毕业论文 椭圆形水泥土桩支护结构设计方法研究

毕业 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 椭圆形水泥土桩支护结构设计方法研究 论文题目:椭圆形水泥土桩支护结构设计方 法研究 Abstract Oval cement pile supporting Arch Foundation is a form of supporting, as with a reasonable structure, Many low cost advantages, and has been applied in the actual project, however, and other geotechnical engineering, Practice walk in the front of theoretical, and the structural design theory has not yet sufficiently mature. Establish Oval Supporting reasonable model, its reasonable internal force deformation analysis, Guidance for the design and application of great significance，In this paper, the predecessors done on the basis of the following. First, the paper details of the supporting arch of the calculation methods, one way is to unit high cement wall arch, As two hinged arch to calculate the internal force, pressure on the assumption that soil along the arch chord uniform distribution, Soil pressure values can be active or static soil pressure. The second is to simplify the structure of two-dimensional structure, respectively horizontal and vertical directions calculations. . Followed by a thin cylindrical shell of the internal forces of the Solution, The authors use the elasticity of knowledge derived on the thin-walled cylindrical tube structures of classical solutions. And give a reasonable simplified formula to calculate it. Then Oval Supporting arc is composed of four geometric characteristics, In thin cylindrical shell calculated on the basis of theoretical analysis and presentation of the Oval support the forces and calculation features, and presents a different boundary conditions Oval supporting structure Calculation of generic formula. Finally an example is presented to verify the works presented in this paper on the oval supporting internal force calculation method ，The results showed that this method is reasonable and effective, and suitable for application on the project. Keywords: Arch Supporting ways ，Internal force calculation, Thin shell theory ,Oval cement pile Support , Character Analysis , Simplified Calculation 摘要 椭圆形水泥土桩支护是拱形基坑支护的一种形式，具有如结构合理，成本低廉等许多优点，并已应用在实际的工程中，然而和其他岩土工程问题一样，实践走在理论的前面，其结构的设计计算理论还不够成熟。建立椭圆形支护的合理计算模型，对其进行合理的内力变形 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，对于指导其设计和应用具有重要的意义。