一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法与流程

本发明涉及轨道交通工程，尤其涉及一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法。

背景技术：

1、管幕(棚)法是在车站或隧道结构上部外围土层中，预先顶进钢管，然后设置钢管间连接或改变相邻钢管间构造的方式，形成一个具有能抵御上部荷载的超前支护体系，从而减小下部结构施工对周围土体与既有建构筑物的扰动，同时该方法能够有效控制地表沉降。受下部土体开挖扰动影响，因管幕(棚)与土体刚度不同，导致土体位移不均匀和应力重分布，开挖区域内土体将上方荷载转化为压应力，并将压应力传递至两侧拱脚，形成微型土拱。

2、微型土拱承载能力的大小直接影响到管幕(棚)间土体沉降，进而对地表沉降产生影响。在土拱形成原因、土拱形状方面，认为土拱沿土体最大主应力线发展，一般呈现出抛物线或悬挂线等形状，但是对土拱的受力形态，在地层中的影响范围方面研究的比较少，尚未形成准确的理论模型对其进行解析，土拱的承载性能常常被忽略，由此导致理论研究或工程实践中对于土压力的估算不够精确，也会造成地下工程设计中结构尺寸设计过大等现象。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，通过建立多层抛物拱理论模型，求得土拱松动土压力数值，能够获得精确的土压力，提高地下工程结构尺寸设计的精准度。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、本发明的实施例提供了一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，包括：

4、计算松动区内任意x处侧向土压力系数，得到下层土拱x水平向上任意一点处与土拱边缘拱脚处竖向应力的关系式；

5、考虑土体粘聚力对土拱效应的影响，利用太沙基松动土压力模型，对抛物线状土体微分，得到下层拱松动土压力的计算公式；

6、将最下层拱等效为三铰拱模型，确定土拱的拱高及最上层拱的位置，计算土拱的影响深度及拱顶处松动土压力数值。

7、作为进一步的实现方式，根据拱区上方松动土在土拱边缘拱脚位置处的土压力，确定土体内部侧向土压力系数和被动土压力系数；基于土体内部被动土压力系数相等，确定松动区内任意x处侧向土压力系数。

8、作为进一步的实现方式，下层土拱x水平向上任意一点处竖向应力与土拱边缘拱脚处竖向应力的关系式：

9、

10、其中，表示土体内摩擦角，ψ表示x处大主应力方向与竖向方向的夹角，kp表示被动土压力系数。

11、作为进一步的实现方式，考虑粘聚力с对土拱效应的影响，将粘性土的摩尔应力圆向左平移一定距离得到新坐标系τcoσc，得到两坐标系间的关系：

12、τc＝τ；

13、其中，σc为考虑粘聚力下的切应力，τc为考虑粘聚力下的剪应力；

14、将两坐标系间的关系代入下层土拱x水平向上任意一点与土拱边缘拱脚处竖向应力的关系式中，得到粘性土条件下各部分土体应力关系。

15、作为进一步的实现方式，基于土拱的对称特性，设置土拱抛物状轨迹方程为：

16、

17、其中，f为下层拱拱高，x为任意点到拱脚的距离，l为土拱的跨度。

18、作为进一步的实现方式，对下层抛物状土体微分：

19、

20、其中，γ为土层平均重度，s为土拱弧长，为平均土压力。

21、作为进一步的实现方式，将最下层拱等效为三铰拱模型，设置钢管侧摩阻力能够为最下层土拱提供稳定支撑，求出最下层土拱高跨比。

22、作为进一步的实现方式，最下层土拱高跨比为：

23、

24、其中，f为下层拱拱高，l为土拱的跨度。

25、作为进一步的实现方式，将压力曲线拐点位置作为最上层土拱的位置，拐点以上区域内土体受力按土柱理论计算，最上层土拱的深度为h0，拐点以下即土拱范围内土体按照松动土压力计算，在拐点处得到则土拱的影响范围为h-h0；

26、其中，h为隧道顶部距地表的距离。

27、作为进一步的实现方式，平均松动土压力公式为：

28、

29、其中，

30、

31、γ为土层平均重度，s为土拱弧长，c为粘聚力，为土体内摩擦角，kb为侧向土压力系数。

32、本发明的有益效果如下：

33、本发明通过获取土体的地质参数(粘聚力、内摩擦角)，确定粘聚力影响下各部分土体应力关系，依托太沙基松动土压力模型，对抛物线状土体微分得到下层拱松动土压力的计算公式；同时，提供了拱高的确定方法、土拱的影响深度及拱顶处松动土压力计算方法；即，通过建立多层抛物拱理论模型，求得土拱松动土压力数值，为管幕(棚)设计提供理论依据，提高地下工程结构尺寸设计的精准度。

技术特征：

1.一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，根据拱区上方松动土在土拱边缘拱脚位置处的土压力，确定土体内部侧向土压力系数和被动土压力系数；基于土体内部被动土压力系数相等，确定松动区内任意x处侧向土压力系数。

3.根据权利要求1或2所述的一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，下层土拱x水平向上任意一点处竖向应力与土拱边缘拱脚处竖向应力的关系式：

4.根据权利要求1所述的一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，考虑粘聚力с对土拱效应的影响，将粘性土的摩尔应力圆向左平移一定距离得到新坐标系τcoσc，得到两坐标系间的关系：

5.根据权利要求1或4所述的一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，基于土拱的对称特性，设置土拱抛物状轨迹方程为：

6.根据权利要求5所述的一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，对下层抛物状土体微分：

7.根据权利要求1所述的一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，将最下层拱等效为三铰拱模型，设置钢管侧摩阻力能够为最下层土拱提供稳定支撑，求出最下层土拱高跨比。

8.根据权利要求7所述的一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，最下层土拱高跨比为：

9.根据权利要求7或8所述的一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，将压力曲线拐点位置作为最上层土拱的位置，拐点以上区域内土体受力按土柱理论计算，最上层土拱的深度为h0，拐点以下即土拱范围内土体按照松动土压力计算，在拐点处得到则土拱的影响范围为h-h0；

10.根据权利要求9所述的一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，其特征在于，平均松动土压力公式为：

技术总结
本发明公开了一种管幕或管棚承载松动土压力计算方法，涉及轨道交通工程技术领域，包括：计算松动区内任意x处侧向土压力系数，得到下层土拱x水平向上任意一点处与土拱边缘拱脚处竖向应力的关系式；考虑土体粘聚力对土拱效应的影响，利用太沙基松动土压力模型，对抛物线状土体微分，得到下层拱松动土压力的计算公式；将最下层拱等效为三铰拱模型，确定土拱的拱高及最上层拱的位置，计算土拱的影响深度及拱顶处松动土压力数值。本发明通过建立多层抛物拱理论模型，求得土拱松动土压力数值，能够获得精确的土压力，提高地下工程结构尺寸设计的精准度。

技术研发人员：何志伟,刘朝阳,李树良,魏元津,杨侠,毕元甲,吴圣智,李勋,梁尔斌
受保护的技术使用者：中铁十四局集团隧道工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14