一种下穿隧道上方堆载预压与复合地基协同设计方法及系统与流程

本发明涉及岩土工程及结构工程，具体涉及一种下穿隧道上方堆载预压与复合地基协同设计方法及系统。

背景技术：

1、在机场立体化开发与飞行区改扩建工程中，飞行区范围内软土地基及填土道基广泛分布，使得常需要在软弱地基上进行堆载预压以控制工后沉降。当飞行区下方存在既有下穿隧道时，上部大面积堆载产生的显著附加应力和沉降可能会威胁下穿隧道的结构安全。

2、为保护下穿隧道，现有技术采用复合地基进行加固，但普遍采用满堂均匀布桩的“一刀切”方式，这种方式不仅在远离下穿隧道的区域过度加固，导致成本浪费；更严重的是，在加固区与非加固区的交界处会形成刚度突变，堆载作用下易产生差异沉降和应力集中，反而对下穿隧道和上部路面结构造成不利影响。

3、基于此，在对机场飞行区下穿隧道上方进行堆载预压处理时，如何协同保障地基沉降达标与下穿隧道结构安全，并兼顾经济性，成为了亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了解决上述技术问题，本发明提供一种下穿隧道上方堆载预压与复合地基协同设计方法及系统。

2、本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种下穿隧道上方堆载预压与复合地基协同设计方法，包括：

4、在确定出需要采用堆载预压与复合地基协同设计方案时，将待设计区域的地基划分为核心敏感区、过渡区和外围区，得到区域划分结果；所述核心敏感区位于所述待设计区域的下穿隧道的正上方，所述过渡区位于所述核心敏感区与所述外围区之间；所述核心敏感区和所述过渡区均采用复合地基进行处理；

5、根据所述核心敏感区和所述过渡区的地层类型，确定在所述核心敏感区和所述过渡区所采用的桩型；

6、基于预设的桩形和布桩方式，以使所述核心敏感区和所述过渡区的复合地基承载力满足预设的承载力要求为目的，确定所述核心敏感区的桩直径、桩间距和桩长；

7、基于预设的坡比，根据所述过渡区的宽度、所述核心敏感区的桩长，确定所述过渡区的桩长分布情况，其中，所述过渡区的桩长采用渐变设计，其余桩参数与所述核心敏感区相同；

8、基于所述待设计区域的几何与空间位置数据、所述区域划分结果、所述过渡区和所述核心敏感区的桩参数，建立第一三维数值计算模型，并对所述第一三维数值计算模型进行地应力平衡；所述第一三维数值计算模型中的下穿隧道上设置有多个第一监测点；

9、在所述第一三维数值计算模型的所述过渡区和所述外围区的顶部施加堆载预压荷载，并获取各所述第一监测点处的第一结构力学响应数据；

10、基于预设的安全标准，根据所述第一结构力学响应数据，判断所述下穿隧道是否安全，得到第一判断结果；

11、在所述第一判断结果为是时，输出设计方案；所述设计方案包括所述区域划分结果、以及所述过渡区和所述核心敏感区的桩参数。

12、可选的，还包括：

13、在所述第一判断结果为否时，在保证所述核心敏感区和所述过渡区的复合地基承载力满足预设的承载力要求的前提下，在所述第一三维数值计算模型中，调整所述核心敏感区和所述过渡区的桩直径、桩间距和桩长中的至少一种桩参数；

14、重新在所述第一三维数值计算模型的所述过渡区和所述外围区施加堆载预压荷载，并重新获取各所述第一监测点处的第一结构力学响应数据；

15、基于预设的安全标准，根据当前的所述第一结构力学响应数据，判断所述下穿隧道是否安全，得到当前的第一判断结果；

16、在当前的所述第一判断结果为是时，输出所述设计方案；

17、在当前的所述第一判断结果为否时，执行在保证所述核心敏感区和所述过渡区的复合地基承载力满足预设的承载力要求的前提下，在所述第一三维数值计算模型中，调整所述核心敏感区和所述过渡区的桩直径、桩间距和桩长中的至少一种桩参数这一步骤，以对相关桩参数进行迭代优化，直至输出所述设计方案。

18、可选的，在将待设计区域的地基划分为核心敏感区、过渡区和外围区，得到区域划分结果之前，还包括：

19、基于所述待设计区域的几何与空间位置数据，建立第二三维数值计算模型，并对所述第二三维数值计算模型进行地应力平衡；所述第二三维数值计算模型中的下穿隧道上设置有各个所述第一监测点；

20、在所述第二三维数值计算模型的顶部指定区域施加所述堆载预压荷载，并获取各所述第一监测点处的第二结构力学响应数据；

21、基于所述安全标准，根据所述第二结构力学响应数据，判断所述下穿隧道是否安全，得到第二判断结果；

22、基于预设有限元模型确定所述待设计区域中需要进行堆载预压处理的道基土在设定时刻下的第一孔隙比和在孔隙比稳定时的第二孔隙比，基于所述第一孔隙比、所述第二孔隙比和所述道基土的初始孔隙比，计算所述道基土在设定时刻下的固结度；所述设定时刻为堆载预压结束时刻；

