文摘
具有重要意义的变形特性研究远程压力涵洞的衬里。压力涵洞内壁具有隐蔽性很强的特点对整个性能和显著的影响。现有的变形特性的研究大多采用无损检测,精度是受很多因素的限制。摘要压力涵洞内壁为研究对象,和原位测试的结构进行数值模拟。基于现场监测数据,下衬砌结构的力学和变形响应外部水和土压力进行了分析。在此基础上,使用有限元方法建立三维有限元模型,进一步分析了衬砌结构的变形和力学特性在不同条件下的内部水压,地质条件和内部水压力与地质条件。因此,理论指导和技术支持长途加压输水涵洞衬砌结构的设计。
1。介绍
随着城市经济的快速发展,城市用水的问题正变得越来越严重。要有效地解决这个问题,跨地区调水工程是一个灵活和可靠的解决方案,和压力管道是一种常见的水工建筑物在引水项目(1- - - - - -3]。输水涵洞的安全性能取决于衬的质量在很大程度上(4- - - - - -6]。因此,有必要探讨长距离的衬里质量压力涵洞。
在工程实践中,有很多方法来评估长途的衬里质量压力涵洞。一个这样的处理方法是无损检测是一种有效和广泛使用的方法,以确保隧道的安全,如地质雷达(GPR) [7- - - - - -9),多道面波分析(MASW) [10,11),红外温度记录(红外热成像)12- - - - - -15),和瑞利波16]。然而,无损检测的结果不同于现实的结果在某些特殊地层条件下,这说明了无损检测的方法也提出了一些限制。尽管一些工程师们发现,一些先进的设备可以帮助减轻这些问题,设备的高成本和复杂的操作过程很难推广和应用。因此伟大工程的兴趣和需要找到一个新方法,不仅具有优越的性能,以确保测试结果的准确性也较便宜,操作方便。
本文以压力输水涵洞内壁为研究对象。作为一个典型的案例,一个压力涵洞供水项目的选择进行结构原位测试和数值模拟。基于现场监测数据,下衬砌结构的力学和变形响应外部水和土压力进行了分析。在此基础上,使用有限元方法建立三维有限元模型,进一步分析的变形和衬砌结构的力学特性条件下不同内部水压和地质条件以及内部的水压力。
2。供水项目的概况
压力管道的直径主要干线的供水项目是5.1米,地形起伏的平台和山,地形高低,山顶和山谷交替分布垂直于线,有两个浅河谷和两个沟壑供水线,埋深范围从7米18米,和上覆岩层的地质条件主要是粘土、淤泥质粘土、砂质砾石粘土。避免双管的交替,一个孔,管道内径应该选择了5.1米的成绩,和这四个管道内部水压力是0.5到0.55 MPa。目前最大PCCP管在中国使用的内部直径是4.0米,这是涵管南水北调工程项目。我国没有工程实例对PCCP管内径5.1米,和设备用于运输大型整体预制涵管依赖进口,与整个技术的缺乏和不确定性。因此,使用现浇预应力涵洞项目网站的相应实现所有方面和条件是一个实用的方法。
现浇预应力涵洞的最大难度系数为280.5,最大深度的土壤覆盖层是18米。预应力管道的总长度是2265米,内径是5.1 m,半圆拱采用垂直墙外。顶部和侧壁厚度0.45米,厚度0.8米,底部和高强度非键使用低松弛钢绞线提供涵预应力。5.1米的实际应用大型预应力模筑混凝土涵洞在中国是罕见的,是整个供水项目的主要技术问题。
3所示。在压力下衬砌结构的变形响应基于监控
理解锚钢链的变形特点,锚索测力计,一个完全分布式光纤,和磁通传感器被安装在不同的部分涵洞的位置,和实时监控的张力影响下的预应力钢绞线进行三个工作条件:压力水(涵水压力逐渐增加到0.602 MPa),填土,压充水后土壤(涵水压力逐渐增加到0.56 MPa)。
3.1。预应力钢绞线在水的压力下的张力效应
3.1.1。锚索测力计监测情况
在水压试验过程中,整个曲线3双(6块)的锚索测力计涵管的不同部分(部分1和2)如图1。锚索测力计的试验结果表明,涵管的水压力逐渐增加到60.2头,并没有明显的变化的预应力值锚固钢链。
(一)
(b)
3.1.2。监测的光纤光栅智能钢链
水压试验过程中,发现了有效数据ZGD1和ZGD2纤维智能钢链部分1和2(图2)。预应力钢绞线的变化增加随着水压的增加;张力的变化从上部的预应力钢绞线的涵管大于其他部分,第一节的最大值约为3.54 kN,和第二节大约是10.2 kN。一般来说,预应力钢束的张力变化。
(一)
(b)
3.1.3。磁通传感器测试结果
