PKPM基坑支护软件开发的主要原理和依据.ppt

1,前 言,PKPM基坑支护软件的开发原理和依据(讲课重点，包括三维计算和规范计算两大部分，结合国家规范来讲) 和国内主要软件的比较 交流和讨论,2,PKPM基坑支护三维分析,武贵中,中国建筑科学研究院PKPM软件所,3,基坑支护三维分析概要,基坑支护三维分析的优点 基坑支护三维分析的理论基础 PKPM基坑三维分析的特点 影响基坑三维分析结果的主要因素 基坑支护三维分析的过程,对象是桩墙、内支撑、立柱、锚杆所组成的空间结构体系,4,基坑支护三维分析的优点,在二维分析中，支护体系被人为地拆成水平面分析（内支撑）和竖直面分析（桩、墙），只能作到点上的位移协调； 基坑支护体系本质上是一空间结构，三维分析具备理论上的先进性，可实现真正的位移协调； 得到更符合实际的内力和位移计算结果，真正反映支护体系的空间效应； 构件计算更合理，可以节省工程造价。,5,基坑支护三维分析的理论基础,结构：桩、地下连续墙，钢筋砼或钢支撑梁，锚杆，钢或砼支撑立柱形成的空间体系。 荷载：土、水压力，地面附加荷载。 约束：被动区土体。,弹性支点法基本计算模型,计算简图,6,PKPM基坑支护三维分析的荷载,土压力：粘性土由于透水性差，一般水土合算；而无粘性土由于透水性好，一般水土分算。合算与分算的差别演示见黑板。 附加荷载：无限宽度均布荷载按荷载大小*Kai传递（可以理解为增加等效的土层 ）；有限宽度局部荷载按应力45度扩散方法处理，但与上海规范、浙江规范、福建规范有差别。 三种水压力：静止水压力，渗流水压力1、渗流水压力2(上海规范特有)，见黑板。,7,PKPM基坑支护三维分析的约束,常用的有“m”法，“K”法，“C”法，本质上是假定被动区土体弹性约束的刚度曲线不同,“m“法基床系数图 “K”法基床系数图 “C”法基床系数图 C=mH C=K C=c*sqrt(H) 图中H为从开挖面算起的深度。,8,PKPM基坑支护三维分析的特点,采用弹性支点法，即m法； 三维计算核心模块已在PKPM的高层建筑结构计算中广泛运用并通过验证； 模拟支护结构实际施工过程的分步开挖和分步加撑和支撑拆除； 在下一步开挖中考虑上一步所加支点的已有变形，从而得到符合实际的支点力； 计算结果可靠合理，前后处理完全图形化。,9,影响基坑三维分析结果的主要因素,土压力模型 朗肯土压力 规程土压力(要知道两者的差别) 土抗力模型 m法 k法 土的特殊性质，如软土的流变性（长期作用时，结构会相应的变形，内力也相应发生改变）,10,基坑支护三维分析的架构体系,11,基坑支护三维分析的过程,前处理 划分节点和单元，计算单元上的荷载，归并截面的几何类型和材料类型，计算单元上的约束信息，形成PMSAP数据文件； 计算 调用PKPM成熟的三维计算模块PMSAP； 后处理 形成各杆件的内力、位移图 桩、墙、钢砼构件的配筋计算等,12,与国内其它基坑软件的比较(1),PKPM基坑支护软件是真三维分析，三维分析模块的正确性已经被多项结构工程的设计所验证，而国内其它主流软件的三维分析是拟三维，6个空间位移中只计算出了Ux,Uy, ，不能反映内支撑体系出平面外的稳定问题，如下图所示：,13,与国内其它基坑软件的比较(2),PKPM在图形平台和三维建模、显示方面有自己的特点，既直观形象，又全面方便，可以最大限度地节省用户在三维分析方面的投资。