23、基于所述堆载预压荷载在所述道基土各分层点处产生的附加应力增量、所述道基土的各层厚度与压缩模量，计算所述道基土的总沉降量；

24、基于所述固结度和所述总沉降量，计算所述道基土在设定时间段内的工后沉降；所述设定时间段以所述设定时刻为起点；

25、令所述总沉降量减去所述工后沉降，得到目标差值，判断所述目标差值是否满足预设的差值要求，得到第三判断结果；

26、在所述第二判断结果和所述第三判断结果均为是时，确定仅采用堆载预压的方案可行；

27、在所述第二判断结果为否，且所述第三判断结果为是时，确定出需要采用堆载预压与复合地基协同设计方案。

28、可选的，所述安全标准包括：

29、所述下穿隧道的水平位移峰值、竖向位移峰值和径向位移峰值均小于预设的位移阈值；并且，所述下穿隧道的衬砌外壁附加应力增量峰值小于或等于预设的应力增量阈值。

30、可选的，在所述下穿隧道为盾构隧道时，所述安全标准还包括：

31、所述下穿隧道的盾构管片接缝张开量峰值小于预设的张开量阈值；并且，所述下穿隧道的盾构管片裂缝宽度峰值小于预设的宽度阈值。

32、可选的，所述核心敏感区由以所述下穿隧道的外边线为基准向所述下穿隧道的两侧各外延第一预设倍数的下穿隧道跨度而得到的第一边界所围城，并且，以所述下穿隧道的外边线为基准向所述下穿隧道的两侧各外延的距离均不小于第一预设距离；

33、所述过渡区由所述第一边界和以所述第一边界为基准向外延伸第二预设倍数的下穿隧道跨度而得到的第二边界所围城，或者，所述过渡区由所述第一边界和以所述第一边界为基准向外延伸第二预设距离而得到的第二边界所围城。

34、可选的，所述第一预设倍数的取值范围为1至1.5；

35、所述第一预设距离的取值范围为8m至12m；

36、所述第二预设倍数的取值范围为0.5至1；

37、所述第二预设距离的取值范围为6m至10m。

38、可选的，所述下穿隧道为单个隧道或隧道群。

39、可选的，所述核心敏感区的桩长满足第一桩长控制原则，所述第一桩长控制原则包括桩底未与所述下穿隧道的拱顶接触，且桩底与所述下穿隧道的拱顶之间的距离不小于预设的安全距离；

40、所述过渡区的桩长满足第二桩长控制原则，所述第二桩长控制原则包括相邻控制断面的桩长差不超过预设的差值阈值。

41、第二方面，本发明还提供了一种下穿隧道上方堆载预压与复合地基协同设计系统，包括：

42、划分模块，用于在确定出需要采用堆载预压与复合地基协同设计方案时，将待设计区域的地基划分为核心敏感区、过渡区和外围区，得到区域划分结果；所述核心敏感区位于所述待设计区域的下穿隧道的正上方，所述过渡区位于所述核心敏感区与所述外围区之间；所述核心敏感区和所述过渡区均采用复合地基进行处理；

43、第一确定模块，用于根据所述核心敏感区和所述过渡区的地层类型，确定在所述核心敏感区和所述过渡区所采用的桩型；

44、第二确定模块，用于基于预设的桩形和布桩方式，以使所述核心敏感区和所述过渡区的复合地基承载力满足预设的承载力要求为目的，确定所述核心敏感区的桩直径、桩间距和桩长；

45、第三确定模块，用于基于预设的坡比，根据所述过渡区的宽度、所述核心敏感区的桩长，确定所述过渡区的桩长分布情况，其中，所述过渡区的桩长采用渐变设计，其余桩参数与所述核心敏感区相同；

46、建立模块，用于基于所述待设计区域的几何与空间位置数据、所述区域划分结果、所述过渡区和所述核心敏感区的桩参数，建立第一三维数值计算模型，并对所述第一三维数值计算模型进行地应力平衡；所述第一三维数值计算模型中的下穿隧道上设置有多个第一监测点；

47、监测模块，用于在所述第一三维数值计算模型的所述过渡区和所述外围区的顶部施加堆载预压荷载，并获取各所述第一监测点处的第一结构力学响应数据；

48、判断模块，用于基于预设的安全标准，根据所述第一结构力学响应数据，判断所述下穿隧道是否安全，得到第一判断结果；

49、输出模块，用于在所述第一判断结果为是时，输出设计方案；所述设计方案包括所述区域划分结果、以及所述过渡区和所述核心敏感区的桩参数。

50、本发明采用以上技术方案，通过在分析出地基沉降达标，但下穿隧道结构不安全时，确定出需要采用堆载预压与复合地基协同设计方案，进而将待设计区域的地基划分为核心敏感区、过渡区和外围区，核心敏感区和过渡区均采用复合地基进行处理，且过渡区的桩间距和桩长采用渐变设计，其余桩参数与核心敏感区相同，这使得本发明能够减少布桩数量，且过渡区起到了刚度渐变、应力平缓过渡的作用，避免了加固形式从核心敏感区密桩布置直接突变至外围区的无桩布置，进而使得本发明能够保障下穿隧道结构安全，并兼顾经济性；以及，基于待设计区域的几何与空间位置数据、区域划分结果、过渡区和核心敏感区的桩参数，建立第一三维数值计算模型，在第一三维数值计算模型的所述过渡区和外围区的顶部施加堆载预压荷载，并获取下穿隧道的各第一监测点处的第一结构力学响应数据，在基于预设的安全标准，根据第一结构力学响应数据，判断出下穿隧道安全时，输出设计方案，使得本发明进一步保障了下穿隧道结构安全。因此，本发明能够在对机场飞行区下穿隧道上方进行堆载预压处理时，协同保障地基沉降达标与下穿隧道结构安全，并兼顾经济性。