为此，本文在前人的基础上做了以下的工作: 首先本文详细介绍了有关拱形支护的计算方法，其一是取单位高度的水泥土拱壁，作为两铰圆弧拱来计算其内力，土压力假定沿拱弦长均匀分布，土压力值可按主动或静止土压力计算。其二是将空间结构简化为平面结构计算，分别进行水平和垂直方向的计算。 其次了圆柱形薄壁筒体的内力的解法，文中利用弹性力学的相关知识推导出了关于圆柱形薄壁筒体结构内力的经典解。并对其计算公式进行了合理的简化。 然后椭圆形支护是由四个圆弧组成的几何特点，在圆柱形薄壁筒体计算理论的基础上分析和介绍了椭圆形支护的受力和计算特点，并且给出了不同边界条件下椭圆形支护结构内力计算的通用公式。 最后列举了一个工程实例验证了本文提出的关于椭圆形支护内力的计算方法，结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明该方法是合理的，有效的，适合应用于工程上的。 关键词:拱形支护 内力计算 薄壁筒体理论 椭圆形水泥土桩支护 性状分析 简化计算 目录 第一章:绪论 1.1 问题的提出 1.2 拱形结构围护的现状 1.2.1 拱形围护结构形式及特点 1.2.2 拱形围护结构设计计算方法现状 1.3:需要解决的问题，研究方法及本文主要工作 1.3.1:需要解决的问题 1.3.2:研究方法及主要工作 第二章:圆筒形结构内力的计算方法 2.1:圆筒结构计算的一些假定 2.2:圆筒结构计算的基本原理 2.3:圆形壳体内力的计算 第三章:椭圆形水泥土桩支护结构的分析和设计 3.1:椭圆形水泥土桩结构的受力特点分析 3.2:上下端自由的椭圆形壳体水平内力计算 3.3:椭圆形壳体支护结构的内力计算 第四章:工程实例分析 第五章:结论和展望 5.1:结论 5.2:展望 参考文献 第1章 绪论 [1] 1.1 问题提出 基坑开挖与围护是一个复杂的系统工程，涉及工程地质、水文地质、工程力学、工程结构、土力学及基础工程，还涉及工程施工和工程管理，是融多门学科知识于一体的综合性学科。 随着工业和城市建设的发展，城市土地越来越昂贵地下车库、地下商场、地下铁道等各种地下设施日益增多，基坑开挖深度由浅向深发展。一般一层地下室基坑开挖深度5m 左右;两层地下室开挖深度9m-10m;地下大型水管埋深6m-9m:地下铁道的开挖深度更大。在地基土质比较坚硬且场地比较宽敞的情况下，应尽可能采用放坡开挖的办法施工，但在城市内进行建设时，往往需要在极其狭窄的场地或建筑物集中的地段开挖，施工所面临的困难更大，尤其在软土地区，地下水位高，采用敞开明挖基坑的可能性很小，这就需要采用可靠的围护结构和施工办法，以确保坑壁的稳定性，减少土体的位移，保护周围的建筑物和地下设施。深基坑围护技术成了软土地区高层建筑等工程建设中的难点和热点，越来越受工程界和学术界的重视。 随着土力学理论、分析技术、测试仪器、施工技术及施工机械的进步，深基坑围护技术也得到了很大的发展，主要表现在三个方面:一是改进和完善围护结构设计计算理论，使设计更符合实际情况:二是加固坑内外上体，提高坑内外土体的自立能力;三是寻求更合理的围护结构形式，改善围护结构的受力状况，提高其围护 [2] 能力。 基坑工程的发展往往是一种新的支护形式的出现带动新的分析方法的产生，并遵循实践、认识、再实践、再认识的规律，而走向成熟。早期的开挖常采用放坡的形式，后来随着开挖深度的增加，放坡面空间受到限制，产生了支护开挖。迄今为止，支护型式已经发展至数十种。从基坑支护工作机理来讲，基坑支护方法的发展在放坡开挖后，有悬臂支护、内支撑 (或拉锚)支护、组合型支护等。放坡开挖需要场地有较大空间，且开挖土方量较大，在场地周围条件允许的情况下，放坡开挖至今仍然不失为基坑支护的好方法:悬臂支护是指不带内支撑或拉锚的支护结构，而 是通过设置钢板桩或钢筋混凝土桩形成支护结构。另外，悬臂支护结构也可以通过对基坑周围土体进行加固改良形成;为了改善悬臂式支护结构的受力性能和变形特性，满足较深基坑支挡土体的要求，发展了内撑式支护和拉锚式支护结构;为了挖掘支护结构材料的潜在能力，使支护结构型式更加合理，并能适合各种基坑型式，综合利用 “空间效应”，发展了组合型支护结构型式。支护结构最早用木桩，现在常用钢筋棍凝土桩、地下连续墙、钢板桩以及通过加固改良基坑周围土体的方法形成水泥土挡墙、土钉墙以及桩墙的组合结构等。钢筋混凝土桩设置方法有钻孔灌注桩、人工挖孔桩、沉管灌注和预制桩等。拱形围护结构就是近几年发展起来的一种 [3]新型围护结构形式。 拱作为一种承载结构，从古至今在各个领域得到了广泛应用。在房屋建筑中，屋顶常设计成拱形，承受如风雪荷载等外荷载:在许多地下结构中，如地下铁道，顶部一般也是拱形承受上部土体(或岩体)的重量:在桥梁建设中，桥墩之间常用拱结构连接，承受结构自重与交通荷载:在大坝建设中，只要两岸基础(拱肩)条件许可混凝土坝，一般都设计成拱形，主要承受水压力。Nicoleti&Keith (1969)介绍了拱结构用于边坡挡土墙的应用实例，挡土墙采用连拱式拱形挡土墙，倾斜安装在边坡上。二十世纪70年代中期，在我国山区建筑中也有用拱结构作为挡土墙的 [4]例子(黄泽德，1992). 拱结构用作深基坑围护结构，具有受力合理、低成本等特点。这种围护结构通过对材料的合理空间组合，改善材料的受力性状，一方面利用土体自拱作用，减小作用于围护结构上的土压力，另一方面结构受力合理、拱壁基本受压，充分发挥水泥材料抗压强度高的特点。由于这些优点采用拱结构具有很好的经济效益，围护深度也大大增加，在开挖深度不是很深的情况下，甚至可以不设支撑或拉锚，这为施 [5]工带来了极大方便。 