非对称受力下咬合桩基防护的设计和计算方法与流程

本发明涉及拱座基坑支护中咬合桩和岩锚布设领域，特别是一种非对称受力下咬合桩基防护的设计和计算方法。

背景技术：

1、在现有技术中拱座基坑支护中咬合桩和岩锚布设时，使用的是常规的布设方案，虽然经过了计算，但是由于计算过程复杂，而且计算考虑的因素不够完善，会存在拱座基坑支护中咬合桩和岩锚布设后无法达到预想中支护结果的情况，为了解决这一问题，提供一种新的拱座基坑支护中咬合桩和岩锚布设计算方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种非对称受力下咬合桩基防护的设计和计算方法，解决现有拱座基坑支护中咬合桩和岩锚布设时由于计算过程复杂，而且计算考虑的因素不够完善，会存在拱座基坑支护中咬合桩和岩锚布设后无法达到预想中支护结果的问题。

2、为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种非对称受力下咬合桩基防护的设计和计算方法，包括如下步骤：a、计算参数和荷载组合；b、基于midas civil分析计算；c、基于midas gts nx分析计算；d、进行主要受力构件设计。

4、作为本发明的进一步优选，所述步骤a中的参数和荷载组合包括主要受力构件参数、主要岩土体计算参数、基坑顶部超载及桩嵌固段约束条件和荷载组合。

5、作为本发明的进一步优选，所述主要受力构件参数包括支护结构参数、混凝土力学参数和锚索力学参数。

6、作为本发明的进一步优选，所述基坑顶部超载及桩嵌固段约束条件又包括基坑顶部超载和桩嵌固段约束条件，对于一般施工区域内的基坑顶部超载计算方法为：考虑竖向施工荷载，由此产生的附加主动土压力根据《建筑基坑支护技术规程》jgj120-2012式3.4.2-1进行计算；对于塔吊基础区域内的基坑顶部超载计算方法为：由现场人员提供的基础底部反力（考虑塔吊自重及工作荷载），由此产生的附加主动土压力根据《建筑基坑支护技术规程》jgj120-2012式3.4.7-2进行计算；对于基坑顶部土体放坡区域的基坑顶部超载计算方法为：综合考虑坡体自重以及施工便道行车荷载根据《建筑基坑支护技术规程》jgj120-2012式3.4.8-1至3.4.8-4进行计算附加主动土压力；所述桩嵌固段约束条件具体为首先根据《建筑基坑支护技术规程》jgj120-2012第4.1.7条计算桩土反力计算宽度，再按照式4.1.5计算不同施工节段、不同深度处桩节点上的土弹簧刚度系数。

7、作为本发明的进一步优选，所述荷载组合包括水压力和土压力，所述水压力计算时不考虑自由水面形成的水压力，而是采取水土合算的方式，分别计算正常工况下、暴雨工况下的土压力；所述土压力包括近岸侧有限主动土压力和其余部位土压力，所述近岸侧有限主动土压力采用《建筑基坑工程技术规程》第3.5.2条计算，考虑基顶超载及放坡的影响，另外近沟侧还需参考土力学有限土压力相关内容，所述余部位土压力包括余部位基坑外侧主动土压力和各种工况下基坑内侧初始土压力，所述余部位基坑外侧主动土压力根据《建筑基坑工程技术规程》第3.4.2条以及第4.1.4条进行计算，所述各种工况下基坑内侧初始土压力根据《建筑基坑工程技术规程》第4.1.4条计算。

8、作为本发明的进一步优选，所述步骤b中基于midas civil分析计算包括如下步骤：b1、基于midascivil的计算模型简化；b2、基于midas civil的计算单元类型及边界条件；b3、采用有限元计算程序midascivil 2022进行建模计算；b4、输出计算结果。

9、用有限元计算程序midas civil 2022进行建模时所建模型由咬合桩荤桩（1d梁单元）、咬合桩素桩（仅受压桁架单元）、冠梁（1d梁单元）、锚索（索单元）组成，其中咬合桩素桩未配筋，仅作环向压力传递之用因此采用仅受压桁架单元模拟，建模计算时将土压力施加到荤桩上，素桩在模型中不直接承受土压力，还需要将土弹簧刚度系数（分工况）施加到荤桩入土嵌固段，该处输出计算结果具体包括模型位移分布情况、咬合桩受力情况、冠梁受力情况、咬合桩素桩受力情况和锚索受力情况，锚索受力情况又包括了锚索基本计算参数、锚索抗拔承载力验算和锚索抗拉承载力验算，由于暴雨工况下支护结构位移更大，支护结构受力更大，因此只列出暴雨工况下主要计算项目结果。

10、作为本发明的进一步优选，所述基于midas civil的计算模型简化具体为：开挖至承台底标高，基坑计算深度最大，为最不利工况；咬合桩荤桩采用梁单元模拟，咬合桩素桩仅考虑其在水平面的力学行为，自上而下每隔1m设置一道横向仅受压桁架单元连接荤桩，冠梁以梁单元建立，锚索单元采用索单元建立，施加相应预加力；将计算宽度为荤桩中心距的环向土压力施加于荤桩梁单元上，素桩不承受土压力；近岸侧土压力计算暂按《建筑基坑技术规程》第3.4.2条，考虑了基顶超载和放坡土体的影响；近沟侧土压力按照有限范围土压力进行计算；采用m法计算得到嵌固深度范围内土体的弹簧刚度系数，施加在荤桩上；分析计算时将施工过程简化为五个工况，分别是开挖至-3.0m、施工第一排锚索、开挖至-8.0m、施工第二排锚索、开挖至-14.75m的基底；所述基于midas civil的计算单元类型及边界条件中的计算单元类型具体为咬合桩（荤桩）、冠梁均采用梁单元建立，咬合桩（素桩）采用仅受压桁架单元建立，自上而下每隔1m设置一道仅受压桁架单元连接荤桩，锚索单元采用索单元建立；所述定义计算单元类型及边界条件中的边界条件具体为咬合桩荤桩与素桩节点耦合，咬合桩荤桩与冠梁节点耦合，土弹簧通过对荤桩嵌固段节点施加弹性约束来实现；锚索锚固段末端节点施加位移约束（dx、dy、dz）；荤桩底部节点施加位移约束（dz）。

