深基坑土钉墙支护稳定性分析方法的改进及其设计软件的开发.PDF

文章编号 10002588920050620123204 深基坑土钉墙支护稳定性分析方法的 改进及其设计软件的开发 朱彦鹏,李 忠 兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730050 摘要在考虑土钉作用的情况下,对土钉墙支护边坡整体稳定性分析方法进行了改进,推导了圆弧圆心与安全系数 之间的函数表达式,并借助计算机确定了滑移面圆心所在区域,利用网格法对最危险滑移面的圆心进行动态搜索. 利用Visual C 开发了基坑土钉支护设计软件,实现了土钉抗拉承载力的计算,并对各个开挖阶段土钉墙支护 边坡整体稳定性进行实时分析.结合工程实例,进一步分析和讨论了土钉墙设计中存在的问题、 适用条件及影响因 素等,得知最危险滑移面的圆心位置随土钉设计参数的变化而动态变化,故不同开挖阶段整体稳定性验算必不可 少;对于地质条件较差的情况,应借助现场测试及工程经验指导设计和施工. 关键词土钉墙;稳定性;圆弧条分法;滑移面;软件开发 中图分类号 TU47 ; TU311. 41 文献标识码 A Improvement on analytical for supporting stability of soil2nailed wall in foundation excavations and its design software development ZHU Yan2peng , LI Zhong College of Civil Engineering , Lanzhou Univ. of Tech. , Lanzhou 730050 , China Abstract Taking into consideration of soil nailing effects ,stability analysis of soil2sailed wall was improved ,and the dependence of safety coefficient on the center of arc slip surface was derived. The exist2 ence region of this arc center was determined with the help of the computer ,and the center of the most dan2 gerous arc slip surface was searched dynamically with the of lattice. Using Visual C ,a design software for soil2nailed wall in foundation excavation was developed. Bearing capacity of soil nailing was calculated ,and the stability of soil2sailed wall at every excavation stage was analyzed real2timely. One engi2 neering project was designed and analyzed with this software ,and some problems existing in the design of soil2nailed wall were further discussed and analyzed. With the change of soil nailing parameter ,the center of the most dangerous arc slip surface changes dynamically ,so that the check calculation of stability is inevita2 ble at every excavation stage. For the situation of bad geology ,the design and construction of soil nailing must be guided by on2the2spot test and engineering experience. Key words soil2nailing wall ; stability ; arc2strip division ; slip surface ; software development 通常的土钉墙设计计算量较大,故设计人员往 往将土层参数简化,对其稳定性分析不够,导致工程 事故.现行的基坑支护技术规程[1]中只给出了基本 的设计方法,给设计人员带来很多困难[2 ,3].石林 珂[4]等虽对此问题进行了探讨和研究,但对于圆弧 滑移面圆心所在的区域仍未确定.张明聚[5]等提出 收稿日期 2004212231 基金项目甘肃省科技攻关项目 GK9742调2 9 作者简介朱彦鹏19602 , 男,甘肃宁县人,教授,博导. 用几何控制参数确定最危险滑动面的计算机算法, 但计算速度相对较慢.为了便于开发相应的设计软 件,本文对土钉墙整体稳定性分析方法进行了改进, 推导了圆弧圆心与安全系数之间的函数表达式,通 过计算机确定了滑移面圆心所在的区域,并利用网 格法对最危险滑移面的圆心进行动态搜索,对各个 开挖阶段土钉墙整体稳定性进行实时分析与验算, 最后采用面向对象的方法,编写了上述算法方法类, 开发了方便、 快捷的基坑土钉支护设计软件. 