一个周期(16)的磁通传感器被安排和有效的张拉预应力的变化规律以及钢链的周长在不同水压力监测。如图3增加内部水压,钢链上的有效张力略有变化。的有效张力曲线16.3米和60.2米的头基本上是匹配。曲线相比,当达到张力只是100%,钢链的有效预应力值的底部涵管大大减少,而上面的钢链的有效预应力值的中间涵管相对略有下降后约4个月。如图4,60.2米水头条件下,钢链的有效预应力值沿圆周路径的涵管很小,和张力增加到最大值逐渐沿着道路中间,涵管的上层部分。然后,沿着路径涵管,张力逐渐减少到最低限度,预应力有效拉力的变化规律基本上显示左和右轴的状态法律对称。最大有效拉力的下部涵112.0 kN,和最低有效拉力的顶部涵是84.6 kN。
3.2。张力效应在填土条件下预应力钢链
3.2.1之上。锚索测力计的测试结果
填充测试期间,有3双(6块)的锚索测,其中没有。1锚索测力计可以监视相应的数据,和它的整个曲线如图5。锚索测力计的测试结果表明,拉伸预应力锚钢链的价值在灌装过程中基本上不改变预应力涵管。
3.2.2。磁通传感器测试结果
一环传感器(16)的磁通的变化规律安排监控的有效预应力钢绞线在不同的位置沿圆周在土压力灌装完成后。如图6的有效张力下的钢链上13米地静压力没有明显的变化,基本上与有效张力曲线匹配的条件下16.3米和60.2米的头。刚好达到最大张力的曲线相比,钢链的有效预应力值的底部涵管大大减少,而上面的钢链的有效预应力值的中间涵管减少相对轻微。如图7灌装完成后,钢链的有效预应力值沿圆周路径的涵管很小,和张力逐渐增加到最大值(115.0 kN)沿着道路中间,涵管的上层部分。然后,沿着路径涵管,张力逐渐减小到最低(94.3 kN),和预应力有效拉力的变化规律基本上显示左和右轴的状态法律对称。
3.3。张力效应后的预应力钢绞线在水的压力下填充
3.3.1。锚索测力计的测试结果
填充后的水压试验过程中,整个曲线3双(6块)的锚索测不同的部分如图8。锚索测力计的测试结果表明,在涵管的水压力的过程中,它逐渐增加到一个56 m头灌装后,和拉伸预应力锚钢链的价值基本上没有明显的变化。
3.3.2。磁通传感器测试结果
一环(16磁通量传感器)被安排来监视的变化规律的有效预应力钢绞线在不同的位置沿圆周注水和压力的情况下完成后再填土。如图9,钢链上的有效张力变化略水压力的作用下在土壤覆盖和基本匹配的有效张力曲线在上届的工作条件。如图1056米,水条件后土壤,有效预应力值的钢链沿圆周路径涵管很小,中间和上部部分沿着路径涵洞,张力逐渐增加到最大值。然后,紧张的有效预应力值逐渐减少到最低限度,并有效拉力的变化规律基本上预应力显示了米纵轴和right-axis对称形定律。最大有效拉力的中游和下游地区的涵管117.0 kN,中间的最低有效张力和涵管的上部分是96.5 kN。
3.4。评估对预应力钢绞线拉伸的影响
力量的张力测量仪是953.8 N to1065.3 N,表明六预应力钢束的拉伸力基本上达到设计值的1171.8 kN。钢链锁时,张力在某些测量大大点丢失,和最大的损失是273.1 kN。链紧张,完成后的有效预应力链位于底部的涵管达到最大,逐步减少沿圆周的道路两边对称直到张力达到最低的顶部涵管。
水压试验过程中,增加水压力的大小和分布规律的有效张力预应力钢链没有显著变化,数值模拟的结果所示。相比,钢链的有效预应力分布曲线在完成紧张,钢链的有效预应力值的底部涵管大大减少,但上面的钢链的有效预应力值的中间涵管减少相对轻微。沿圆周路径涵管的有效预应力值底部的钢链很小。沿着路径的中产阶级和上层部分涵管,张力逐渐增加到最大,然后沿着路径涵管,张力逐渐减少到最低,有效预应力基本上显示了状态变化规律。
4所示。分析衬砌结构的基于三维非线性数值模拟
衬砌结构是基于一个三维非线性数值模拟分析。在建立模型时,轴方向划分根据预应力钢绞线的间距。当间距为300毫米,轴方向分为40部分,也就是说,涵管的长度是12米。在有限元模型Z轴是垂直方向,X方向指向流方向是正的,Y方向是水平轴,和X方向是垂直的X轴,满足右手定则。在有限元模型中,预应力钢链,钢棒,由固体和混凝土分别建模,对混凝土和钢铁股的接触机械作用。在有限元分析中,预应力钢链应用的冷却方法,和整体模型如图11。
4.1。计算工况
根据建筑、张力和现浇预应力管道的实际操作,计算条件设置如下:冲水压力条件(0.55 MPa水压力);填充条件;和水填充压力条件(0.55 MPa水压力)。
4.2。计算参数
