在土楔體極限平衡滑移面上產(chǎn)生三個(gè)應(yīng)力增量即：正應(yīng)力﹑剪應(yīng)力﹑抗剪強(qiáng)度增量。由于土楔體滑移面所構(gòu)成的單元體范圍內(nèi)水平壓應(yīng)力相等且均勻分布，經(jīng)變換有三個(gè)應(yīng)力增量共同去平衡處于主動(dòng)極限平衡狀態(tài)的土體自重應(yīng)力增量。又可將側(cè)向預(yù)壓力視為側(cè)限約束力，能約束土體處于主動(dòng)極限平衡狀態(tài)。由于擋土結(jié)構(gòu)背后土阻抗及抗剪強(qiáng)度增量的計(jì)入，改變了現(xiàn)擋土結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)圖與設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型未考慮擋土結(jié)構(gòu)背后土阻抗對(duì)擋土結(jié)構(gòu)的有利作用及同時(shí)傳入土體內(nèi)預(yù)壓應(yīng)力作用而導(dǎo)致?lián)跬两Y(jié)構(gòu)材料用量過(guò)多的問(wèn)題。

基坑側(cè)壁擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟一、計(jì)算主動(dòng)土壓力數(shù)值并繪圖標(biāo)識(shí)，確立模型簡(jiǎn)圖；在模型簡(jiǎn)圖中，擋土結(jié)構(gòu)的一側(cè)為土體側(cè)，擋土結(jié)構(gòu)另一側(cè)設(shè)有若干單向承載預(yù)壓力錨桿彈簧支座和錨桿，單向承載預(yù)壓力錨桿彈簧支座連接錨桿給擋土結(jié)構(gòu)施加預(yù)壓力npi1；

步驟二、將模型簡(jiǎn)圖中主動(dòng)土壓力p按3:1縮減的壓力值鏡像至錨桿彈簧支座一側(cè)，去掉預(yù)壓力npi1，再去掉土體側(cè)的土壓力或土抗力，得到去掉土體側(cè)土壓力或土抗力的模型簡(jiǎn)圖；

步驟三、已知錨桿所能施加的預(yù)壓力量值等于模型簡(jiǎn)圖梯形線荷載，按分擔(dān)區(qū)間匯集成集中力npi2；再確定梯形線荷形心或中心點(diǎn)，得出錨桿沿豎向排距；

步驟四、按照去掉土體側(cè)土壓力或土抗力的模型簡(jiǎn)圖確定錨桿沿豎向排距形成的錨桿預(yù)壓集中力及作用位置設(shè)計(jì)錨桿預(yù)壓集中力等效簡(jiǎn)圖；再按豎向地基梁板設(shè)計(jì)擋土結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，步驟一所述的單向承載預(yù)壓力錨桿彈簧支座包括支撐點(diǎn)、支桿和彈簧；所述的支桿的一端通過(guò)支撐點(diǎn)固定，支桿的另一端連接彈簧的一端，彈簧的另一端連接錨桿，由錨桿給擋土結(jié)構(gòu)施加預(yù)壓力。

本發(fā)明具有以下有益效果：

在地面均布荷載及土體自重作用下，深基坑側(cè)壁擋土結(jié)構(gòu)一側(cè)土壓力的分布如圖1，而本發(fā)明所對(duì)應(yīng)圖1的另一側(cè)錨桿支座節(jié)點(diǎn)有兩點(diǎn)不同于已往采用的模型簡(jiǎn)圖支座：一、土層錨桿在張拉錨定、承受荷載時(shí)伴隨有預(yù)壓力，在簡(jiǎn)圖的彈簧支座上附有預(yù)壓力npi，作用于擋土結(jié)構(gòu)。二、在預(yù)壓力作用下，擋土結(jié)構(gòu)向土體一側(cè)移動(dòng)，錨桿支座會(huì)跟進(jìn)移動(dòng)而不牽拉，在簡(jiǎn)圖上表示為脫開(kāi)。當(dāng)在土壓力作用下產(chǎn)生位移而連接時(shí)，又可以支承(牽拉)。這一單向支承(牽拉)、又能預(yù)壓的支座稱(chēng)之為：?jiǎn)蜗虺休d預(yù)壓力錨桿彈簧支座。

