连拱式深基坑支护结构的计算方法研究

连拱式深基坑支护结构的计算方法研究

戴佳伟，范举国

(西华大学建筑与土木工程学院，四川成都610039)

摘要:针对工程实践中仍将连拱式深基坑支护结构简化为

平面结构计算，其计算理论仍需完善的研究现状，提出了一 种用于计算连拱式组合结构的方法。先将连拱式组合结构 简化为一无铰拱，计算出组合结构中的受力大的部分，再通 基坑支护结构，节省材料，能带来很好的经济效益&

在连拱式支护结构的设计与计算中，陈德文[1 ]将连拱式 支护结构简化为水平方向和竖直方向计算，但是其简化的水 土压力方向不妥，水土压力的方向应该垂直支护结构与水土 过增量计算法来计算组合结构中受力较大部分的内力和变 形，这种方法更能符合工程的实际情况。

关键词：深基坑;连拱式支护结构；无铰拱；增量计算法 中图分类号:TU470

文献标识码:B

文章编号：1672 - 4011 (2017) 03 - 0062 - 03

DOI ： 10. 3969/j. issn. 1672 - 4011.2017. 03. 033

优先出版时间:2017 -03 -08 11:34 优先出版地址:http ：//kns. cnki. net/kcms/

detail/51. 1175. TU. 20170308. 1134. 002. html

Research on multi - arch supportingstructure for deep foundation pit

DAI Jiawei, FAN Juguo

(School of Architecture and Civil Engineering,Xihua University, Chengdu 610039, China)

Abstract： Aimed at multi - arch supporting structure for deep

foundation pit is simplified as plane structure in practice and the calculations theory need to be improved, This paper proposes a calculation method for multi - arch composite structure. Firstly, it calculates the heavy stress part of composite structure after the multi _ arch composite structure is simplified as hingeless arch. Second, it analyzes the internal force and deformation of the heavy stress part through the incremental calculation method. The results indicate that this method is more accordant with the actual situation in engineering.

Key words ： deep foundation pit ； multi - arch supporting struc­

ture ； hingeless arch； incremental calculation method

〇前言

连拱式灌注粧是以大直径粧（约为抑00〜糾000)为主 粧，相隔3〜5 m;中间用小直径桩（约为扣00)排列成拱形， 组成拱截面的组合粧群4拱矢高约为大直径粧间距的1/4〜 1/2;粧的顶端一般用钢筋混凝土圈梁连接;在基#C较深时， 可在粧的中段加1〜2道肋梁以增加组合截面的稳定性，连 拱式深基坑支护结构能将水土 J5力对支护结构产生的拉弯 应力转化为沿拱轴线方向的压力，充分地发挥了混凝土的材 料特性，且连拱式结构的刚度远大于其他平面结构型式的深

收稿日期=2017-01 -20

作者简介：戴佳伟（1989 -)，男，安徽安庆人，在读硕士研究生，主要 研究方向：岩土工程。

• 62 •

的接触面，潘泓M提出用壳体理论来分析拱形围护结构的内

力和变形;赵利益、蔡伟铭™利用有限元软件ADINA分析了 上海江苏路排管工程，其维护结构是两道支撑的水泥土拱形 围护结构;刘维威3]利用有限元程序ANSYS对悬臂式拱形 支护结构进行了一些分析，初步得到一些结论。这些方法丰 富了对连拱式支护结构的分析计算，但羲也有其局限性，例 如古典的等值梁法没有考虑到施工过程中支护结构的变形； 本文先将连拱式组合结构简化为一无铰拱，并使水、土的压 力方叫垂直与支护结构的表面，使得其更符合实际的情况， 计算出组合结构中的内力大的部分，再通过考虑施工过程的 增量计算法来计算组合结构中内力较大部分的内力与变形， 这种先通过简化结构确定出连拱式支护结构中内力较大部 分，再由增量算法来计算内力较大部分的内力和位移的方 法，会使得计算结果更加偏于安全，也更符合实际。：

