申请/专利权人：山东建筑大学;山东建大工程鉴定加固设计有限公司;中铁十四局集团有限公司

申请日：2023-07-18

公开（公告）日：2024-04-19

公开（公告）号：CN117057101B

主分类号：G06F30/20

分类号：G06F30/20;G06F30/13;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.19#授权;2023.12.01#实质审查的生效;2023.11.14#公开

摘要：本发明属于轨道交通工程技术领域，提供了一种既有地下结构上部增层施工安全评价方法及系统，发利用薄层单元法和滑楔体理论对土体进行三种破坏模式土压力计算，得到各破坏模式下地下结构侧墙所受横向荷载计算公式。该过程给出了对应破坏模式中，各深度下地下结构的侧向荷载，提供了明挖增层施工中既有地下结构侧墙荷载的计算方法。在得出地下结构侧向荷载后，可以依据计算结果对地下结构结构设计进行安全评价，可保证下部暗挖地下结构的安全。

主权项：1.一种既有地下结构上部增层施工安全评价方法，其特征在于，包括如下步骤：获取实际工况数据，基于实际工况数据确定地下结构的高度、围护结构与地下结构侧墙的距离和围护结构嵌入深度三项基本参数；基于地下结构的高度、围护结构与地下结构侧墙的距离和围护结构嵌入深度三项基本参数的关系，对地层模式进行判定，在每一个地层模式下，利用薄层单元法和滑楔体理论对有限土体进行土压力计算，确定围护结构各项参数、地层参数、围护结构与地下结构间的位置关系，得到三种模式下的不同深度下的荷载；其中，第一模式为土体滑裂面贯通破坏模式，第二模式为桩墙间三角形土体破坏模式，第三模式为桩墙间有限土体破坏模式；对地层模式进行判定，具体包括：若b≥H1tanθ，则按照第三模式地层破坏模式计算；若0≤b＜H1tanθ，则进一步考虑围护结构嵌入深度h的大小；若0＜h＜H1－btanθ，则按照第一模式地层破坏模式计算；若h≥H1－btanθ，则按照第二模式地层破坏模式计算；其中，H1为既有地下结构高度、b为围护结构与地下结构侧墙的距离、θ为滑裂面倾角；侧向土压力系数的关系式： 其中： 其中，为土体的内摩擦角，Ka为朗肯主动土压力系数，a为大主应力偏转角；将桩土摩擦角或墙土摩擦角代入，即可得到对应的侧向土压力系数；按照第一模式地层破坏模式计算的过程包括：将破坏区域土体可以划分为两个部分，一是围护桩外侧土体的梯形块体ABCD；二是地下结构侧墙外侧的楔形块体CEG；土体ABCD中微元竖向应力计算包括：基坑围护结构与地下结构距离为b时，Z1深度下薄层单元的宽度可表示为： H0为地下结构顶板至地表的高度，b0为地下结构顶板截面CE处宽度，θ1为土体滑裂面破坏角，b0＝H1cotθ1，Z1为梯形块体ABCD中选取薄层微元的深度；对土体ABCD选取微元进行水平和竖向平衡计算；联立微元水平和竖直方向的力学平衡方程，并将代入并化简得： 式中： 解得微分方程3的通解即选取薄层微元深度下的竖向荷载； 式中，C1为微分方程中的待定系数，考虑滑块ABCD的边界条件，Z1＝0时，由此可求得: 对土体CEG选取微元进行水平和竖向平衡计算结合楔形块体CEG的边界条件，求得楔形块体CEG中选取薄层微元的深度下横向载荷；土体CEG中微元水平应力计算；对土体CEG选取微元进行水平和竖向平衡计算；令并将代入化简并求解微分方程，可求得Z2深度下薄层微元的竖向正应力即： 式中：Z2为楔形块体CEG中选取薄层微元的深度； 根据楔形块体CEG的边界条件，CEG的荷载q等于滑块ABCD在Z1＝H0时的竖向正应力，将Z1＝H0，代入式4可得： 当Z2＝H0时，代入式6可得： 作用在地下结构侧墙Z2深度下水平正应力为： 其中K2由式1求得；按照模式二地层破坏模式计算的过程包括：楔形体滑块受各项力的作用后整体处于极限平衡状态，联立楔形体竖向和水平向的力学平衡方程，将每延米滑裂土体的自重和代入化简可得: 式中，E1为作用在地下结构侧墙的土压力；对式10关于θ2求导，并令可解得裂面倾角θ2: 对简化后的方程进行形式改变，则有： 其中K3为： 得到围护结构嵌入深度h高程处的横向荷载大小，可表示为： 其中，γ为土体的重度，c为土体的等效粘聚力，H1为地下结构高度，θ2为滑动土体的滑裂面倾角，δ2为墙土的界面摩擦角；按照模式三地层破坏模式计算过程包括：将中间土体划分为矩形块体ABCD和楔形块体CDE两个区域；对土体ABCD选取微元进行竖向平衡计算，简化后，通过边界条件求得Z3深度下竖向应力，表达式为： 式中： Z3为薄层单元选取高度，根据边界条件，Z3＝0时，代入式15中，可求得对土体CDE选取微元进行水平和竖向平衡计算，联立块体CDE的水平和竖直方向的力学平衡方程，求得土体CDE微元水平应力；联立块体CDE的水平和竖直方向的力学平衡方程，并将代入，求得微分方程的通解为： 式中： 由边界条件可知，当Z3＝H3时，由此可求得待定系数C5： 式中：H3＝H1-btanθ1；结合Z3深度下竖向应力和土体CDE微元水平应力得到地下结构侧墙水平荷载的基本方程；有限土体下地下结构侧墙水平荷载的基本方程为： 其中，K4由式1求得；利用三种模式下的不同深度下的荷载对既有结构地下结构进行安全评价。

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