一种土岩结合基坑支护桩嵌岩深度计算方法与流程

1.本发明涉及一种土岩结合基坑支护桩嵌岩深度计算方法，属土建工程技术领域。


背景技术：

2.随着我国地下空间开发利用程度越来越高，与之配套的基坑工程朝着“深、大、险、重”方向发展，上部为土层、下部为中风化、微风化或新鲜基岩的土岩结合基坑工程大量存在。在土岩结合基坑工程中，支护结构对于基坑开挖的稳定性起到了重要作用，而在确定基坑支护桩的嵌岩深度时，通常将下部岩层视为土层进行计算，未充分考虑基岩的嵌固效应，导致支护桩的嵌岩深度过长，造成不必要的资源浪费。
3.因此，对于土岩结合基坑的支护桩嵌岩深度，进行合理的分析计算，找到一种同时满足安全性和经济性的支护桩嵌岩深度计算方法，是一个很现实的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种土岩结合基坑支护桩嵌岩深度计算方法，通过考虑基岩的嵌固效应对支护桩进行受力分析，合理确定支护桩的嵌岩深度，减少支挡成本，避免资源浪费。
5.为了达到上述技术目的，本发明提供了一种土岩结合基坑支护桩嵌岩深度计算方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：
6.步骤一：确定土岩结合基坑围护剖面及土层、岩层的剖面参数，包括基坑深度h，土层的厚度h、土体的容重γ，土体的粘聚力c，土体的内摩擦角主动土压力系数被动土压力系数岩体的容重γ
′
，岩体的单轴抗压强度σc，岩体的单轴抗拉强度σ
t
，岩体的弹性模量er，岩体的泊松比vr，支护桩的桩径d，桩体的弹性模量ee；在土岩结合基坑的基坑深度h小于或等于土层厚度h时，按照以下计算过程对土岩结合基坑的支护桩嵌岩深度进行计算，以下计算公式均采用上述参数进行计算；
7.步骤二：对基岩面以上桩体进行受力分析，利用悬臂桩计算方法，求解基岩面上桩体的弯矩m和剪力v：
8.[0009][0010]
步骤三：确定嵌岩段桩侧岩体对单位桩长的反力强度；根据hoek-brown岩体强度准则，临界深度以下桩侧岩体对单位桩长的反力强度q为：
[0011][0012]
公式
③
中的临界深度l由以下公式计算得到：
[0013][0014]
将式
④
代入式
③
可得：
[0015][0016]
步骤四：对基岩面以下桩体进行受力分析，由力和力矩的平衡条件求解支护桩嵌岩深度z：
[0017][0018]
将步骤二中计算的基岩面上桩体的弯矩m和剪力v，步骤三中计算的临界深度以下桩侧岩体对单位桩长的反力强度q代入公式
⑥
中计算出支护桩嵌岩深度z；其中，v＞0时，
±
取+；当v＜0时，
±
取﹣。
[0019]
本发明进一步的技术方案：所述步骤一中土岩结合基坑的基坑支护桩竖直，岩层为均质连续的单层岩体，包括中风化基岩、微风化基岩或新鲜基岩，土体表面水平，土体表面无上覆荷载，不考虑地下水的作用。
[0020]
本发明进一步的技术方案：所述步骤二中基岩面上桩体的弯矩m和剪力v的计算过程如下，利用悬臂桩计算方法，可得基岩面上桩体的弯矩m为：
[0021]
m＝ea·ha-e
p
·hp
ꢀꢀꢀ⑦
[0022]
基岩面上桩体的剪力v为：
[0023]
v＝e
p-eaꢀꢀꢀ⑧
[0024]
上述公式
⑦
和
⑧
中，桩侧主动土压力ea为：
[0025][0026]
ea在桩体上的作用点与基岩面的距离ha为：
[0027][0028]
桩侧被动土压力e
p
为：
[0029][0030]ep
在桩体上的作用点与基岩面的距离h
p
为：
[0031][0032]
将公式代入
⑦
中得到步骤二中的公式
①
；
[0033]
将公式
⑨
和代入
⑧
中得到步骤二中的公式
②
。
[0034]
本发明进一步的技术方案：所述步骤二中在临界深度范围内，桩侧岩体对单位桩长的反力强度随深度的增加而增大；超过临界深度时，桩侧岩体对单位桩长的反力强度保持不变。
[0035]
本发明进一步的技术方案：所述步骤四中对基岩面以下桩体进行受力分析，由力和力矩的平衡条件得到如下方程组：
[0036][0037]
并通过上述方程组解出支护桩嵌岩深度z的表达式。
[0038]
本发明从实际出发充分考虑基岩的嵌固效应，分别对基岩面上、下两部分桩体进行受力分析，建立方程，合理的推导出了土岩结合基坑支护桩嵌岩深度的计算公式，经济合理实用，具有很好的推广应用价值。
附图说明
[0039]
图1为本发明土岩结合基坑支护桩嵌岩深度计算流程图；
[0040]
图2为本发明中土岩结合基坑示意图；
[0041]
图3为本发明中基岩面以下桩体受力分析示意图。
[0042]
图中：1—基坑支护桩，2—地面，3—基坑底部。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。附图1至图3均为实施例的附图，采用简化的方式绘制，仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的目的。以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案，并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