1计算方法

1.1

拱截面内力大小的判断

由于连拱式支护结构是由大直径粧与小直径粧组合而 成，大直径粧与小直轻粧之间的间隙由高压旋喷粧进行加 固，且粧顶用钢筋混凝土圈梁连接，对于一些较深的基坑，粧 身可增加1〜2道肋梁以增强组合截面的稳定性，所以各个 粧相互之间不会产生相对转动和位移，即粧与粧之间屬于刚 性连接，连拱式组合支护结构的计算单元可以简化为一个无 铰拱。在支护结构上，水土与支护结构相接触所产生的压 力，其方向应垂直支护结构面，可以看成是垂直于支护结构 面上的均布荷载，其简化的计算单元荷载体系如图1所沁。

图1 单元荷载体系

图2

半结构体系

简化后的体系晶一个对称荷载作用在对称结构上，取半

结构如图（2)所■，截面上有三个未知力、Z2、Z3 ;由于

A

时反对称未知力，则心=〇H则由结构力学中的弹性中

心法可以求出未知力、Z2，弹性中心法的基本体系如图 3,力法方程为：

Still + Aip - 〇

(

1

)

各 22尤2 +

= 〇

由 ETSu = jMf心，E/522 =

心可以求出

、522 ;

第43卷第 3 期 f h) !讨 Y〇1.43,N〇.32017 年 3 月________________________Sichuan Building Materials_________________________March,2017

由 E/A1P = jMiMp心，E/A2P = |m2Mp心可求出 A1P，A2P Q则A = _ _

^ 11 ^22

任意一点E的弯矩分别为：

则拱顶C、拱角A、拱之间

然后由/h +

开挖到^，这一增量过程的计算简图如图4

c/h +AA时，即图4

(b) 的状态时，^、人两个土弹簧对墙体的作用有反力^ ^，当由/h +AA开挖到时，这两个土弹簧被挖去，就等于

()所示，土压力增量为心-心，在开挖到

Mc =

- X2{R - d)

(2)

在墙体上作用了两个大小相等、方向相反的两个力，如图4(c) 所示，则心-心、4

相当于从/h +

开挖到&2这

一过程中的荷载增量。这一荷载增量由肋梁代表的弹簧X、 圈梁代表的弹簧和未开挖的土弹簧共同承担，求解后，可 以得到

^ MA ~ ^1 ~ x%{d ~ Rcos(p0) ~ MF ■Me = MP + (M1X1 + M2X2)

式(2)中，d为弹性中心D到圆心0的距离d/舎=

K与未开挖的土弹簧的反力％丨、,

、％丨、4、

^…如图4(c) 5这一过程中，作用在墙体上的内力以及位

jy心

&由此则可以计算出连拱式支护结构计算移的增量便可以求得把这两个过程中作用于支护结构上 单元上的弯矩大小，则可以作出单元拱上的弯矩图，由此确 定出单元拱上的内力较大的部位a

1.2组合拱结构的内力位移计算

由于连拱式深基坑支护结构在基坑较深时，中间会加上 1〜2道肋梁，且先进行开挖，再进行肋梁的施工，即在进行肋 梁的施工过程中，支护结构已经产生变形了，而增量计算法 考虑到了施工过程中支护结构的变形情况，采用增tt法进行 内力、位移的计算，才符合工程实际情况。

采用增tt法计算拱结构上内力较大的部分，在拱结构内

力较大的部分取圆周上单位为m的宽度进行计算，把其作为 |个受土 ff力作用的弹性地基梁，土对墙的作用用土弹簧来 表示，i处弹簧的刚度系数见式(3)。

式中，A为弹簧位置处的位移为相对应的力。设一 个土弹簧代表受压土的面积为b x d，b为土的深度除以在这 段深度内所取的弹簧个数，d为拱结构上的计算单位宽度；w

是与有关的形状系数I当= 1. 〇时，⑴=〇. 8 ;当 =1.5 时，w = 1.08，当 = 2 时，w = 1.22 ;E。为土体的

变形模量;/x为泊松比[5]。

假设连拱式支护结构的计算简图如图4 ( a)所示，粧的

顶端一般用钢筋混凝土圈梁连接，并用刚度为的弹簧代 替[6]，下面设置了一道肋梁;组合拱截面的几何特征与力学 特征可以由李俊才[7]的方法求得，混凝土圈梁的刚度可 以先由结构力学中求超静定结构位移的方法求出柔度系数， 再将柔度系数取倒数即可得到混凝土圈梁的刚度[T。为了 在/h处设置一道肋梁，必须先开挖到/h + ，此时，其荷载