基坑拱形围护结构作为一种具有许多优点的围护结构，已在工程中逐步得到应用，但与其它许多岩土工程问题一样，实践走在理论的前面，现有的设计计算理论 [6]并不能满足其工程设计要求，进一步完善其设计计算方法是推广其应用关键。 1.2 拱形围护结构研究现状 [7][8]1.2.1 拱形围护结构形式及特点 近几年来，空间组合围护桩结构在基坑围护中应用越来越广泛，如双排桩的平面布置就有许多变化(图1.2.1)，以发挥围护结构的空间效应。拱形围护结构也是通过改变围护桩的排列方式(排列成拱形)，来改善围护桩的受力状况，使材料性能得到充分发挥的一种空间围护结构。在本质上拱形围护结构仍是桩型围护结构，但受力状态与一般桩型围护结构有很大的不同，所以在设计计算时又不能按一般桩型围护结构来考虑。 目前拱形围护结构主要有两种结构形式。一种是水泥土拱形围护结构，其拱壁由水泥土搅拌桩排列成的拱形组成;另一种是(素)混凝土拱形围护结构，其拱壁是由(素)混凝土灌注桩排列成拱形组成的。拱形围护结构的拱跨度一般为数米，在拱座处一般设l-2根钢筋混凝土钻孔灌注桩，拱壁插入坑底一定深度。近年开始应用的另一种新型围护结构— 挡土拱圈围护结构，受力状态与拱形围护结构相似，这种结构拱跨度很大，一个基坑仅由一个或数个拱组成，而且仅围护坑底以上某一高度，不需抽入基坑底。在构造上挡土拱圈与桩型围护结构完全不同，但由于挡土拱圈与拱形围护结构有许多相似之处，所以在这里也作些介绍。 1.2.1.1 水泥土拱形围护结构 这种围护结构是把水泥土深层搅拌桩排列成拱形，在拱脚处用1-2根钻孔灌注桩加强，灌注桩的直径和桩长按计算确定。水泥土搅拌桩排列成拱形，将水土压力产生的剪力和水平截面内的弯矩转化为沿拱轴方向的轴向压力，这样可以充分发挥水泥土的抗压强度较高的特点，而且这一结构的截面惯性矩和抗弯刚度远大于壁状和格栅状布置。因而这种结构刚度较大、受力合理、结构变形小，拱形结构还减少了因变形引起拱壁开裂的机会，其水密性较好，从而提高了防渗性能。只要拱壁内力不超过水泥土的容许抗压强度，可以大大提高拱形围护结构的支挡高度，也可减薄水泥土壁的厚度。这种结构受力较挡土墙式和桩墙式围护结构更为合理，经济效益更显著。在实际工程中，一般要设支撑，支撑可视情况设置一道和多道，另外为施 [9][10]工方便，拱形一般采用圆弧拱。如图1.2.2所示。 出于经济方面和施工方便与否的考虑，在基坑不是很深的情况下，有时也会用到悬臂式水泥土连拱组合结构进行支护，这样既能达到良好的施工效果又能达到较好的经济效益。 1.2.1.2 (素)混凝土拱形围护结构 这种围护结构由直径1000mm左右的钢筋混凝土桩(拱脚桩)和250-600mm的小直径(素)混凝土灌注桩排列成拱形组成，可用高压旋喷桩堵缝止水，桩顶部用钢筋混凝土帽梁连成整体，如开挖深度较大，沿深度方向适当距离增加1-2道钢筋混凝土(或钢结构)的加劲肋，以增强组合截面的整体性，结构示意图如图1.2.3所示。这种结构由于采用(素)混凝土灌注桩形成拱壁，因此强度比水泥土搅拌桩高，拱壁厚度较小，但由于桩与桩之间没有搭接，所以止水效果差(如果没有采用旋喷桩等止水措施)，整体性也差些，而且造价也高些。 1.2.1.3 挡土拱圈围护结构 这种围护结构形式的受力状态与拱形围护结构相似，以受压为主。目前有两种结构形式，一是闭合挡土拱圈;另一是非闭合挡土拱圈。闭合挡土拱圈是由几条曲线围成的组合拱圈(曲率不连续)，也可以是一个完整的椭圆或蛋形拱圈(曲率连续)。拱圈断面一般为Z字型，拱壁上下加肋梁以提高拱圈的稳定性，如果基坑较深可以分几道叠合起来，如图1.2.4所示。拱圈沿围护深度分道施工(每道高度约2m)，第一道拱圈合拢后，再往下挖土施工第二道。作用在拱圈上的土压力大部分在拱圈内自身平衡，相互抵消。拱圈支挡高度只需在坑底以上的适当范围即可，不必在坑壁的全高度都加以围护，更不必插入坑底以下。采用闭合挡土拱圈的条件是基坑周边有可临时占用起拱的场地，起拱高度f=(0.12-0.16)L，L为拱跨度。当有的基坑边没有起拱场地时，可采用非闭合挡土拱圈，与其它形式的围护结构组合使用。挡土拱圈具有许多优点:?受力合理，安全可靠性高;?节省工期，施工方便;?节省围护费用，其围护费用一般为挡土桩的40%-60%。其缺点是需要较大的起拱场地， 开挖土方增大，而且基础施工结束后还要回填。一般对于基坑平面本身是曲线形的情况更合适:由于没有插入深度，需另外采用坑底土加固、比水等措施，以及防止 [11]基坑隆起和涌土等破坏。 1.2.2 拱形围护结构设计计算方法现状 基坑拱形围结构设计计算目前尚无统一的模式和技术规程可循，蔡伟铭等(1992)在提出水泥土拱形围护结构这一围护结构形式时，设计计算取一单位高度的水平拱来分析，以后的设计计算也基本上都是按这种模式进行。陈德文〔1994， 1995)将拱形围护结构简化为平面结构计算，计算分两部分:其一是水平方向计算;其二是竖向计算。在水平方向上的计算，与蔡伟铭等的方法类似。在此主要介绍这二种方法，拱形围护结构与许多类似之处，所以也简要介绍这方面的设计计算理论。 [12][13]1.2.2.1 蔡伟铭等的方法 蔡伟铭等(1992)在计算水泥土拱形围护结构时，取单位高度的水泥土拱壁，作为两铰圆弧拱来计算其内力，土压力假定沿拱弦长均匀分布，土压力值可按主动或静止土压力计算。拱脚灌注桩按常规设计方法或弹性抗力法中的m法、C法计算。 (1)水平拱计算 取单位高度水平拱按对称两铰圆弧拱计算，如图1.2.5所示，拱脚水平推力H与矢高f有关，矢高f越大，水平推力H越小。拱脚反支力V、水平推力H及拱顶弯矩M。