11、作为本发明的进一步优选，所述步骤c中基于midas gts nx分析计算包括如下步骤：c1、基于midas gts nx的计算模型简化；c2、基于midas gts nx的计算单元类型及边界条件；c3、采用midas gts nx进行建模计算；c4、输出计算结果。

12、该处输出计算结果具体包括整体模型顺桥向位移情况、地连墙支护结构顺桥向位移情况、地连墙支护结构横桥向位移情况、地连墙支护结构x向弯矩分布情况、地连墙支护结构y向弯矩分布情况、锚索轴力分布情况、基坑周边结构顺桥向位移分布情况，由于暴雨工况下支护结构位移更大，支护结构受力更大，因此仅需列出暴雨工况下主要计算项目结果。

13、作为本发明的进一步优选，所述基于midas gts nx的计算模型简化具体为：将沿桥轴线的地勘剖面图所揭露的地层进行平面扩展，忽略地层沿横桥向的变化；基坑顶部近山侧边坡按最大高度考虑，忽略地形起伏；在近山侧方向的模型边界，扩展至相应墩桩基后一侧边坡，距离基坑距离超过3倍开挖深度，模型下边界扩展至中风化粉砂岩；咬合桩支护模型根据刚度等效原则，简化为等厚度各向同性“地连墙”结构；所述基midasgts nx的计算单元类型及边界条件具体为按照地勘揭露地层，分别定义了松散碎石③1、稍密碎石③2、中密碎石③3、卵石④、强风化粉砂岩⑩1、中风化粉砂岩⑩2，均采用摩尔库伦本构、以三维实体单元建立；咬合桩按照上述原则等效为“地连墙”，采用板单元建立；咬合桩冠梁采用梁单元建立；锚索采用桁架单元和植入式桁架单元建立；抗滑桩（冠梁）、相应墩桩基采用植入式梁单元建立，相应墩桩基承台采用板单元建立；对模型近山侧边界施加dx位移约束，对模型顺桥向两侧边界施加dy位移约束，对模型底部边界施加dx、dy、dz约束；模型统一考虑自重荷载，在出图区域对应的土体单元自由面上施加40kpa的压力荷载，对于每一根锚索施加300kn的预加力；根据施工流程，建立了相应的施工步骤。

14、作为本发明的进一步优选，所述主要受力构件设计包括设计内力值、咬合桩荤桩截面配筋设计和冠梁截面配筋设计。

15、本项目方案适合下承式拱桥，主墩拱座采用箱型基础，基础施工采用咬合桩支护，顺做法施工，咬合桩采用一荤一素布置（跳桩布置钢筋），主要承受土压力，基坑支护结构平面上呈圆形，具有显著的空间效应，较之方形基坑具有刚度大、变形小、支护结构受环向压力为主的特点，经过计算后布设方案在近山侧施打锚索能以减少支护结构受力，并控制结构位移，能使得整体结构稳定性更好，工程质量高。与现有技术相比，本发明至少能达到以下有益效果中的一项：

16、1、该计算布设方案简单，考虑的比较完善，因此计算结果准确，做出拱座基坑支护中咬合桩和岩锚布设后，稳定性强。

17、2、本项目方案适合下承式拱桥，主墩拱座采用箱型基础，基础施工采用咬合桩支护，顺做法施工，咬合桩采用一荤一素布置（跳桩布置钢筋），主要承受土压力，基坑支护结构平面上呈圆形，具有显著的空间效应，较之方形基坑具有刚度大、变形小、支护结构受环向压力为主的特点，经过计算后布设方案在近山侧施打锚索能以减少支护结构受力，并控制结构位移，能使得整体结构稳定性更好，工程质量高。

18、3、用有限元计算程序midas civil 2022进行建模时所建模型由咬合桩荤桩（1d梁单元）、咬合桩素桩（仅受压桁架单元）、冠梁（1d梁单元）、锚索（索单元）组成，其中咬合桩素桩未配筋，仅作环向压力传递之用因此采用仅受压桁架单元模拟，建模计算时将土压力施加到荤桩上，素桩在模型中不直接承受土压力，还需要将土弹簧刚度系数（分工况）施加到荤桩入土嵌固段，该处输出计算结果具体包括模型位移分布情况、咬合桩受力情况、冠梁受力情况、咬合桩素桩受力情况和锚索受力情况，锚索受力情况又包括了锚索基本计算参数、锚索抗拔承载力验算和锚索抗拉承载力验算，由于暴雨工况下支护结构位移更大，支护结构受力更大，因此只列出暴雨工况下主要计算项目结果。

19、4、步骤c中基于midas gts nx分析计算时输出计算结果具体包括整体模型顺桥向位移情况、地连墙支护结构顺桥向位移情况、地连墙支护结构横桥向位移情况、地连墙支护结构x向弯矩分布情况、地连墙支护结构y向弯矩分布情况、锚索轴力分布情况、基坑周边结构顺桥向位移分布情况，由于暴雨工况下支护结构位移更大，支护结构受力更大，因此仅需列出暴雨工况下主要计算项目结果。