同時(shí)進(jìn)行本發(fā)明在設(shè)計(jì)之初就考慮了，擋土結(jié)構(gòu)背后土阻抗對(duì)擋土結(jié)構(gòu)的有利作用、同時(shí)傳入土體內(nèi)預(yù)壓應(yīng)力，以及在土楔體極限平衡滑移面上產(chǎn)生三個(gè)應(yīng)力增量。使得本發(fā)明在設(shè)計(jì)時(shí)彈簧支座的預(yù)壓均布力為原來(lái)土體側(cè)主動(dòng)土壓均布力p的三分之一，而且也是經(jīng)過(guò)論證后具有理論依據(jù)的。這樣使得按照本發(fā)明設(shè)計(jì)基坑側(cè)壁擋土結(jié)構(gòu)，能夠在保證設(shè)計(jì)要求的擋土能力的基礎(chǔ)上極大地節(jié)省擋土結(jié)構(gòu)材料用量，就其針對(duì)錨桿用量一項(xiàng)，利用本發(fā)明就可以將錨桿的用量減少百分之五十以上。

附圖說(shuō)明

圖1為基坑側(cè)壁擋土模型簡(jiǎn)圖；圖中：1為擋土結(jié)構(gòu)；2為預(yù)壓力錨桿彈簧支座(單向承載)；3為基坑底標(biāo)高；

圖2為去掉錨桿給擋土結(jié)構(gòu)施加預(yù)壓力后基坑側(cè)壁擋土模型簡(jiǎn)圖；

圖3為去掉土體側(cè)土壓力或土抗力的模型簡(jiǎn)圖；

圖4為設(shè)計(jì)錨桿預(yù)壓集中力等效簡(jiǎn)圖：

圖5為錨桿支座節(jié)點(diǎn)的示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：結(jié)合圖1至圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，

基坑側(cè)壁擋土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟一、計(jì)算主動(dòng)土壓力數(shù)值并繪圖標(biāo)識(shí)，確立模型簡(jiǎn)圖，如圖1所示；在模型簡(jiǎn)圖中，擋土結(jié)構(gòu)1的一側(cè)為土體側(cè)，擋土結(jié)構(gòu)1另一側(cè)(圖1中的擋土結(jié)構(gòu)左側(cè))設(shè)有若干單向承載預(yù)壓力錨桿彈簧支座2和錨桿，單向承載預(yù)壓力錨桿彈簧支座2連接錨桿，錨桿給擋土結(jié)構(gòu)1施加預(yù)壓力npi1(圖1中所示的npi)；注：圖1主動(dòng)土壓力值，是當(dāng)初始零預(yù)壓力時(shí)的土壓力分布圖；

步驟二、將模型簡(jiǎn)圖中主動(dòng)土壓力p按3:1縮減的壓力值鏡像至錨桿彈簧支座一側(cè)，去掉預(yù)壓力npi1，如圖2所示，再去掉土體側(cè)(擋土結(jié)構(gòu)右側(cè))的土壓力或土抗力，得到去掉土體側(cè)土壓力或土抗力的模型簡(jiǎn)圖，如圖3所示，

步驟三、已知錨桿所能施加的預(yù)壓力量值等于圖3所示的模型簡(jiǎn)圖梯形線荷載，按分擔(dān)區(qū)間匯集成集中力npi2(圖4中所示的npi)；再確定梯形線荷形心或中心點(diǎn)，得出錨桿沿豎向排距；

步驟四、按照去掉土體側(cè)土壓力或土抗力的模型簡(jiǎn)圖3確定錨桿沿豎向排距形成的錨桿預(yù)壓集中力及作用位置設(shè)計(jì)錨桿預(yù)壓集中力等效簡(jiǎn)圖，如簡(jiǎn)圖4所示；再按豎向地基梁板設(shè)計(jì)擋土結(jié)構(gòu)。

