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顶管工程土与结构的性状及理论研究

魏纲  
【摘要】:随着社会城市化进程的推进,地下空间的开发和利用越来越受到人们的重视。顶管法作为一种暗挖施工技术,可以在不开挖地表土的情况下将管道敷设完毕,具有无可比拟的优点,得到越来越广泛地应用。但是顶管法施工不可避免地会引起地面和地下土体的移动,在土中产生附加应力。当土体位移过大时,将对周围建(构)筑物和邻近地下管线构成危害。本文对顶管施工中管土相互作用、土体变形及工作井土体反力计算方法进行了研究。主要工作和研究成果如下: (1)假定开挖面失稳时滑动块的形状为一个梯形楔体,滑动块上部为一梯形棱柱。采用太沙基松动土压力理论,根据滑动块的整体受力平衡,推导出砂性土中考虑成层土的开挖面最小支护压力计算公式。算例分析表明,本文方法的计算结果小于楔形体模型的计算结果,更接近离心模型试验结果。 (2)对顶进过程中管道纵向与环向钢筋应力及管土接触压力进行了现场测试。测试结果表明,轴力和管土接触压力都随顶进距离增大而增大,顶进到一定距离后基本稳定。管道顶部和底部的内侧钢筋受拉,外侧钢筋受压;管道左右两侧的内侧钢筋受压,外侧钢筋受拉。环向钢筋受力很小,但变动较大。注浆对管顶接触压力影响较大,注浆后压力明显减小,对左右两侧接触压力影响较小。 (3)对长距离直线顶管施工中管土相互作用进行了分析,认为管道在承受对角荷载时产生转动力矩,当管道端部的最大土体反力超过土体承载力时土体产生破坏,造成管道失稳。分析了传统曲线顶管施工中管土之间的相互作用,采用考虑位移的土压力计算方法计算环向土压力,得出首节管道和后续管道的最大土体反力计算公式。提出了长距离直线和曲线顶管施工中防止管道失稳的控制措施。 (4)考虑土的内摩擦角φ对土体移动的影响,认为垂直土体变形区域边界线的水平倾角应等于45°+φ/2,而不是45°,提出了修正的Loganathan公式,首次提出了剪切扰动区范围的计算公式。考虑土体初始应力场,假定土体是均匀线弹性材料,通过向掘进机周围土体施加向外侧的椭圆形径向位移来模拟顶管挤土过程。在小应变情况下,推导了半无限空间中土体位移场的近似解析解。考虑空间效应,给出了修正的计算公式。本文方法也适用于盾构法施工。 (5)假定土体不排水,利用弹性力学的Mindlin解推导了正面附加推力、掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力引起的土体变形计算公式,结合土体损失引起的土体变形计算公式,得到顶管施工引起的总的土体变形计算公式,该方法适用于施工阶段。当不考虑后续管道摩擦力时,本文方法也适用于盾构法施工。 (6)对某欠固结土中水平平行顶管施工引起的地面变形规律进行分析,提出了地面横向和纵向扰动区范围及工后沉降的计算方法。考虑先建顶管的影响,提


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