可由表1.1查取。设计时水泥土拱壁任一截面的轴力N和剪力Q均应小于水泥土的容许值，但最大的轴力和剪力发生在拱脚处，可按下式计算: (1-1) ,,Vsina，,cosa Q,Vcosa,Hsina (1-2) R,fa,arccos (1-3) f (2)拱脚桩计算 拱脚桩可按常规设计方法计算，或按弹性抗力法中的“m”法、“C”法计算，弹性抗力法(或称土抗力法、弹性地基梁法、杆系有限元法)可参看Bowles (1974)的著作。 蔡伟铭等(1995)后来将水平拱的计算作了些改变，将水平拱假定为两端固定的无铰拱来计算，如图1.2.6所示。拱脚反力和弯矩按表1.2查取。拱脚处的轴力和剪力仍按式(1.2.1)计算。 [14][15]1.2.2.2 陈德文的方法 将空间结构简化为平面结构计算，平面示意图如图1，2.7所示。计算分两部分:其一是水平向计算，主要计算由小桩组成的小拱截面的内力和应力以及小拱传给大 桩(拱脚桩)的力系;其二是竖向计算，主要计算组合拱作为悬壁构件在竖向水土 压力作用下的内力、强度和稳定性。 (1)组合截面几何特点及力学特征计算 符号说明:D一大桩直径;d一小桩直径;r-计算单元长度(弦长);L1-小拱拱 跨度(弦长);L-计算拱矢高;L′一小拱矢高;R-计算半径;S-计算弧长;S′一小拱 弧长。 组合截面矢跨比 ff', ′= (1-4) ,,ll' 组合截面半径、夹角 2',,,，l(14)44R,, , a,arcsin, ,arcsin2'28,1，4,1，4, 弧长 la's,2R, s,2Ra,: (1-6) sina 小拱弦长 'l,2Rsin, (1-7) 小拱矢高 'f,R(1,cos,) (1-8) 小桩组成的不 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 截面可换算成同截面积的厚度连续截面(图1.2.8)，小拱截面积 算厚度: A3S3b,klb, ， or (1-9) 's 2n3.14di (1-10) ,,AA,,Sst4,t1 式中k为系数，一般为2-4.5，随矢跨比的减小而增大，As为小拱截面面积。 小拱截面形心坐标按扇形薄壁圆截面计算(图1.2.8) ,sinD,yRy,R,yy,f，,y,y ， ， (1-11) d2d12,2 组合拱截面面积 A,A，A (1-12) ,s A式中为大桩截面面积 , 3.142 (1-13) A,D,4 组合拱截面重心(对x,x轴取矩求得): 11 AyAyAyAy，，,,ss,,ss (1-14)y,,AAA，s, Dy式中为大桩重心到x,x轴距离， ; y,,11,2 Dy为小拱截面重心到x,x轴距离 ， yfy,，,s11s22 x,x组合拱截面惯性矩(对轴): 11 2D,,2llAylAy,，,，， ,1-15, ,,x,xA,,Ass12,,式中 3.144lD ,A,64 32,,,bR4sin,,,, ,，,l2sin2As,,,2,,如果大桩同小桩是由不同材料组成的，如大桩用钢筋混凝土，等级较高，小桩用素 混凝土，等级较低，则组合拱截面惯性矩为: 2,,D,,2,,El，Ay,，El，Ay，，,,byA,,hAss1,,2,,,,l, (1-16) 2x,xE，Ehyh EE式中为钢筋混凝土弹性模量. 为素混凝土弹性模量 hyh 组合拱截面抗弯截面模量: x,x对:轴 11 lx,x,W (1-17) xy 对拱顶边缘 lb'x,x,,其中,，，Wyyy (1-18) d12'2y (2)水平向计算 l)小拱截面应力 计算基本结构如图1.2.9所示，假定水平拱为无饺拱，结构和荷载都对称.则基本结构体系中只有赘余力x和x，用力法计算，其基本方程为: 12 ,,xx，，,,0 (1-19) 1111221q (1-20) ,,xx，，,,02112222q ,和荷载变位，即可求出x和x。则任一拱截面内力为: 求出式中的变位系数,ij12iq 2 (1-21) NqRX,，sincos,,iii2 2qR2,,，，sin,MXyX (1-22) iii122 VqRX,,sincossin,,, (1-23) iiii2 式中Y为拱轴线纵坐标。这种计算力法实际上与蔡伟铭的方法(按无铰拱计算)是相同的。如果荷载不均匀，则拱脚将产生不均匀位移，应求出位移量，再计算其对拱截面产生的附加内力，并与式( 1-21，1-22，1-23 )叠加内力计算出来后，即可计算小拱截面应力，并验算是否满足抗压和抗剪要求. 2)拱脚桩力系 拱脚桩力系有支反力Q，弯矩M，推力H(图1.2.10)。如果相邻两拱的跨度和矢高 均相等，则H和M互相平衡，拱脚桩仅承受反力Q。 2ql水平推力: ，，取者的最大值. H,XH,2'f '2ql'Q,qlM,,，X，fX支反力: 弯矩 128 (3)竖向计算 组合拱竖向作为一悬臂构件计算，其竖向长度、插入深度、最大弯矩变位、结构整体稳定性、基坑隆起、管涌等计算与 一般桩型围护结构相同，计算出组合拱截面 面积、截面惯性矩、截面抗弯模量，然后根据竖向作为悬壁构件计算的结果，可对组合截面进行强度、变形和稳定性验算。 1)组合拱截面应力和强度验算 抗压强度: ,MMAX,,f (1-24) ,maxcmWx ,Mmax,,f (1-25) ,maxcmWd M,式中为围护结构最大弯矩:为荷载分项系数:为计算截面边缘最大压应,maxmax f力;为混凝土弯曲抗压强度。 