第31卷第6期 2005年12月 兰 州 理 工 大 学 学 报 Journal of Lanzhou University of Technology Vol. 31No. 6 Dec. 2005 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1 土钉墙设计方法及土钉墙类 土钉墙的设计主要包括[1]支护结构荷载计算、 土钉抗拉承载力计算、 土钉墙整体稳定性验算、 构 造、 施工与检测.前三者为设计中主要问题,后两者 属后期工作. 1. 1 支护结构荷载的计算及类的实现 作用在支护结构上的荷载计算主要包括水平荷 载标准值和水平抗力标准值的计算,主要的计算原 理及公式参见文[1].荷载计算类实现如下 class CLoadCalculate / /定义荷载计算类 { private float m_J Khigh ; / /基坑深度 float m_q0 ; / /支护外侧地面作用满布附加荷载 float m_b1 ; / /条形附加荷载与支护结构的距离 ⋯ public int Get TotalLayerNumber {return m_ TotalLay2 erNumber ;} / /获取土层层数 void AddSoilParameter CSoilLayer / /添加土层参数 double Get Kaiint fai ; / /主动土压力系数 ⋯} 1. 2 土钉墙的计算及类的实现 土钉墙的计算主要包括土钉抗拉承载力计算和 土钉墙整体稳定性验算[1].为了便于计算机程序的 实现,对整体稳定性分析的改进见图1.建立直角坐 标系,o′-x′,-z′为圆心位置 , o 0,0为坐标原 点,矩形区域oCD E为圆弧圆心o′ 所在的区域.在考 虑土钉作用的影响下,圆心位置随着设计参数的变 化呈动态变化.最危险滑移面的确定必须借助于计 算机搜索,以确定圆弧的圆心位置.根据支护结构上 作用土压力[6 ,7]的分布以及基坑地质状况,整体稳 定性分析的改进主要包括 图1 稳定性分析 Fig. 1 Schematic diagram of stability analysis 1 假定 1圆弧上任意点切线与水平面夹角介于0～ 90,即假定圆心出现在直线oC右侧和直线oE下方 的可能性近似为零. 2最危险滑移面圆弧通过基坑底面角点A. 2关键变量 1圆弧半径 如图1所示, o′ 为圆弧滑移面的圆心, o为基坑 顶面角点,根据假定2可知,圆弧半径为o′A .以o 点为原点,令o′ 点相对坐标为-x′,-′z ,得R x ′ 2 H z′ 2 . 2圆弧上任意点处切线与水平面夹角 如图2所示,圆弧上任意点M xi, zi处切线与 水平面夹角为θi,即 ∠o′M N ,由此得 sinθi x′ xi R , θ arcsin x′ xi R cosθi z′ zi R , θ arccos z′ zi R 图2 切线与水平面夹角的计算简图 Fig. 2 Schematic diagram of computation of angular between tangent and horizontal plane 3土钉在圆弧面外穿越土体的长度 如图3所示,第j根土钉与圆弧交点为C xj, zj Δzj , lf j为圆弧内土钉长度, lnj为土钉在圆弧外 长度,则土钉的总长为 图3 土钉在圆弧面内外长度的计算简图 Fig. 3 Schematic diagram of computation of soil nailing length on hoth sides arc surface 421 兰州理工大学学报 第31卷 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. lj lfj lnj1 由于C点在圆弧上,则必有 x ′ xj 2 z′ zjΔzj 2 R22 xjΔxj lfjcosαj3 Δxj H - zjtan90-β4 Δzj lfjsinαj5 式中H为开挖深度;β为土钉坡面与水平面的夹 角; zj为第j根土钉头部到地面的距离;αj为第j根 土钉头与水平面的夹角;均为已知. 采用迭代的方法,设计定步长Δlfj,初始长度 设计为零,则在第n次迭代时有 lfj nΔlfj6 由此,将式 2 ～ 5 代入式6中,当满足圆弧方程时, 可求得土钉在圆弧内长度lfj,给定后即可由式1 求得lnj为土钉在圆弧外长度. 4条分土重量 如图4所示,第i条分重度为 k 1- H - xi tan90-β zi H - xi tan90-β 0 1 H - xi tan90-β 0 ziR2- x′ xi 2 - z′, wi kzibisγ 式中k为在土钉坡面内条分土重量计算系数; zi为 第i条带底部中点至原点竖向距离; xi为第i条带 顶部中点至原点的水平距离;β为土钉坡面与水平 面夹角;bi为第i条分宽度; wi为第i条分土重. 3 确定最危险滑移面圆心 通过确定上述关键变量,再给定圆心,可求得该 圆弧所对应安全系数K,在考虑土钉作用的影响 下,计算公式为[1] K ∑ n i 1 cikLis s∑ n i 1 w i q0bicosθitanφik sγ0 ∑ n i 1 w i q0bisinθi ∑ m j 1 Tnjcosαjθj 1 2 sinαjθjtanφjk sγ0 ∑ n i 1 w i q0bisinθi 如图1中所示,矩形oCD E为圆心所在区域,如 此可以利用网格法在区域内给定nn个圆心 n 为 网格划分数 , 从中寻找使得安全系数最小者即为最 危险滑移面圆心.因此,矩形oCD E区的范围必须 足够大,以保证求得最危险滑移面的准确性.