的计算图4 (b)所示，&为开挖面以上的土压力，求解后可以

求得挖土面以下土弹簧的反力d4、^…和圈梁与肋梁

的反力％°T、%°。相应地，此时的支护结构的墙体内力和位

移即可求得4

当在墙顶以下/h处加肋梁后，该肋梁的弹簧刚度为K，

的荷载和每个弹簧的力叠加，即可求得最终作用在支护结构 上的力，再将这两个过程的位移量叠加即可得到最终的位移 如图4(d)。由此可以扩展到增加多道肋梁的情况，分解每 个施工过程，求出每个施工过程中的作用在墙体上的荷载增 量，然后求出每个弹簧上的反力，即可求出这一施工过程中 的荷载增量引起的弹簧作用在墙体上的内力增量和位移增 量，再将每个施工过程作用在支护结构上的内力叠加、位移 增量叠加，即可求得最终施工状态下作用在支护结构上的内 力、位移。

图4(a

)

连拱式支护结 图4(b

)

荷载计算简图

构的计算简图

2结语

连拱式支护结构的设计计算，目前没有确定的方法，而 连拱式深基坑支护结构又有其独特的优点，所以对其计算方 法的分析与探究有着深远的意义。

1)本文先根据实际的拱支护结构的连接与受力情况，将

(下转第99页）

• 63 •

第43卷第3期 2017年3月

Sichuan Building Materials

现，加强公路抗疲劳的性能。

^ hi

Y〇1.43,N〇.3

March, 2017

有抗车辙的能力较强、耐老化和行车较为安全等优点;AC型 混合料主要

吸水层及沥靑的应力吸收膜等，可以避免渗水及反射裂缝出

3)COE厚度计算法。该方法来自美国，是种经验型的厚 度设计，设计公式是h = A( Fhl - cbh2)，F是控制原有加铺 层裂缝的发展系数，hi是依照现有的地基承载能力与未来 的交通流M，A为2. 5，是混凝土厚度及沥青层厚当量的转换 系数，h2是原有混凝土面以的厚度。5.2对加铺厚度的规定分析

沥青混凝土加铺U厚度设计方法是桉经验选定沥青加 铺层后，根据我国JTGD40—2002《公路水泥混凝土路面设计 规范》的要求，控制水泥混凝土下面层的车辆荷载疲劳弯拉 应力和温度疲劳弯拉应力之和不超过水泥混凝土板的弯拉 强度为标准，本案例中规范设计出来的厚度是1〇 cm,主要是 考虑到减缓反射裂缝的需要，而增加沥青加铺层厚度对于减 缓反射裂缝的作用非常有限，通常情况下靠增加加铺层厚度 来消除反射裂缝不经济，更不现实&

AK型混合料基础上改进而来，其优点是表面

层致密性较好，粗糙程度均匀，其缺点就是行车不够安全，抗 滑性不好，多雨地域不宜采用w橡胶型混合料能有效降低公 路反射裂缝的出现，是上层混合料较好的选择。其中间U最 好采用SBS改性的沥青来提高抗车辙的能力，中下层的混合 料一般选择较为密实的骨架级配，增加热稳性及水稳性。

4加铺层结构设计的主要模式

加铺以结构设计的主要模式分为:功能性加铺罩面层、

中间夹层加铺体系、增设补强层设计模式5功能性罩面模式 根据原路面状况采取直接罩面的方式进行，但前提是必须保 证其具有足够的承载能力，并能恢复表面功能w;1 h司夹W 加铺模式通过加铺沥ttw，吸收和改善载荷和温度作用下层 间的应力峰值，缓解和吸收竖向和水平方向的变形，起到防 止扩展裂缝的作用，从而起到防水、隔离的作用，延长路面使 用寿命和恢复路面使用性能;增设补强层模式主要在原水泥 路面承载力不足的情况下进行，对结构进行加铺补强，使其 恢复功能，从而达到设计要求#

