(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221085472 2.8 (22)申请日 2022.07.18 (71)申请人 天津大学 地址 300350 天津市津南区海河教育园雅 观路135号天津大 学北洋园校区 (72)发明人 程雪松　郑刚　李昕昊　 (74)专利代理 机构 天津市北洋 有限责任专利代 理事务所 12 201 专利代理师 张建中 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种斜直组合支护结构受力计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种斜直组合支护结构受力 计算方法， 该支护结构包括： 冠梁及交替布置的 斜桩组和直桩组； 斜桩组包括N个斜桩， 直桩组包 括N个直桩， N≤3； 冠梁与斜桩桩顶和直桩桩顶均 相连； 采用平面杆系有限元法， 建立斜直组合支 护结构对应基坑开挖深度的弹塑性模 型； 弹塑性 模型采用弹簧及连接单元模拟斜直组合支护结 构所受到的力， 将斜直组合支护结构分割为多个 单元， 通过单元刚度矩阵对每个单元进行受力分 析， 将每个单元分析结果整合， 获得斜直组合支 护结构整体受力响应。 本发明采用弹簧及连接单 元模拟桩体随基坑开挖产生位移时所受到的力， 可以较好 地预测斜 直组合支护结构位移。 权利要求书2页 说明书12页 附图4页 CN 115169191 A 2022.10.11 CN 115169191 A 1.一种斜直组合支护结构受力计算方法， 其特征在于， 该支护结构包括： 冠梁及交替布 置的斜桩组和直桩组； 斜桩组包括N个斜桩， 直桩组包括N个直桩， N≤3； 冠梁与斜桩桩顶和 直桩桩顶均相连； 采用平面杆系有限元法， 建立斜直组合支护结构对应基坑开挖深度的弹 塑性模型； 弹塑性模型采用弹簧及连接单元模拟斜直组合支护结构所受到的力， 将斜直组 合支护结构分割为多个单元， 通过单元刚度矩阵对每个单元进行受力 分析， 将每个单元分 析结果整合， 获得斜 直组合支护结构整体受力响应。 2.根据权利要求1所述的斜直组合支护结构受力 计算方法， 其特征在于， 将斜桩及直桩 设置为若干沿桩身轴向的连接单元， 并设置连接单元的弹塑性力 ‑位移曲线， 来模拟当斜桩 及直桩沿桩身轴向发生 位移时， 对应的斜桩及直桩 桩身的土体给予侧摩阻力。 3.根据权利要求2所述的斜直组合支护结构受力 计算方法， 其特征在于， 把斜桩及直桩 的桩身划分成若干弹性单元， 每一 弹性单元与土体之间的桩侧摩阻力 τ与剪切位移s间的关 系函数,用非线性弹簧的应力 ‑应变关系函数表示， 来模拟桩身和土体之间的荷载传递函 数； 桩周土体对 桩身的侧摩阻力等效弹簧刚度ks采用下式计算： 式中： Es—桩间土体压缩 模量， 单位 kPa； μ—土体泊松比； d—桩体直径， 对于矩形截面采用 周长等效为圆形截面， 单位m。 4.根据权利要求1所述的斜直组合支护结构受力 计算方法， 其特征在于， 通过在开挖面 以下斜桩前设置垂 直于斜桩桩身轴向的法向弹簧， 来模拟支护结构发生水平位移时坑内土 体给予对应斜桩的被动土 压力。 5.根据权利要求4所述的斜直组合支护结构受力 计算方法， 其特征在于， 斜桩前法向弹 簧的等效弹簧刚度kn采用下式计算： kn＝Apm(z‑h0)； 式中： Ap—考虑桩倾角影响的水平地基反力系数的修 正系数； m—土体的水平反力系数的比例系数， 单位MN/m4； z—计算点距地面的深度， 单位m； h0—斜桩支护基坑的开挖深度， 单位m。 6.根据权利要求1所述的斜直组合支护结构受力 计算方法， 其特征在于， 将斜桩与直桩 采用弹簧连接， 来模拟桩间土体在基坑开挖过程中的传力作用， 直桩法向弹簧布置位置为 滑动面与直桩交点以上。 7.根据权利要求6所述的斜直组合支护结构受力 计算方法， 其特征在于， 将直桩与斜桩 之间的桩间土视为薄压缩层， 并以水平方向弹簧模拟， 直桩与斜桩之间土体等效弹簧刚度 kc近似由土体压缩 模量确定， 采用下式计算： 式中：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115169191 A 2Es—桩间土体压缩 模量， 单位 kPa； sy—前后排桩 桩间距， 单位m； d—桩体直径， 对于矩形截面采用 周长等效为圆形截面， 单位m； β ——前后排桩间弹簧刚度系数kc的折减系数， 根据当地经验确定 。 8.根据权利要求1所述的斜直组合支护结构受力 计算方法， 其特征在于， 在直桩前设置 垂直于直桩桩身轴向的法向弹簧， 来模拟支护结构发生水平位移时坑内土体给予对应直桩 的被动土 压力， 直桩法向弹簧布置位置为滑动面与直桩交点以下。 9.根据权利要求1所述的斜直组合支护结构受力 计算方法， 其特征在于， 运用弹性抗力 法采用等效弹簧模拟作用于斜桩上的被动土压力； 将直桩外侧主动土压力作为施加在墙体 上的水平荷载， 用弹性 地基梁的方法计算支护桩的变位与内力。 10.根据权利要求1所述的斜直组合支护结构受力计算方法， 其特征在于， 运用ABAQUS 有限元软件建立 弹塑性模型， 弹塑性模 型采用2D  Planar可变形模式， 桩体采用梁 单元进行 模拟， 桩单元弹性弹簧采用Spring单元进行模拟， 桩侧摩阻力等效弹簧采用连接单元 connector模拟， 桩间土等效弹簧采用两点之间弹簧SpringA单元模拟， 桩体法向等效弹簧 采用接地弹簧Spri ng1单元模拟； 弹塑性模型建立及计算方法如下： 步骤1， 在ABAQUS中选择二维平面可变形线单 元进行支护结构的模型绘制； 步骤2， 在ABAQUS属性模块中对绘制的支护结构模型进行截面及材 料属性编辑； 步骤3， 基于支护计算初始状态及支护开挖完成时状态， 在ABAQUS中对支护结构模型进 行装配及分析步创建； 步骤4， 在ABAQUS相互作用模块创建施加在模型桩体上的用于模拟桩土相互作用的弹 簧， 模型弹簧分为连接两点 弹簧及将点接地 弹簧两种， 两点 弹簧为作用于两点间的弹簧， 用 于模拟桩间土弹簧； 将点接地 弹簧为一点与固定端相连的弹簧， 用于模拟桩侧摩阻力弹簧、 桩身法向弹簧及斜桩端阻弹簧； 步骤5， 在ABAQUS载荷模块创建模型桩体所承受的土压力， 包括直桩桩后主动土压力、 桩体桩间土初始土压力及斜桩前初始土压力； 土压力在模型中为线荷载， 不同土层所提供 的土压力通过输入土 压力线性 函数进行确定； 步骤6， 在ABAQUS网格模块进行模型网格绘制， 模型弹簧布置间距为1m， 模型网格绘制 最小隔离体为0.1m； 步骤7， 在ABAQUS作业模块创建新job计算过程， 并使用平面杆件有限元法进行模型求 解。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115169191 A 3