cm 抗拉强度 对于组合拱受拉力，按弯曲抗拉构件验算(《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89))， M,fW (1-26) max,mdd f,式中为组合拱截面抵抗弯矩塑性系数;为混凝土抗拉强度设计值: dm 2)稳定性验算 验算与一般桩型围护结构相同。 1.3 需解决的问题、研究方法及本文主要工作 1.3.1 需解决的问题 总结前人的研究工作，在拱形围护结构设计计算理论中仍存在许多不足，主要体现在: 有的计算模型不是过于简化而不能很好地反映实际情况，便是过于复杂1)现 而不便于工程应用。在目前的设计计算当中，主要采用纯拱法计算，这种方法忽略了拱与拱之间的相互作用，这只有在拱壁较薄，刚度较小时，这种方法才不至于引起很大的误差。 2)目前的计算方法一般都将拱座假定为铰支或固支，而没有考虑拱座变形的影响，这与实际情况有较大出入: 3)目前在拱形围护结构设计参数的取值范围上还没有共识，比如矢跨比取什么范围内的值最合适、最经济?插入深度该多少合适?等等问题都有待进一步研究; 4)针对拱形围护结构性状，目前尚未有系统的分析。要解决这些问题，关键在于建立合理的拱形围护结构计算模型，该模型应满足以下要求: (1)模型能正确反映工程实际情况; (2)计算所需准备的数据应尽量少、简单，而计算结果又能满足工程精度要求; (3)计算量不能太大，以便不断修改设计时，重复计算的工作量不大。 基坑围护结构优化设计目前尚处于初步阶段，可供参考的文献很少，针对拱形围护结构的优化设计也未见报导本文针对这一问题试图也作些研究 1.3.2 研究方法和主要的工作 椭圆形支护结构是较为简单的拱形支护结构的一种，具有计算简单、经济合理 优点，但关于其内力的设计计算方法研究的还很不够。本文以弹性板壳理论为基础，分析了椭圆形壳体支护结构的内力特点和设计控制内力的计算方法，并根据支护结构的受力变形特点，研究了椭圆形支护结构的合理选型问题，对此类支护结构的工程应用具有一定的参考价值。 本文在圆形薄壁筒体内力经典解的基础上通过分析，得到了圆形薄壁筒体的简化公式，即通过制定各种边界条件下圆形薄壁筒体的内力系数得到它的内力解析公式。椭圆形支护结构是典型拱形支护结构的一种。在计算它的内力时，可以引用上述的各种系数，从而得到椭圆形支护结构在各种边界条件下的内力解。 第2章 薄壁圆筒形结构内力计算方法 [16] 2.1 圆筒形结构计算的一些假定 (1)圆筒形结构所采用的材料是均质的，弹性的，各向同性的。 (2)筒壁厚度远小于筒的半径。 (3)结构各点位移皆小于筒壁厚度。 (4)垂直于筒壁中曲面方向的法向应力可略。 [17] 2.2 基本原理 圆筒结构是一圆柱形薄壳，当作用在筒壁上的荷载是外侧的三角形对称荷载 时，筒壁的变形和内力也是轴对称的。因此圆筒形结构筒壁的计算可以用圆柱壳理 论计算。 [18]2.3 圆形壳体的内力计算 (1) β0() - 大 H T 2R 1t 圆T 2R Mx1 - 小图2.3.1圆柱壳体的计算简图 圆 在三角形荷载p作用下圆柱壳体产生的内力主要包括: xMx2 H 法向位移: /m x,20.75 (2-1) wcFxcFxcFxcFxR,，，，，()()()(),,,,112233441.50 Et2.25 3.00环 向 力: 3.75 4.50 Et (2-2) ,，，，，[()()()()],,,,NcFxcFxcFxcFxpR5.25 ,11223344xR6.00 6.75 7.50 Nθ/kN 0 100 200 竖向弯矩: 2 (2-3) MDcFxcFxcFxcFx,,,,，，{[4()4()()()]},,,,,x13243142 法向剪力: 3 (2-4) VDcFxcFxcFxcFx,,,,,，{[4()()4()()]},,,,,x12233441 式中:c1、c2、c3、c4为待定常数，根据上下端边界条件确定; F(,x),ch,x,cos,x (2-5) 1 1 (2-6) F,(x),[ch,x,sin,x，sh,x,cos,x]22 1 (2-7) F(,x),sh,x,sin,x32 1 (2-8) F,(x),[ch,x,sin,x,sh,x,cos,x]44 1,234,,4DREt,,,,; D,,,2Et12(1,,),, E、ν——分别为材料的弹性模量和泊松比。 (2)以顶端自由，底端固定的圆柱壳体内力的计算为例，根据边界条件确定上述 CCCC积分常数，，，就可以求出筒壁内力的具体计算公式。然后通过系数的3241 简化可以得到简化公式: p xΔx x H t 2R t 1t t 2R t 图2.3.2 圆柱壳体薄壁计算简图 M,0V,0处 x,0x,0x,0 M,0,,0处 x,Hx,Hx,H 则 1,,,,H,H，，2221rH,rrH, C,rH,Gw11，，，，，，EhH，4HHEh,,,,,,124 1,,,,4H，H，，，，2241rH,rH,, C,H,G,22,2EhEh，，，，，，H，4HH,,,,,,124 C,C,0 34 带入内力计算公式得: x，，，，，，N,,rHG,,x，G,,x， ,,1122,,H，， 3,H,,，，，，， M,,G,,xG,,x x13242H2，，121,,2rh 12VGxGxH ,,，，，，,,,，,,,x,12232H24121v，，,2rh xkGxGx令 ，，，，,,,，,,，N1122,H 1,， ,,，，，，kG,,xG,,xM1324x2H2121,，，v2rh 1,，，，，，k,,G,,xG,,x V1223x2H2412，，1,v2rh 则: N,kp,环向拉力 ,N, 2竖向弯矩 M,kpHxMx V,kpH剪 力 xVx 上述过程表明，筒壁内力的计算是非常繁琐的，但如果将内力系数编制成表格可以 在很大程度上简化计算，用同样的方法可以推导出其他边界条件下的内力计算公 [19]式，并编制成内力系数表。 [20](3)圆形壳体筒壁分类及计算: 2H大小把筒壁分成以下几类: 按2rh 2H，，,0.2H,0.63rhA:当时，按竖向悬臂构件计算。当顶端有圈梁时，筒壁成2rh 为上下端都有支撑的竖向受力构件。 2H，，,65H,11.4rhb:当时，可以忽略两端约束的影响，按两端自由的薄壁圆筒2rh 分析筒体内力。 2H，，0.2,,650.63rh,H,11.4rhc:当时，不能忽略环向力和壁端约束作用影2rh 响，按圆柱形薄壳分析筒壁内力。 第3章 椭圆形水泥土桩支护结构的分析和设计 [21][22][23]3.1 椭圆形水泥土桩支护结构的受力特点分析 椭圆形平面结构在(法向)外荷载作用下，主要产生切向内力和法向弯矩，当椭圆结构的长短轴形状合理时，所产生的主要内力为切向内力，是内支撑结构体系的常用形式。椭圆形支护结构在土压力作用下成为空间受力体系，主要产生水平面内的切向压力和弯矩以及垂直面内的竖向弯矩和剪力，水泥土桩施工简单，经过适当咬合可起到止水帷幕作用，因此在开挖深度不大情况下，可优先采用椭圆形水泥土支护结构。 一般情况下，椭圆形支护结构的内力除与其几何构造特点及现场工程地质条件有关外，还与其上下端的边界条件有关。实际工程中，为满足周围环境的设计要求，也常采用不同的构造方法来实现设计的边界条件。根据实际工程构造特点，常见的上下端边界条件为:上下端自由，或上端自由、下端固定;或上端铰支、下端固定等，本章即讨论按上下端自由边界条件及上端铰支、下端固定边界条件计算椭圆形支护结构的内力计算问题。 [24]3.2 上下端自由的椭圆形壳体水平向内力计算 B2D b1D 2b ,arctg,r aA A 1a 2α O O12222R (a，b),ba，bR, D D 3224(a，b),a，bB 1 22a，bbr,,R O 2aa 图3.2.1 椭圆的几何特点 椭圆可采用4心法绘制，也即椭圆轨迹可由4个半径分别为R和r的部分圆弧线共同构成，如图3.2.1所示。D、D、D、D分别为大小圆弧的连接点(相切)，1234 则D点的位置坐标为:(Rsinα，rcosα)，在外土压力作用下，壳体内力计算则可2 近似简化为分别圆弧内力的合成。 根据无矩理论，半径为R的圆壳在法向荷载p作用下，产生的环向内力为:x1N,pR。 ,1x1 N,pr半径为r的圆壳在法向荷载p作用下，产生的环向内力:。 x2,2x2 假定各圆弧段的连接点D、D、D、D为刚性不动点，则不同半径圆弧段的1234 受力相对独立。取圆弧段DBD作为隔离体，如图3.2.2(a)所示。将3.2.2(a)122 分解为3.2.2(b)和3.2.2(c)的叠加，则显然3.2.2(b)工况下，圆弧内只产生壳 面内的环向力N。 θ1 pE x1 B2 D D 2 1 NN θ2θ2(a) -N NN-N θθ12θθ12 p x1R O 2N θ1N θ1(c) (b) 图3.2.2圆弧段1水平向内力计算示意图 BE,R(1,cos,)图3.2.2(c)工况下，，在截面B处将产生水平向内力: 22 N',(N,N)cos,环向拉力: (3-1) ,1,1,2 N',,(N,N)sin,法 向 力: (3-2) F1,1,2 M',(N,N)(1,cos,)R环向弯矩(外侧受拉): (3-3) ,1,1,2 N Nθ1θ-N N2θθ12p p x2x2 N N-N N θ2θθθ121(a) (c) (b) 图3.2.3 圆弧段2水平向内力计算示意图 BE,R(1,cos,)图3.4(c)工况下，，在截面B处将产生水平向内力: 22 N',(N,N)sin,环向压力: (3-4) ,2,1,2 N',(N,N)cos,法 向 力: (3-5) F2,1,2 M',(N,N)(1,sin,)r环向弯矩(内侧受拉): (3-6) ,1,1,2 [25]3.3 椭圆形壳体支护结构的内力计算 3.3.1 上端自由下端固定圆柱壳体的内力 插入土中水泥土桩作为挡土结构时，上端边界条件可视为自由端，考虑到水泥土桩的刚度一般较小，故可直接将开挖坑底位置视为固定端。 2Hkk,,根据圆柱壳几何特征，可查表得环向力系数、竖向弯矩系数、MxN,2Rt k剪力系数，由下式计算圆柱壳体内力: Vx 2M,kpH竖向弯矩: (3-7) xMxx 12环向弯矩:MkpH (3-8) ,,Mxx6 N,kpr环 向 力: (3-9) ,N,x V,kpH剪 力: (3-10) xVxx 据此分别计算圆弧段1(半径R)和圆弧段2(半径r)在土压力作用下的内力。 对圆弧段1，土压力为p(底端为p)，产生的竖向弯矩为M、环向弯矩x1H1x1为M、环向力为N、剪力为V。 θ1θ1x1 对圆弧段2，土压力为p(底端为p)，产生的竖向弯矩为M、环向弯矩x2H2x2为M、环向力为N、剪力为V。 