本發(fā)明涉及基坑工程領域，尤其涉及一種基坑高性能動員強度設計方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、基坑變形能直觀反映基坑和周邊環(huán)境的安全狀態(tài)，準確預測基坑開挖過程中產(chǎn)生的變形，對于確保施工安全至關重要。然而，由于基坑的地質條件、施工狀況和支護情況等因素存在眾多不確定性，準確且快速地預測基坑的變形一直是一個挑戰(zhàn)。

2、傳統(tǒng)的基坑支護設計?；跇O限平衡理論，假設墻體主動側和被動側的土體達到破壞，導致墻體產(chǎn)生塑性倒塌，僅能分析基坑極限狀態(tài)，不能分析基坑正常工作狀態(tài)。同時，工業(yè)界也多采用有限元、離散元等數(shù)值模擬方法分析基坑的變形，但這些方法存在一些限制，比如進行工程尺度的設計計算時，耗時長、計算資源消耗大，同時需要提供較復雜的土體參數(shù)，對于基坑初步設計工作量大，以及本構模型可能無法真實反映土壤的力學特性。因此，亟需一種可以快速計算基坑開挖過程中的土體及支護結構變形及力學特征的方法，輔助快速完成基坑的設計。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術中存在的缺點，而提出的一種基坑高性能動員強度設計方法及系統(tǒng)，有效解決了現(xiàn)有技術中存在忽略土體動員強度對基坑變形設計造成誤差的技術問題，達到了考慮土體動員強度，并僅需利用簡單本構模型即可快速計算墻體變形和應力的技術效果。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術方案：

3、第一方面，本技術提供了一種基坑高性能動員強度設計方法，所述方法包括：

4、步驟s1、根據(jù)墻體結構位移，將墻體變形分解為不同形狀的變形機制疊加；

5、步驟s2、對所述不同形狀變形機制對應的土體應變進行計算；

6、步驟s3、疊加所述不同形狀變形機制對應的土體應變，確定土體總剪應變；

7、步驟s4、根據(jù)假定土壓力動員機理，計算土體動員剪應力；

8、步驟s5、根據(jù)所述土體動員剪應力，計算水平土壓力；

9、步驟s6、對所述水平土壓力進行兩次數(shù)值積分，加和支撐荷載引起的彎矩，獲得施加于墻體的結構彎矩；

10、步驟s7、對所述墻體結構位移得到的墻體撓度進行兩次數(shù)值微分，并乘以墻體彎曲剛度，獲得保持墻體形狀所需的結構彎矩；

11、步驟s8、對所述施加于墻體的結構彎矩與所述保持墻體形狀所需的結構彎矩作差，得到彎矩誤差項；

12、步驟s9、設定誤差項閾值，若所述彎矩誤差項大于所述設定誤差項閾值，則對墻的每個自由度增加一個位移小值，并重新迭代墻體結構彎矩；反之，得到在土壓力和支撐荷載作用下的正確墻體結構位移。

13、優(yōu)選地，對所述步驟s1中墻體變形分解為不同形狀的變形機制，包括：墻體旋轉機制、墻體平移機制和墻體鉸接機制；其中所述墻體鉸接機制通過疊加兩種不同方向的所述墻體旋轉機制創(chuàng)建，所述第一種墻體旋轉機制是繞壁底向坑內旋轉，所述第二種墻體旋轉機制是墻體下部保持不動，在鉸鏈上方的墻體繞鉸鏈處向坑外旋轉，所述的兩種墻體旋轉機制疊加使壁面頂部固定。

14、優(yōu)選地，所述步驟s2中土體應變計算包括：所述墻體旋轉機制引起的土體剪應變增量δγr＝2δθ，其中δθ為所述繞壁底向外旋轉的轉角增量，r代表墻體旋轉；所述墻體平移機制引起的土體剪應變增量δγt＝2δu/h，其中δu為所述墻體平移的位移增量，h為所述墻體的高度，t代表墻體平移；所述不同方向的所述墻體旋轉機制的旋轉方向分別用表示，其中+表示向坑內旋轉，-表示向坑外旋轉。

15、優(yōu)選地，所述步驟s3中土體剪應變?yōu)?/p>

16、優(yōu)選地，所述步驟s4中假定土壓力動員機理：

17、

18、其中，τmob為所述步驟s4的土體動員剪應力；cu為峰值不排水剪切強度；γ為所述土體剪應變；γm＝2為當cu的一半被動員時的應變；b為經(jīng)驗指數(shù)，常取0.6；γm＝2的值使用土體三軸試驗測量，也可以使經(jīng)驗公式計算：

