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耐磨管道顶管施工中的作用机理分析

时间:2015-09-28 09:32 作者:未知 点击:

    耐磨管道顶管施工中土体损失对地下管线的作用机理进行分析。采用通用Peck公式计算与隧道开挖方向正交的地下管线平面处的土体竖向位移。基于Winkler地基模型,得到地下管线由于顶管开挖引起的极限弯矩、理论。作算例分析,并与其他方法计算结果作比较。
 
 
●作用机理分析
    顶管施工引起土体变形的因素主要有:土体损失、正面附加推力、掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力,其中土体损失是主要影响因素,在掘进机通过为顶管轴线埋深,后可不考虑正面附加推力和摩擦力的作用f6J。因此,只研究土体损失对地下管线(以下简称管线)的影响。管线受隧道开挖的影响如图1所示当管线与顶管开挖方向正交时其受力最不利,因此,仅对该工况下管线受力进行预估。
 
●施工综合研究
    在顶管开挖前,管线受到上部土压力和下部土体反力作用,保持平衡;隧道开挖后,由于产生土体损失,隧道周围土体要向隧道移动,产生土体沉降。此时管线底部土体开始产生沉降,提供的土体反力减小。由于管线底部土体沉降为小变形,加上土体卸荷膨胀,可认为管线与底部土体不脱离。由于土体反力减小,导致管线受到上部附加压力作用。顶管施工引起的土体沉降是逐渐增大的,当掘进机通过一段距离后,沉降逐渐达到最大值,此时对管线最不利。因此,研究该状态下管线的受力情况。
 
此时如管线不变形(刚度极大),则耐磨管道管线受到的弯矩最大,称为极限弯矩。但实际管线刚度有限,在附加压力作用下管线会产生变形,其底部土体反力也慢慢增大,由于管线刚度存在,在附加压力作用下其产生的沉降量要小于底部土体沉降量。最终上部附加压力由管线及底部土体反力共同承担,管线承受的土体附加压力应等于管线和底部土体沉降差引起的土体压力。此时管线承受的弯矩要小于极限弯矩,称为理论弯矩。
 
    当耐磨管道管线变形过大或理论弯矩过大时,管线可能遭到破坏。极限弯矩可作为一个综合性评价指标,极限弯矩越大,管线遭受破坏的可能性也越高。
 
●地下管线受力模型的假定和简化
 
    对管线受力模型进行如下假定:
①土体为均质的线弹性体;耐磨管道管线为连续弹性体,其截面保持不变,且不考虑其初始应力;②顶管施工中只考虑土体损失对管线的影响;
③隧道开挖引起的土体位移不受既有管线的影响;
④由于管线长度一般都远大于其直径,可将管线简化为弹性地基梁来计算。对于长距离管线,可以只考虑隧道开挖影响区的管线受力情况,而无须考虑地基边界无沉降区域的相关连续性,其与Winkler模型较为一致,因此,假定地基为Winkler地基模型;
⑤管线截面受到的地基反力是环向呈辐射状的。由于讨论的是管线的整体受力,因此,可以用一个集中力来代替其辐射状的地基反力。
 
    通过对耐磨管道管线受力机理的分析,提出极限弯矩和理论弯矩的区别。基于通用Peck公式,提出管线极限弯矩、理论弯矩以及管线变形的计算方法。该方法适用于各种土质,可以较好地预估管线所受的弯矩,且不会低估管线所受的最大弯矩。引起地下管线产生破坏的原因较多,只考虑了管线受弯矩作用的情况,可作进一步研究。

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