[发明专利]复合挡土结构的设计方法

摘要

本发明公开了一种复合挡土结构的设计方法，包括以下步骤：获取待支护土坡的各力学参数，并确定复合挡土结构；建立复合挡土结构的单桩结构力学模型；基于极限平衡理论和弹性地基梁理论，计算得出单桩结构力学模型的解析解，并确定复合挡土结构的锚杆力的计算方程；得出作用在单桩上的滑坡推力，得出作用在单桩上的反力，得出复合挡土结构的锚杆力；计算单桩上内力；对复合挡土结构进行结构配筋。本发明提供的复合挡土结构的设计方法，严谨、合理、高效，可有效解决土坡支护问题，能有效的反映结构与土体共同作用，以及结构和土体变形之间相互影响关系，从而准确地对结构参数进行确定并能有效地对复合挡土结构的作用效果进行评估。

主权项

一种复合挡土结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)获取待支护土坡的各力学参数，并确定复合挡土结构；所述复合挡土结构包括双排平行设置的树根桩和侧向倾斜分布的锚杆，所述树根桩作为竖向挡土结构，所述锚杆作为外拉系统，树根桩和锚杆均通过位于桩顶的横梁连接并沿待支护土坡的土体通长布置；所述树根桩与横梁相铰接，所述锚杆的一端与横梁刚性连接、另一端为设于稳定土层中的锚固体；2)建立复合挡土结构的单桩结构力学模型；考虑树根桩和锚杆的协同作用，将树根桩简化为竖向分布的框架柱、框架柱的下端弹性固定在滑动面以下的稳定土层中，将锚杆简化为水平分布的连杆，将横梁简化为水平分布的支撑杆，以此建立复合挡土结构的单桩结构力学模型；3)基于极限平衡理论和弹性地基梁理论，计算得出单桩结构力学模型的解析解，并确定复合挡土结构的锚杆力的计算方程；其中，单桩结构力学模型的解析解归结为下端在稳定土层中弹性的框架柱的受力计算，复合挡土结构的锚杆力等于每根桩产生的内力总和；3‑1)得出作用在单桩上的滑坡推力E；3‑2)得出作用在单桩上的反力A；设单桩结构力学模型中框架柱的中心轴线为桩轴线，桩轴线的桩顶点为b点，桩轴线与滑动面的相交点为O点；根据单桩结构力学模型，已知作用在单桩上的反力A不妨碍桩顶点b点的转动，而只限制桩顶点的水平位移，得出桩顶点b点的水平位移y₂的计算表达式为式(1)，$y_2=y_2^E-y_2^A---\left(1\right)$式(1)中，为滑坡推力E使桩顶点b点产生的水平位移，为反力A使桩顶点b点产生的水平位移；其中，和的计算表达式分别为式(2)和式(3)，$y_2^E=y_0^E+{\mathrm{\ψ}}_0^E{l}_0+\frac{{\mathrm{El}}_0^3}{3E_c{I}_c}+{\mathrm{\ψ}}_1^E(h-l_0)---\left(2\right)$$y_2^A=y_0^A+{\mathrm{\ψ}}_0^{A}h+\frac{{\mathrm{Ah}}^3}{3E_c{I}_c}---\left(3\right)$式(2)和式(3)中，和和分别为反力A和滑坡推力E在桩轴线O点产生的相应水平位移和转角，l₀为土压力作用点和桩轴线与滑动面的相交点O点的距离，E_cI_c为桩截面的刚度，为滑坡推力E在桩轴线上某一点处产生的转角，h为桩顶和桩轴线与滑动面的相交点O点的距离；计算在水平力和弯矩作用下桩轴线O点的变形，计算表达式为式(4)，H₀＝E‑A及M₀＝El₀‑Ah                   (4)式(4)中，H₀为桩轴线O点处水平力，M₀为桩轴线O点处弯矩；当桩顶点b点仅受单位水平力H₀＝1的作用，在桩轴线O点所产生的水平位移和转角相应地用δ_HH和δ_MH来表示；当桩顶点b点仅受单位弯矩M₀＝1的作用，在桩轴线O点所产生的水平位移和转角相应地用δ_HM和δ_MM来表示；则将式(2)和式(3)表示为式(5)和式(6)，$y_2^E={\mathrm{E\δ}}_{HH}+{\mathrm{El}}_0{\mathrm{\δ}}_{HM}+l_0({\mathrm{E\δ}}_{MH}+{\mathrm{El}}_0{\mathrm{\δ}}_{MM})+\frac{{{\mathrm{El}}_0}^3}{3E_c{I}_c}+({\mathrm{E\δ}}_{MH}+{\mathrm{El}}_0{\mathrm{\δ}}_{MM}+E\frac{{l_0}^2}{2E_c{I}_c})(h-l_0)---\left(5\right)$$y_2^A={\mathrm{A\δ}}_{HH}+{\mathrm{Ah\δ}}_{HM}+h({\mathrm{A\δ}}_{MH}+{\mathrm{Ah\δ}}_{MM})+\frac{{\mathrm{Ah}}^3}{3E_c{I}_c}---\left(6\right)$将式(5)和式(6)代入式(1)，得到反力A的计算表达式为式(7)，$A=\frac{{\mathrm{El}}_0\[\frac{{\mathrm{\δ}}_{HH}}{l_0}+(1+\frac{h}{l_0}){\mathrm{\δ}}_{HM}+{\mathrm{h\δ}}_{MM}+\frac{l_0(3h-l_0)}{6E_c{I}_c}\]-y_2}{h(\frac{{\mathrm{\δ}}_{HH}}{h}+2{\mathrm{\δ}}_{HM}+{\mathrm{h\δ}}_{MM}+\frac{h^2}{3E_c{I}_c})}---\left(7\right)$3‑3)得出复合挡土结构的锚杆力T；根据得出的作用在单桩上的反力A以及几何关系，得出复合挡土结构的锚杆力的计算表达式为式(8)，$T=\frac{2A}{\cos \mathrm{\θ}}---\left(8\right)$式(8)中，θ为锚杆和水平方向所成的夹角；4)计算单桩上内力；根据单桩结构力学模型，考虑单桩是弯拉构件而忽略剪力设计，以及考虑沿桩体通长配筋情况，计算单桩上内力的计算表达式为式(9)，M_max＝A(h‑l₀)及H_max＝E‑A        (9)式(9)中，M_max为单桩上最大弯矩，H_max为单桩上最大水平力；5)对复合挡土结构进行结构配筋；根据复合挡土结构和待支护土坡的各力学参数，计算得出锚杆力和单桩上内力的大小，进而得出锚杆长度，然后进行结构配筋。