本发明提供了一种土岩结合基坑支护桩嵌岩深度计算方法，其特征在于，具体包
括以下步骤：
[0045]
步骤一：确定基坑围护剖面及土层、岩层的剖面参数，包括基坑深度h，土层的厚度h、土体的容重γ，土体的粘聚力c，土体的内摩擦角主动土压力系数被动土压力系数岩体的容重γ
′
，岩体的单轴抗压强度σc，岩体的单轴抗拉强度σ
t
，岩体的弹性模量er，岩体的泊松比vr，支护桩的桩径d，桩体的弹性模量ee；以下计算过程中的均采用上述参数进行计算。判断土岩结合基坑的基坑深度h是否小于或等于土层厚度h，基坑支护桩竖直，岩层为均质连续的单层岩体，包括中风化基岩、微风化基岩或新鲜基岩；如果不符合上述要求，不适用于该工况；符合上述要求，进行以下计算。
[0046]
步骤二：对基岩面以上桩体进行受力分析，利用悬臂桩计算方法，求解基岩面上桩体的弯矩和剪力；具体计算过程如下：
[0047]
首先，如图2计算出桩侧主动土压力ea为：
[0048][0049]
ea在桩体上的作用点与基岩面的距离ha为：
[0050][0051]
计算出桩侧被动土压力e
p
为：
[0052][0053]ep
在桩体上的作用点与基岩面的距离h
p
为：
[0054][0055]
利用悬臂桩计算方法，可得基岩面上桩体的弯矩m为：
[0056]
m＝ea·ha-e
p
·hp
ꢀꢀꢀ
(式5)
[0057]
将(式1)～(式4)代入(式5)可得：
[0058][0059]
利用悬臂桩计算方法，可得基岩面上桩体的剪力v为：
[0060]
v＝e
p-eaꢀꢀꢀ
(式7)
[0061]
将(式1)、(式3)代入(式7)可得：
[0062][0063]
步骤三：确定嵌岩段桩侧岩体对单位桩长的反力强度；在临界深度范围内，桩侧岩体对单位桩长的反力强度随深度的增加而增大；超过临界深度时，桩侧岩体对单位桩长的反力强度保持不变：
[0064]
根据嵌岩抗滑桩设计理论和方法确定临界深度l为：
[0065][0066]
其中，岩体等效剪切模量g
*
的计算公式：
[0067]
将(式10)带入(式9)得到临界深度l的计算公式：
[0068][0069]
根据hoek-brown岩体强度准则，临界深度以下桩侧岩体对单位桩长的反力强度q为：
[0070][0071]
将(式11)代入(式12)可得：
[0072][0073]
步骤四：对基岩面以下桩体进行受力分析，由力和力矩的平衡条件求解支护桩嵌岩深度：
[0074][0075]
根据方程组解出支护桩嵌岩深度z的表达式：
[0076][0077]
其中，v＞0时，
±
取+；当v＜0时，
±
取﹣；将基岩面上桩体的弯矩(式6)和剪力(式8)、临界深度以下桩侧岩体对单位桩长的反力强度(式13)代入(式14)中，计算出数值，即为适宜的支护桩嵌岩深度z。
[0078]
下面结合具体实施例对本发明进一步说明：在某省市土岩结合基坑工程中，基坑深度h＝6m，粘性土的厚度h＝9m，土体容重γ＝19kn/m3，土体粘聚力c＝20kn/m2，土体内摩
擦角主动土压力系数被动土压力系数岩体的容重γ
′
＝23kn/m3，岩体的单轴抗压强度σc＝30mpa，岩体的单轴抗拉强度σ
t
＝1.2mpa，岩体的弹性模量er＝90mpa，岩体的泊松比vr＝0.25；支护桩选用直径0.8m的钻孔灌注桩，桩体的弹性模量ee＝31.5gpa。
[0079]
取单位长度基坑剖面考虑；实施例中的基坑深度h＝6m小于粘性土的厚度h＝9m，可以按照上述计算方法实施例中支护桩嵌岩深度。将上述值代入上述(式6)中计算出基岩面上桩体的弯矩m：
[0080][0081]
将上述值代入上述(式8)计算出基岩面上桩体的剪力v为：
[0082][0083]
并根据hoek-brown岩体强度准则，按照(式13)计算临界深度以下桩侧岩体对单位桩长的反力强度q为：
[0084][0085]
然后对基岩面以下桩体进行受力分析，如图3所示，由力和力矩的平衡条件求解支护桩嵌岩深度：
[0086][0087]
根据方程组解出支护桩嵌岩深度z的表达式：
[0088][0089]
其中，v＞0时，
±
取+；当v＜0时，
±
取﹣。将计算出来的基岩面上桩体的弯矩m(191.06kn
·
m)和剪力v(23.30kn)、临界深度以下桩侧岩体对单位桩长的反力强度q(720.26kn/m)代入(式14)中，计算出支护桩嵌岩深度z为1.7m。
[0090]
本技术的发明人针对实施例采用将下部岩层视为土层的方式进行计算时，其计算组中的支护桩嵌岩深度的值为2.4m。与将下部岩层视为土层的计算方法相比，本实施例提供的一种土岩结合基坑支护桩嵌岩深度计算方法能够更准确的计算出支护桩嵌岩深度的大小，经济实用，具有很好的推广应用价值。
[0091]
以上所述，只是本发明的一个实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。