在前述的针对桩(墙)式支护结构计算中,均存在两个重要的假设:首先桩是刚性的,桩(墙)可以发生整体倾斜但自身弯曲变形影响忽略不计;其次,在基坑开挖过程中,土压力与墙体的变形没有关系。实际上,支护结构受力与变形密切相关,如支撑点采用内支撑时,支撑的刚度直接影响支撑结构和墙体的内力。因此,需要采用更为合理的计算方法来考虑变形与结构内力之间的关系,常用的方法有杆件有限元、弹性有限元等方法。这里介绍属于杆件有限元的弹性支点法。
弹性支点法将支护结构视为一承受水平荷载的弹性梁,利用弹性梁理论建立支护结构的计算模型,采用杆件有限元的理论进行求解。这里支挡结构作为弹性梁单元,用弹簧模拟坑内被动区土体作用力,被动区的土压力与桩的位移相关,这一点与文克勒地基梁假设类似。主动区的土压力按经典土压力理论计算。
图5-46 弹性支点法计算模型
(a)悬臂式支挡结构;(b)锚拉式支挡结构或支撑式支挡结构1—挡土构件;2—由锚杆或支撑简化而成的弹性支座;3—计算土反力的弹性支座
除了将被动区土体的作用假设为弹簧单元外,对于支点,如锚杆或内支撑,同样假设为不同水平刚度系数的弹簧单元。这样弹性支点法可以假设为如图5-46所示的结构模型。基坑开挖面以下地基为弹性地基,可以建立开挖面以上及开挖面以下的挠曲微分方程。
对于悬臂式支挡结构,按基坑底面将支挡结构分为上下两个部分,按弹性梁考虑,可建立起支挡结构的位移与受力之间的微分方程。
在基坑底面以上,支挡结构临空,无被动区土体作用,仅存在主动区的土压力:
在基坑底面以下,除了主动区的土压力外,将被动区的土体视作弹簧,按弹性地基梁的方法建立微分方程:
同样,对于设有锚杆或者支撑的支挡结构,基坑底面以下的假设及微分方程与悬臂结构一致,但是对于基坑底面以上,需要将锚杆或者支撑视为弹性支座。这样基坑底面以上的微分方程可写为:
式中:EI——支护结构计算宽度抗弯刚度;(www.xing528.com)
b0——土反力计算宽度(m);
ba——水平荷载计算宽度(m);
ps——作用在支挡结构上的土反力(kPa);
Fh——锚杆或内支撑对支挡结构计算宽度内的弹性支点水平反力(kN);
x——水平位移(m);
z——计算点距离支挡结构顶点的距离(m)。
其中土反力计算宽度为被动区能调动起来承担水平荷载的土体宽度,当支挡结构为桩且有间距时,土反力计算宽度大于桩的实际宽度且不大于桩中心间距。b0可根据表5-12求取,当计算b0大于桩的实际间距时,取桩的实际间距。而水平荷载计算宽度为每单体支挡结构所承担主动区土压力荷载分布宽度,对于一般排桩支护,直接取排桩的间距。地下连续墙的土反力计算宽度及水平荷载计算宽度可直接取包括接头的单幅墙宽度,也可取支撑或锚杆在水平方向分布间距的宽度。
表5-12 土反力计算宽度与水平荷载计算宽度的取值
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