,14,PKPM排桩支护三维分析例题,15,排桩体系三维位移图,16,排桩最大内力,水平位移图,17,第 1 道 内 支 撑 弯 矩 剪 力 轴 力 位 移 图,18,第 2 道 内 支 撑 弯 矩 剪 力 轴 力 位 移 图,19,第 3 道 内 支 撑 弯 矩 剪 力 轴 力 位 移 图,20,排 桩 和 三 道 支 撑 梁 的 配 筋 图,21,PKPM地连墙支护三维分析例题,22,地连墙体系三维位移图,23,地连墙最大内力、水平位移图,24,地连墙水平等效梁的内力、位移图,25,第 1 道 内 支 撑 弯 矩 剪 力 轴 力 位 移 图,26,第 2 道 内 支 撑 弯 矩 剪 力 轴 力 位 移 图,27,第 3 道 内 支 撑 弯 矩 剪 力 轴 力 位 移 图,28,某 槽 段 地 下 连 续 墙 配 筋 图 示 例,29,支撑平面图,30,PKPM基坑支护规范计算,武贵中,中国建筑科学研究院PKPM软件所,31,规范计算的架构体系,32,桩(墙)结构嵌固深度计算-悬壁桩,Ep,Ea,考虑安全系数，主动区合力Ea和被动区合力Ep对桩底取矩平衡,计算出嵌固深度。,33,桩(墙)结构嵌固深度计算-单支点,1、假定土压力强度0点C为弯矩0点。 2、对C点取矩，得支点的支点力 3、考虑安全系数，主动区合力Ea和被动区合力Ep,支点力T1对桩底取矩平衡,计算 出嵌固深度。,Ep,Ea,T1,34,桩(墙)结构嵌固深度计算-多支点,1、假定土压力强度0点C为弯矩0点。 2、对C点取矩，开挖到第2道支撑底标高，得第1道支点的支点力，然后往下开挖到坑底，假定第1道支点 的支点力不变，再对C点取矩，得第2道支点的支点力，以此类推 3、考虑安全系数，取C点以下至桩底的部分桩为研究对象，C点以下主动区合力、C点不平衡的剪力、被动 区合力对桩底取矩平衡，计算出嵌固深度。,Ep,Ea,T1,T2,注：此方法即等值梁法，国家规范中采用过桩墙底的圆弧滑动法来计算嵌固深度，福建规范中不假定弯矩0点，对每道支点取矩，不平衡的土压力就为此道支点受力，然后假定本道支点力不变，计算下一道支点的力。,35,桩(墙)结构抗隆起验算,一、按墙底地基承载力隆起验算 坑外侧土体考虑自重和附加荷载，坑内侧被动区土体考虑自重和凝聚力，按地基极限承载力的原理建立计算公式。没有考虑墙底以上土体抗剪强度的影响。Pu=cNc+Ga2*D*Nq=Ga1(h0+D)+q, h0为坑底，D为嵌固深度(Ga1、Ga2分别为主动区和被动区的土的自重，Nc、Nq为地基极限承载力系数，是内磨擦角的函数) 二、绕最下一道支撑和桩墙底的圆弧滑动隆起验算，考虑了墙底以上土体抗剪强度的影响。（上海规范计算嵌固的方法）,36,桩(墙)结构抗倾覆验算,K=Mrc/Moc Mrc-抗倾覆力矩，被动区土压力对最一下道支点中心O取矩 Moc-倾覆力矩，主动区土压力对最一下道支点中心O取矩,Ep,Ea,37,桩(墙)结构抗渗流验算,K=ic/i ic-坑底土的临界水力坡度,ic=(ds-1)/(1+e)=浮容重/水容重Moc-i-坑底土的渗流水力坡降 i=hw/L=坑内外水头差/最短渗径 （ic=r/rw rw=10kN/m r=Rsat-rw Rsat=(ds+e)*10/(1+e) ds=Ws/ Vs）,38,桩(墙)结构承压水验算,K=Pcz/Pwy Pcz-坑底至承压水顶板间土的自重压力(kN/m2) Pwy-承压水头压力=承压水头高度*10(kN/m2)(根据地勘报告得出),39,SMW工法结构相关验算(1),常见截面型式,型钢入土深度确定原则 1、满足抗隆起稳定、抗倾覆稳定验算 2、挡土墙的内力位移不超过允许值 3、如果要回收，可顺利拔出。