θ2θ2x2 3.3.2 椭圆形壳体水平向内力计算 对圆弧段2，在环向压力N作用下，圆弧段上的法向压力为: θ1 NRk,,1N1p',,p (3-11) x2x1krrkN,2N,2 根据朗金土压力原理，则可计算得: 最小土压力为: (3-12) p,,hK,2cKminamam 最大土压力为: p,,hK，2cK (3-13) maxpmpm 式中: 1,2,2，，K,(0.5~0.7)tan(45，); ,(1,sin)，tan(45,)K,pmam22,,，，2 ,hK，2cKkRamam,N2,若，则圆弧段2仅依靠土压力的变化难以维持自身rk,hK,2cK,1Npmpm 平衡，此时必须在连接点D、D、D、D处增加刚性桩以承载过大的环向力。该1234 刚性桩所要求承载的环向力为: ，，,2hK，cKkRamam,N2,,' (3-14) N,,p,x1rk,,,2hK,cK,N1pmpm，， 此时圆弧段2内的水平向内力主要是环向压力N’. θ2 ,,N',,hK，2cKkr (3-15) ,2pmpmN,2 对圆弧段1，在环向压力N’作用下，按主动土压力p，根据公式(3-1)、(3-2)、θ2x1(3-3)分别可计算得圆弧段1上的环向力、法向压力和环向弯矩。 3.3.3 椭圆形壳体竖向内力计算 分别根据主动土压力p和被动土压力p代入公式计算圆弧段1和圆弧段2产x1x2生的竖向弯矩。 添加其它边界条件下的内力计算方法～ 第4章 工程实例分析 1 工程概况 某场地工程地质条件如表1所示。根据工程要求基坑需平面呈长条形，5.5m×26.5m，开挖深度为自然地面以下7.5m，地下水位位于自然地面以下6.5m。经支护方案对比筛选，拟采用椭圆形水泥土桩挡墙，既可止水又可支护边壁土体，如图1所示。 分岩 层底 天然天然饱塑液性指内内承载桩周层含水重度和性聚摩力标摩 数I性 埋深/m L 编量/% /(kN指力擦准值度擦力3c Sf 号 /m) 角数rck标 0/(I /% /kP/kPa p准值 ) a /kPa 0.0~1.5 1 杂填 土 1.5~5.4 24.3 17.5 79 7.2 0.931 10 18 120 20 2 粉土 5.4~9.5 18.5 18.7 90 8.1 0.874 15 20 135 25 3 粉土 9.5~14.8 23.1 18.0 96 6.7 0.700 10 25 95 30 4 粉土 夹粉 砂 23.3 18.5 98 6.6 0.400 0 30 130 35 5 粉砂14.8~21.2 夹粉 土 21.2~ 19.4 18.8 93 40 6 粉砂 表1 工程地质勘察报告 B2 B2 Db 1D 2 b r AA A a 12A 1a 2 α 5.5O O O1R m D D 34 B B 11 26.5m β O2 (a)基坑平面 (b)椭圆形平面几何参数 图1 某椭圆形基坑平面 2 椭圆形支护结构的内力计算 椭圆形平面在水平土压力作用下呈拱形受力，工程中可将椭圆形结构视为4段圆弧组成，D、D、D、D分别表示大小圆弧的连接点，因此其受力可分段近似计算。1234 插入土中水泥土桩作为挡土结构时，上端边界条件可视为自由端，开挖坑底位置视为固定端。 根据工程要求的基坑平面尺寸，其外接椭圆形平面基坑的大小圆弧半径分别为: oR,40.8r,3.05;(m);(m) ,,18.43 2Hkk,,根据圆柱壳几何特征，可查表得环向力系数、竖向弯矩系数、MxN,2Rt k剪力系数，由下式计算圆柱壳体内力: Vx 122M,kpHMkpH竖向弯矩:;环向弯矩: ,xMxx,Mxx6 N,kprV,kpH环 向 力: ;剪 力: ,N,xxVxx 图2 竖向弯矩计算结果 图3 环向轴力计算结果 3 确定椭圆形状条件下的优化设计 根据图3 可以看出，在4.4m以上圆弧段2提供的环向力N平衡圆弧段1产生θ2 的环向力N，圆弧段1在土压力作用下产生成为椭圆形支护结构的设计控制条件。 θ1 的竖向弯矩 因此在保持支护结构椭圆形形状不变条件下，能使两个圆弧段在全高范围内环向力均保持平衡，并有效降低圆弧段1的竖向弯矩的措施可以是:在支护结构的顶端设置环形冠梁. 3.1 支护结构顶端设置冠梁 在椭圆形支护结构顶端设置冠梁，在土压力作用下冠梁可以协调不同圆弧段产生的环向力，相当于将椭圆形支护结构顶端的约束条件由自由端变为铰支端。查表得如图4竖向弯矩计算结果，图5环向轴力计算结果。大圆底端剪力为254kN;小圆底端剪力为227kN。非配筋墙体抗剪能力474.3kN(两排桩)。 图4竖向弯矩计算结果 图5 环向轴力计算结果 4 确定支护结构形式条件下的优化设计 4.1 按承载力准则反算椭圆最佳形状 图 6 M随β角的变化规律 x 图7 最大环向轴力差随β角的变化规律 逐步调整角β的大小，通过计算可知，当角β约为60º时，大圆底部弯矩与小圆底部弯矩基本相等。如图6所示此时大圆每米高度环向力最大值约为580kN，小圆每米高度轴力最大值约为400kN，如图8所示;而当角β角约为63º时，大、小圆交接线上每米高度环向轴力差最大值最小，其值为260kN，如图7所示。图8所 示为β=60º时环向轴力的计算结果。 0图8 β=60时环向轴力 当β取60º~63º时，支护结构的内力状态最为合理，此时大小圆底部弯矩相等，每米高度轴向力差值最大值最小。相应地大圆半径R约为15.0m;小圆半径r约为5.6m。 4.2 排桩的承载力计算 排桩承载力计算分为:竖向弯矩最大值计算;法向抗剪计算;环向轴力计算;环向弯矩计算。具体于某一实际基坑，其坑深是一确定的值。当考虑基坑降水抗渗流验算时，其入土深度也是一个确定的值。因此只有通过改变大小圆的半径来实现结构计算的优化。以下将分 别按不同的控制条件，计算结构关键部位的内力并进行比较。 