19、

20、其中，ip為塑性指數(shù)；p0′為初始平均有效應力；patm是標準大氣壓，取101.3kpa。

21、優(yōu)選地，所述步驟s5中水平土壓力為σh＝σv±2τmob，其中σv為豎向應力，±表示墻體相對于土壤的運動方向，用于確定主動或被動荷載。

22、優(yōu)選地，所述步驟s6中所述支撐荷載通過墻體位移引起的支柱軸向縮短計算，所述支撐荷載僅在壓縮時起作用而不在拉伸時起作用，所述步驟s6中施加于墻體的結構彎矩為：m1＝∫∫σhdy+∑fprop?h，其中fprop為所述支撐荷載。

23、優(yōu)選地，所述步驟s7中保持墻體形狀所需的結構彎矩為：其中ei為墻體剛度，v為墻體撓度。

24、優(yōu)選地，所述步驟s9中迭代墻體結構位移基于切線剛度矩陣，其通過所述對墻的每個自由度增加一個位移小值，并監(jiān)測墻的每個節(jié)點處彎矩誤差的變化進行組裝。

25、第二方面，本技術提供了一種基坑高性能動員強度設計系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

26、墻體變形分解模塊，所述墻體變形分解模塊用于根據(jù)墻體結構位移，將墻體變形分解為不同形狀的變形機制疊加；

27、土體應變計算模塊，所述土體應變計算模塊用于對所述不同形狀變形機制對應的土體應變進行計算；

28、土體剪應變計算模塊，所述土體剪應變計算模塊用于疊加所述不同形狀變形機制對應的土體應變，確定土體總剪應變；

29、土體動員剪應力計算模塊，所述土體動員剪應力模塊用于根據(jù)假定土壓力動員機理，計算土體動員剪應力；

30、水平土壓力計算模塊，所述水平土壓力模塊用于根據(jù)所述土體動員剪應力，計算水平土壓力；

31、施加于墻體的結構彎矩計算模塊，所述施加于墻體的結構彎矩計算模塊用于對所述水平土壓力進行兩次數(shù)值積分，加和支撐荷載引起的彎矩，獲得施加于墻體的結構彎矩；

32、保持墻體形狀所需的結構彎矩計算模塊，所述保持墻體形狀所需的結構彎矩計算模塊用于對所述墻體結構位移得到的墻體撓度進行兩次數(shù)值微分，并乘以墻體彎曲剛度，獲得保持墻體形狀所需的結構彎矩；

33、彎矩誤差項計算模塊，所述彎矩誤差項計算模塊用于對所述施加于墻體的結構彎矩與所述保持墻體形狀所需的結構彎矩作差，得到彎矩誤差項；

34、誤差項閾值設置模塊，所述誤差項閾值設置模塊用于假定一個誤差項閾值；

35、墻體結構位移計算模塊，所述墻體結構位移計算模塊用于判定：所述彎矩誤差項大于所述設定誤差項閾值，則對墻的每個自由度增加一個位移小值，并重新迭代墻體結構彎矩；反之，得到在土壓力和支撐荷載作用下的正確墻體結構位移。

36、本發(fā)明具有以下有益效果：

37、本技術首先根據(jù)墻體結構位移，將墻體變形分解為不同形狀的變形機制疊加，然后對不同形狀變形機制對應的土體應變進行計算，再疊加不同形狀變形機制對應的土體應變，確定土體總剪應變，再根據(jù)假定土壓力動員機理，計算土體動員剪應力，再根據(jù)所述土體動員剪應力，計算水平土壓力，進而對水平土壓力進行兩次數(shù)值積分，加和支撐荷載引起的彎矩，獲得施加于墻體的結構彎矩。并對墻體結構位移得到的墻體撓度進行兩次數(shù)值微分，并乘以墻體彎曲剛度，獲得保持墻體形狀所需的結構彎矩，進而對施加于墻體的結構彎矩與保持墻體形狀所需的結構彎矩作差，得到彎矩誤差項，最終設定誤差項閾值，若彎矩誤差項大于所述設定誤差項閾值，則對墻的每個自由度增加一個位移小值，并重新迭代墻體結構彎矩；反之，得到在土壓力和支撐荷載作用下的正確墻體結構位移。有效解決了現(xiàn)有技術中存在忽略土體動員強度對基坑變形設計造成誤差的技術問題，達到了考慮土體動員強度，并僅需利用簡單本構模型即可快速計算墻體變形和應力的技術效果。