6结束语

随着公路交通运输压力的增大，我国一直在加强公路建

5加铺结构厚度研究

根据不同公路的设计年限、设计等级、现路面状况和交

设，改建原有公路。目前，我国原有公路多为沥ft混凝土路 面，多数接近或者超了设计年限，加之当前超载现象较多，公 路路面出现了不同程度的损坏，对这些路面进行加铺层结构 设计十分有必要。进行加铺层结构设计的时候，要综合考虑 公路路面情况、交通状况、气候条件及地质问题等，以确定公 路加铺层结构设计当中的材料选择及计算厚度选择科学、合 理，从而确保公路加铺层的工程质量。

参考文献：

[1]

通通过量等，加铺面层一般采用一层加铺和两层加铺两种模 式，如果旧的水泥路的路况为交通U

t等时，其加铺层结构

设计一般为一层加铺;如果旧的水泥的路况等级不高且交通 量较大时，其加铺层结构设计一般采取两层加铺。5.1加铺层厚度的计算方法

[ID: 003896 ]

1) 沥青学会法。该计算方法来自美国，其认为沥青路面

[].城市建设理论研究，2013，3 (2) : 101 - 102.

加铺层的裂纹主要来自水平方向的热胀冷缩，在结构设计 时，水平应力大于垂直应力，计算方法是依照单轴荷载为80

尉园园川日水泥混凝土路面沥青加讪层结构设计方法研究

J

[2] 张海兵.，于明明；李小建.B水泥混凝土路面沥打加铺层结构kN，轮胎压强为0.552 MPa,后轴的间距为5 cm,

2012,29(3):54 -56.

2) ASSHTO的经验法。ASSHTO的经验法是依照等效结 设计[】].筑路机械与施工机械化，

[3] 颜学科.浅析公路沥青加铺层的结构设计[J].城市建设理论

构数来确定沥青面W厚度，罩面厚度要承受未来交通M所需

研究，2012,2(20) :35 -36.

要结构容M与原有混凝土路面结构容量函数。要依据公路

等级、交通量、投资状况及气候条件等情况，调整公路沥青的 面层，一般C级的公路加铺M结构厚度为10〜18 cm,其他等 级公路厚度为7〜10 cm,设长纤维的无纺聚酯土工布、应力(上接第63页）

连拱式基坑支护结构简化为一受均布荷载的无铰拱，均布荷 载的方向为垂直与支护结构与水、土的接触面，再计算出简 化的受力体系中的内力，则可以确定出简化计算单元中受力 较大的部位，均布荷载方向改变后，更符合实际工况。

2)由增量计算法计算出内力较大部位的每一施工过程 中支护结构产生的内力、变形量，叠加后即可求得最终施工 状态下作用在支护结构J：的内力、位移，由此计算出来的内 力和变形考虑了施工过程中支护结构的变形，计算出来的结 果更为精确。 [ID: 003745]

参考文献：

[]

[4] 刘壮.对公路沥

W加铺层结构设计的探讨[J].中国科技财富，

2011,14(4) ：54.

[J ].工业建筑，1995，29 (9) : 20 - 24.

[2] 潘泓，杨小珊，吴世明.拱形支护结构的内力、变形计算[].建

筑结构学报，2001，22(5) :92 -96.

[3]

J

赵利益，蔡伟铭.深基坑开挖三维弹塑性有限元分析[].上海

J

铁道大学学报自然科学版，1997，18(4) : 100 - 105.

[4] 刘维威.悬臂式连拱组合支护结构的三维有限元分析[

津:天津大学，2003.

[5]

杨光平.深基坑支护结构的实川计算方法及其应川[

D].天

M].北

京;地质出版社，2004.

[6]

熊巨华，裴健勇，杨敏.考虑桩顶冠梁效应的水泥土挡墙变形

计算方法[].岩土力#，\"9，2〇(1):84 - 86.

[7]

JI

李俊才，陈德文，罗美煜.连拱式组合拱结构在深基坑工程中

的应用

i

[J ].岩土力 T

，2004，25 (2) : 220 - 225.

陈德文.南京新世纪广场深基坑连拱式组合拱构支护设计

• 99 •