通过在 程序中不断调解区域的大小发现,当矩形oCD E为 2HH时,在土体参数及开挖深度变化的情况下, 图4 第i条分土重的计算简图 Fig. 4 Schematic diagram of soil weight computation i2strip 搜索得到的圆心都在此区域内部,位置关系见图1. 4 土钉墙计算类 class CSoilNailingWall / /定义土钉墙类 {private float m_gama ; / /重要性系数 float m_z1 ; / /第1根土钉顶面的距离 float m_Szj ; / /第j根土钉与相邻土钉的平均垂直 间距 ⋯ public CSoilNailingWall ; / /构造函数 void GetLoad CLoadCalculate 3 Load ; / /获取荷 载信息 float 3 SearchCirCenterint nPart ,float H ;/ /圆 心搜索 float GetSafeCoefficient float hi ; / /得到安全系数 ⋯} 2 软件的开发 该软件的开发以面向对象的程序设计语言 Visual C 6. 0为平台[8],基于MFC和上述自编 计算类,实现了界面友好、 操作简便、 计算快捷的人 机交互式土钉墙辅助设计.主要特点在于采用了面 向对象的程序设计方法,抽象了土钉墙设计与分析 类,利用MFC类库方便地建立了面向对象的窗口 图形化界面以及土钉墙设计与分析的程序体系. 根据文[1 ,2]中土钉墙的设计方法及过程[9 ,10], 该软件的主要功能及组织见图5. 3 工程应用 兰州某大厦深基坑支护[11],基坑开挖深度10 m ,土体参数见表1 ,地表满布荷载10 kN/ m2,采用 土钉墙支护的方法,土钉坡面与水平面夹角为80, 521第6期 朱彦鹏等深基坑土钉墙支护稳定性分析方法的改进及其设计软件的开发 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 图5 软件的主要功能及组织 Fig. 5 Main function and structure of softw are 表1 土层参数 Tab. 1 Soil parameters 土层 序号 土层 名称 土层厚 度/ m 内摩擦 角φ / 粘聚力 c/ kPa 重度γ/ kN m- 3 极限摩阻力 qisk/ kPa 1杂填土2. 5211116. 550 2黄土6. 0261616. 850 3红砂岩10. 037817. 5120 基坑重要性系数取1. 0 ,安全系数取1. 3. 1 进行单个土钉承载力计算,再进行土钉墙整 体稳定性验算,计算结果见表2. 表2 钉墙设计结果 Tab. 2 Design results of soil2nailed wall 土钉 层号 水平 间距 / m 垂直 间距 / m 土钉与 水平面 夹角 / 锚固体 直径 / mm 钢筋 直径 / mm 土钉 长度1 / m 土钉 长度2 / m 土钉 长度3 / m 11. 52. 010100254. 47.09. 0 21. 51. 510100254. 07.09. 0 31. 51. 510100254. 77.010. 0 41. 51. 510100255. 47.510. 0 51. 51. 510100284. 27.59. 0 61. 51. 510100323. 46.59. 0 注土钉长度1为承载力计算,土钉长度2为稳定性验算,土钉长 度3为各开挖阶段稳定性验算. 2 由表2中设计参数,按开挖高度的不同分五 个阶段进行稳定性验算,分别以表2中土钉长度2、 土钉长度3两组参数为验算参数,结果见表3.在第 一组情况下,第III、IV阶段的安全系数均小于1. 3 , 稳定性不满足要求;在第二组情况下,各阶段安全系 数均大于1. 3 ,稳定性满足.另外,由表3可见,最危 表3 各开挖阶段稳定性验算结果 Tab. 3 Check of stability at every excavation stage 阶 段 深度 / m 安全 系数1 圆心坐标1 xz 安全 系数2 圆心坐标2 xz I4. 91. 42- 8. 62- 4. 701. 66- 7. 06- 4. 90 II6. 41. 34- 7. 68- 3. 971. 60- 8. 70- 5. 50 III7. 91. 23- 9. 80- 3. 801. 52- 15. 20- 7. 74 IV9. 41. 08- 8. 65- 0. 381. 32- 8. 65- 0. 38 V10. 01. 31- 16. 00- 9. 801. 55- 13. 20- 9. 32 险滑移面圆心随着设计参数的变化而动态变化. 4 结论 1 通过对土钉墙整体稳定性分析的改进,建立 了圆弧圆心与安全系数之间的函数关系,使得程序 的开发条理清楚,算法简单,实现了对最危险滑移面 的圆心进行动态搜索,对各个开挖阶段土钉墙整体 稳定性进行实时分析与验算. 2 采用面向对象编程思想,容易地将工程设计 中的问题高度抽象,使得程序设计灵活、 可理解性 强. 3 在确定最危险滑移面中所述的两条假定,适 用于地质条件较好的地区,特别适用于下部土层条 件好于上部土层的情况;对于地质条件不好的情况, 搜索滑移面可能有漏选的情况,设计中可根据经验 判断. 4 由计算机动态搜索确定圆心所在区域,这与 以往凭借经验公式相比,在程序中易实现,并且能够 保证搜索的速度和准确性. 5 在考虑土钉作用的情况下,最危险滑移面随 土钉墙设计参数动态变化.因此,设定动态的圆心搜 索区域,更具有合理性. 参考文献 [1] J GJ12099 ,中华人民共和国行业标准[S]. 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