,水泥土入土深度确定原则 1、满足抗渗流稳定、承压水稳定验算 2、大于型钢的入土深度，以包裹型钢 3、坑内降水不能影响到坑外环境，因此 要有一定的入土深度,型钢抗拔验算 1、型钢最大抗拔力Pm=0.7*屈服强度*型钢截面积 2、型钢最大可拔出长度=最大抗拔力/(2*单元面积摩阻力*型钢截面周长),40,SMW工法结构相关验算(2),型钢净距和水泥土强度验算 1、型钢净间距的验算(型钢的净间距不能过大=水泥土墙体厚度+型钢高度+型钢形心轴 与截面形心轴间距离) 2、若型钢连续布置，仅需验算型钢翼缘边的水泥土抗剪强度（要剪断型钢比剪断水泥土 困难） 3、若型钢间隔布置，还需验算水泥土搭接处的抗剪强度,组合刚度计算 1、若型钢全位布置，只考虑型钢本身的刚度 Ke=Eh*Ih 2、若型钢半位布置，还考虑水泥土的刚度,即计算组合截面的刚度 Ke=Eh*Ih+Ec*Ic 根据材料力学原理，先计算组合截面的形心轴，然后分别计算两种材料的不同截面对此形心轴的惯性矩，与弹模相乘后再相加。,型钢抗弯抗剪强度验算 在计算出型钢的内力后，用 M/W=型钢设计强度, Q/A=型钢抗剪强度 来进行验算,41,桩(墙)结构内力位移计算-等值梁法,1、假定土压力强度0点C为弯矩0点。 2、对C点取矩，开挖到第2道支撑底标高，得第1道支点的支点力，然后往下开挖到坑底，假定第1道支点 的支点力不变，再对C点取矩，得第2道支点的支点力，以此类推 3、考虑安全系数，取C点以下至桩底的部分桩为研究对象，C点以下主动区合力、C点不平衡的剪力、被动 区合力对桩底取矩平衡，计算出嵌固深度。,Ep,Ea,T1,T2,42,桩(墙)结构内力位移计算-m法,有限元方程为：,式中Kpc为桩墙的刚度，Ksa为内支撑和锚杆的刚度， F为作用在支护结构上的外荷载。U为待求的支护结构位移, U0为加支锚时，桩墙在支锚位置处的已有位移。,计算简图如右图所示：,43,多种方法的水土压力图,由于动力水的影响造成的,44,桩(墙)分步开挖的内力图-等值梁法,等值梁法不能计算位移,45,桩(墙)分步开挖的内力图-m法,可计算位移，结果更合理,46,桩(墙)支护结构锚杆计算 (1),47,桩(墙)支护结构锚杆计算 (2),48,桩(墙)支护结构配筋计算,对沿周边均匀配置纵向钢筋的圆形截面和矩形截面的排桩和地下连续墙，其正截面受弯承载力按现行国家标准混凝土结构设计规范的有关规定进行计算。 非均匀配筋的圆形截面钢筋混凝土桩，按国家规程JGJ120-99的有关规定进行计算，如图所示：,49,桩(墙)支护结构整体稳定计算,桩（墙）结构的整体稳定分析采用圆弧滑动简单条分法，计算简图如下图所示。在基坑施工的各个工况，根据本工况的基坑开挖深度、桩墙的嵌固深度、土层参数、支点参数、及附加荷载等情况计算任意可能滑动面的抗滑力矩和滑动力矩，并找出最危险滑弧，计算出最危险滑弧的抗滑力矩、滑动力矩以及二者的比值（即基坑边坡的整体稳定安全系数），如果整体稳定不满足要求，则调整上述有关参数后重新进行计算，直到满足为止。,50,排桩分步开挖的计算书,51,S MW工法计算,52,SMW工法计算书,53,m法计算书,54,土钉墙的局部稳定计算,计算简图,相关计算公式,55,土钉墙的整体稳定计算,相关计算公式,计算简图,56,土钉墙的整体稳定计算结果,57,土钉墙的计算书,58,水泥土墙的计算公式-国家规程,嵌固