岩石和土壤的物理力学参数表中列出1。弹性模量的钢链1.95 e5泊松比是0.3 MPa,线性膨胀系数αe = 2−5。混凝土的弹性模量是3.25 e4MPa,泊松比是0.167。
4.3。分析计算结果
4.3.1。冲水条件
数据12和13显示应用内部水压力的计算结果没有上覆土壤补水。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
内部水压力为0.55 MPa时,预应力管道向外扩展。由于刚度不同结构的垂直和水平方向本身结构的变形主要是在水平方向上,和最大增量变形值是0.595毫米,这出现在腰部的拱门。最大垂直变形发生从肩膀到腰的拱门,0.169毫米级的。增量变形对应的结构提出了一种对称结构本身。的影响下结构扩张和变形,压应力的浓度底部的圆形涵洞减少,和周向压应力水平降低到一定程度。最大压应力发生在锚槽。同时,最大拉应力值下降到2.211 MPa,仍然出现在重叠的部分钢链底部的圆形涵洞。活动区实测监测数据相比,变化规律与实际情况是一致的。
4.3.2。填土的工作条件
18米灌装完成后,新填土将进一步解决本身,造成结算由于附加应力造成的低重量的土壤测试基坑。图14显示的总变形预应力涵洞结构由于土壤沉降。进一步确定混凝土的变形和结构应力变化特征涵洞土压力引起的轴承结构,“后续”变形引起的土壤沉降是扣除。这里,混凝土涵洞的底部的中心作为定点获得混凝土涵洞结构的相对变形的不动点,如图15。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
图16显示,因为上部填土形成的不对称结构涵洞土压力,垂直土压力大,水平土压力是很小的。结合混凝土涵洞结构刚度不对称,垂直刚度和水平刚度很小,从而导致混凝土涵洞结构收缩和扩张呈现垂直方向和水平变形特征。垂直的值收敛变形明显大于水平收敛变形。横向扩张变形为1.0毫米。2.4毫米,最大垂直相对变形出现在拱顶和垂直向下。活动区实测监测数据相比,变化规律与实际情况是一致的。
(一)
(b)
4.3.3。冲水后土壤条件的灌装
内部水压模拟灌装的基础条件。图17云图显示了增量变形下的预应力管道内部水的压力。预应力管道的横向扩张变形大于纵向扩张变形由于不对称刚度的涵洞土压力。变形形态显示了结构对称一致。预应力拱腰的涵洞附近的变形是最大的,主要是在水平方向上,和最大水平变形值是0.579毫米。拱的变形减少腰金库。最大垂直位移发生在左、右拱肩0.205毫米级的。活动区实测监测数据相比,变化规律与实际情况是一致的。膨胀变形的影响造成的涵管内部水压,预应力管道的周向压应力减少,和最大压应力为8.775 MPa。同时,底部拉应力和预应力管道外的增加,和它的最大值为1.529 MPa(图18)。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
5。结论
(1)涵洞衬砌的原位测试期间,磁通量传感器,一个完全分布式光纤应变计、光纤光栅应变仪,振动弦锚索测力计用来测量钢链的张力。测试条件包括压力、水压力、土壤填,填土和水压力后,所有这些需要-30°C寒冷的天气和+ 35°C炎热的天气。试验结果表明,磁通传感器的测试效果显然比分布式光纤应变计和光纤光栅应变计。振动测试数据的字符串锚索在不同条件下相对稳定,但他们只能测试钢链的张力锁一端。(2)三维有限元分析结果表明,上部填土形成的不对称结构涵洞土压力,垂直土压力是大,水平土压力小。此外,刚度不对称导致铸件热混凝土涵洞结构,提出了一种垂直方向和水平扩张变形的特点。垂直的值收敛变形明显大于水平收敛变形。横向扩张变形为1.0毫米。2.4毫米,最大垂直相对变形出现在拱顶和垂直向下。与活动区实测监测数据相比,变化规律与实际情况是一致的。(3)预应力拱腰的涵洞附近的变形是最大的,主要是在水平方向上,和最大水平变形值是0.579毫米。拱的变形减少腰金库。最大垂直位移发生在左、右拱肩0.205毫米级的。活动区实测监测数据相比,变化规律与实际情况是一致的。数据可用性
生成的数据集和/或分析在当前研究可从相应的作者在合理的请求。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究得到了湖南省自然科学基金(2019 - jj - 50336和2021 jj60063)和湖南省水利重大科技项目(XSKJ2018179-01)。