步驟一所述的單向承載預(yù)壓力錨桿彈簧支座2包括支撐點(diǎn)2-1、支桿2-2和彈簧2-3；所述的支桿2-2的一端通過(guò)支撐點(diǎn)2-1固定，支桿2-2的另一端連接彈簧2-3的一端，彈簧2-3的另一端連接錨桿，由錨桿給擋土結(jié)構(gòu)1施加預(yù)壓力，當(dāng)擋土結(jié)構(gòu)1向土體側(cè)移動(dòng)時(shí)，錨桿不牽拉承載，當(dāng)擋土結(jié)構(gòu)1向支座一側(cè)移動(dòng)時(shí)，錨桿則牽拉承載，稱(chēng)為單向承載。

對(duì)本發(fā)明所述設(shè)計(jì)方法論證：

1、由土工試驗(yàn)得庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度包線與莫爾應(yīng)力圓切點(diǎn)幾何關(guān)系τ＝τf；可寫(xiě)出土體極限平衡狀態(tài)下應(yīng)力式(1)，(2)：

聯(lián)立式(1)，(2)可導(dǎo)出式：

在極限平衡狀態(tài)條件下，土體抗剪強(qiáng)度與主應(yīng)力關(guān)系式為線性函數(shù)，微分與增量有：

dτf＝δτf；dσ＝δσ(5)

式(3)，(4)由式(5a)分別對(duì)σ1，σ3求導(dǎo)微分得增量式：

式(6)，(7)可按大小主壓應(yīng)力增量寫(xiě)成分量形式。

2、土體極限平衡面的水平夾角及法向應(yīng)力公式：

由式(8)，(9)得式：

3、設(shè)基坑側(cè)壁土體受水平壓應(yīng)力增量δσ3；

由式(10)得：

式(11)對(duì)τf求導(dǎo)：

寫(xiě)微分得增量的分量式，由式:δτf＝δτf1＝δτf3得：

由式(7)，(13)得關(guān)系式：

由公式：得：

已有：

式(11)，(14)對(duì)σ3求導(dǎo)：

寫(xiě)微分得增量的分量式

式(13a)，(16)合矢量增量效應(yīng)得：

δσ1＝δσ1τ+δσ13＝3·δσ13

設(shè)：δσ1＝σ1；σ3＝p；由式(17)得：

p：土壓力；q：地面均布荷載；σ3：小主壓應(yīng)力；σ1：大主壓應(yīng)力。

δσ1：土體單元垂直向壓應(yīng)力增量(大主壓應(yīng)力增量)；

δσ3：土體單元水平向壓應(yīng)力增量(小主壓應(yīng)力增量)；

δτf：土楔體極限平衡面上抗剪強(qiáng)度增量；

在地面均布荷載及土體自重作用下，深基坑側(cè)壁擋土結(jié)構(gòu)一側(cè)土壓力的分布如圖1，而圖1的另一側(cè)錨桿支座節(jié)點(diǎn)2的示意詳圖如圖5所示，錨桿支座節(jié)點(diǎn)有兩點(diǎn)不同于已往采用的模型簡(jiǎn)圖支座：一、土層錨桿在張拉錨定、承受荷載時(shí)伴隨有預(yù)壓力，在簡(jiǎn)圖的彈簧支座上附有預(yù)壓力npi，作用于擋土結(jié)構(gòu)。二、在預(yù)壓力作用下，擋土結(jié)構(gòu)向土體一側(cè)移動(dòng)，錨桿支座會(huì)跟進(jìn)移動(dòng)而不牽拉，在簡(jiǎn)圖上表示為脫開(kāi)。當(dāng)在土壓力作用下產(chǎn)生位移而連接時(shí)，又可以支承(牽拉)。這一單向支承(牽拉)、又能預(yù)壓的支座稱(chēng)之為：?jiǎn)蜗虺休d預(yù)壓力錨桿彈簧支座。