取水泥土开挖期抗压强度平均值为6MPa，水泥土排桩桩径为600mm，咬合150mm，两排桩净宽b=846mm ，三排桩净宽b=1296mm ，按此条件分别计算其单位长度、单位高度的竖向抗弯承载力、水平抗弯承载力、水平抗剪承载力，而环向轴力均能满足承载力要求。 竖向抗弯承载力: 220.8461.296 M,330，,39.36;M,330，,92.381266 M=39.36kN•m;M=92.38kN•m 12 环向抗弯承载力: 220.8461.296 M,180，,21.48;M,180，,50.381266 M=21.48kN•m;M=50.38kN•m 12 法向抗剪承载力: kN;kN V,474.3V,725.7612 经计算比较可知，水泥土桩墙作为支护结构，其法向抗剪承载力、环向轴力均可满足要求，但竖向、环向抗弯承载力均不能满足支护要求，需要采取其它措施来加强。 5.1 结论 支护在支护范围内是属于拱形支护的一种，但这种特殊的支护结构在我国的工程实例中是相当少的，所以在这方面比较缺乏工程实际经验，有些经验参数还在摸索之中，在理论上，对这种悬臂结构的研究几乎也是空白。但由于椭圆形水泥土桩的支护结构很经济实用，且会给地基的施工场地带来方便条件，因此在有些工程实际中很需要这种支护结构，这也对在此方面的理论研究提出了要求。基于此，本文作者认为按工程实际的需要作这方面的理论分析是有一定价值的。 本文对椭圆形水泥土桩支护结构进行了全面的分析，在拱形支护计算的基础上，并且结合了圆柱形薄壁筒体的计算理论，给出了关于椭圆形支护的比较简便的计算方法，并且考虑了在实际的工程应用中水泥土桩的不同的边界条件的计算方法。本文的主要的工作和结论如下: ，，1对拱形支护结构做了比较完整和系统的总结，其中包括了拱形支护的几种常见形式，变形受力特点以及对拱形支护结构内力计算的两种常见方法。 ，，2对圆柱形薄壁筒体结构的受力以及计算做了详细的介绍，并且列出了圆柱形薄壁筒体结构内力的经典解法，考虑了圆柱形薄壁筒体结构在不同的边界条件下的各种情况。通过举例计算后得出了圆柱形薄壁筒体结构内力的简化计算。 ，，3介绍了椭圆形支护结构的几何特点及其受力特点，并且检点说明了水泥土桩的优点及这种支护的受力合理性，并且在此基础上给出了两端自由的椭圆形水泥土桩支护结构内力的解法。 ，，4在圆柱形薄壁筒体解的基础上给出了椭圆形水泥土桩支护结构的各段的简化解，并且考虑了相邻弧段的相互作用及相互影响。 ，，5增加拱壁的厚度，即增大拱壁的刚度和增大灌注桩的截面刚度可以大幅地减小结构的变形和减小拱壁的应力。 5.2 展望 由于时间紧促和工程经验积累的材料较少，本文的研究还有很多不完善的地方，因此对椭圆形水泥土桩支护结构的内力的分析和计算需要进一步的深入。随着在工程经验中对各项参数的经验积累，作者认为今后对此结构的研究工作可以从以下几个方面展开: ，，1本文在介绍椭圆形水泥土桩支护结构的内力解时是在圆形薄壁筒体结构内力解的基础上进行的，并且是应用简化解的方法，在实际的工程应用中这种方法可以满足要求，但是还有需要完善的地方。 ，，2本文在关于椭圆形支护结构的几种不同的边界条件的计算中依然采用的是圆筒结构的简化计算的结果，可能还不够完善。在插入深度和合理矢跨比的分析上还有待深入。 致谢 论文即将完成，我的心情无法平静，从开始选题到论文顺利完成，经历了尽两 个多月的时间。老师和同学们给了我很大的支持和帮助，使我能够顺利完成大学本科论文。感谢指导导师郭院成教授，在论文的选题、分析计算及论文编写方面给了我启发，并在论文撰写的过程中及时地给予指导。感谢杨文等师兄的指导和大力帮助。 参考文献 [1] 张仪萍 深基坑拱形围护结构拱梁法分析及应用 浙江大学博士论文 [2] 张仪萍 深基坑拱形围护结构拱梁法分析及应用 浙江大学博士论文 [3] 刘维威;悬臂式连拱组合支护结构的三维有限元分析 。天津大学硕士论文 ，2004 2 [4] 张仪萍，深基坑拱形围护结构拱梁法分析及应用，浙江大学博士论文 1 [5][ 6] 周健，圆形支护结构的拱效应等效支撑计算方法 岩土力学 2003 (2) [7][ 8] 张仪萍 深基坑拱形围护结构拱梁法分析及应 浙江大学博士论文 3-4 [9 ] 张仪萍 深基坑拱形围护结构拱梁法分析及应用 浙江大学博士论文 [10] 刘维威;悬臂式连拱组合支护结构的三维有限元分析 天津大学硕士论文 2004 2 [11] 张仪萍 深基坑拱形围护结构拱梁法分析及应用 浙江大学博士论 3 [12 ] 蔡伟铭，陈友文(1995)一拱形水泥土支护结构在马钢料槽开挖中的应用.工业建筑，25 (9): 14-18 [13][15] 张仪萍 深基坑拱形围护结构拱梁法分析及应用 浙江大学博士论 4-13 [14] 陈德文(1994)连拱式支护结构设计见:黄熙龄主编.高层建筑地下结构及基坑支护北京:宇航出版社 : 219-22 [16] [17] 朱彦鹏 银生(2006)。特种结构。武汉理工大学出版社。 [18] 郭院成，周同和，王立明，秦会来(2003)-椭圆形支护结构的简化计算。河南科学，2003-05-022。1-2 [19] 特种结构。武汉理工大学出版社58-59 [20] 特种结构。武汉理工大学出版社60 [21] 郭院成，周同和，王立明，秦会来(2003)-椭圆形支护结构的简化计算。河南科学，2003-05-022。 [22] 郭院成,王立明,秦会来,周同和 椭圆形排桩支护结构的工程优化选型* [23] 周健 圆形支护结构的拱效应等效支撑计算方法 岩土力学 2003 (2) [24] [25] 郭院成，周同和，王立明，秦会来(2003)-椭圆形支护结构的简化计算。