文摘

文克尔弹性地基梁理论常被用来观察管道的地下工程建设的影响。挖掘现有管道扰乱下较低的地层在不同程度上,在路基产生显著差异系数。忽视这些差异可能会严重影响计算结果的准确性。理论模型的地下开挖对上层的影响现有管道是在这项研究中开发的基于文克尔弹性地基梁理论,考虑路基的差异系数下现有的管道。方法来确定地基系数的影响下提出了施工扰动和其他相关参数。理论模型可以用来计算解决现有管道的影响下地下开挖。沉降计算与解决测量发现路基开挖部分系数在计算过程中是最重要的参数。的合适的值范围开挖地基系数相对较大,因为它有一个相对较小的对计算结果的影响。当地基系数的值是合适的,每个部分计算沉降曲线是根据实测沉降曲线。

1。介绍

逐步开发利用城市地下空间产生了大量的地下挖掘项目影响现有管道(1- - - - - -3]。在地下工程项目的过程中,不可避免地对地层扰动变形邻地下管线。当变形超过允许变形现有的管道及其关节,甚至破坏现有的管道可能会导致严重的次生灾害。很难直接监控现有管道的变形由于地面点的分布在地面开挖工程。点,而不是只能间接监测(4),不容易允许有效的事故预测或预防。迫切要求简单,轻松地应用现有管道的安全评价方法和分类建设风险。这样的评价会促进分段装配钢筋或搬迁的正确选择治疗现有管道尽量减少失败的风险,现有的管道,节约成本,缩短施工周期。

之前的研究对于隧道施工对现有管道的影响主要集中在数值模拟和理论分析。理论分析方法主要是基于文克尔弹性地基梁理论(5,6),两个参数弹性地基梁理论[帕斯捷尔纳克7,8),或能量法9)来解决参数如变形、弯矩和剪力现有管道隧道施工影响和选择相应的标准来判断其安全性。与两个参数弹性地基梁理论,文克尔弹性地基梁理论并不能反映地基变形的连续性。然而,基于文克尔弹性地基梁的方法比较简单,包括更多的积累经验参数值,是使用最广泛的工程。两个参数弹性地基梁在理论上更全面,但包括更少的经验参数值选择过程;参数值是否恰当直接关系到计算结果的准确性。文克尔弹性地基梁理论是本研究开发利用计算模型在上层管道开挖的影响。

现有的上层管道下的地层扰动作为挖掘项目下经过。上面的干扰是最强烈的开挖部分虽然也有扰动在一定区域附近开挖区域。土壤在这两个领域的机械性能变化明显在这一点上与原始地层相比,所以地基系数也有很大差异。先前的理论计算很少考虑路基的差异系数在各领域现有的管道,但忽视这些差异可以降低计算结果的准确性和随后的管道安全评估。

基于文克尔弹性地基梁理论,考虑到不同的地基系数在每个领域现有的管道,一个理论计算模型的暗挖施工对上层的影响现有管道成立于这项研究。获得模型中的重要参数,不同路基的影响系数值预测变形观察现有的管道。进行案例分析来测试该方法。这项工作可以提供现有管道的安全评价的一个重要参考类似项目。

2。理论计算模型

一般来说,地下管道铺设道路。大多数地下隧道垂直过马路也与现有管道垂直相交。地下开挖工程的影响与现有管道垂直相交正在调查中(图1)。灵活的管道允许旋转后加载,而刚性管道不允许加载后旋转。管道考虑本文允许旋转角,所以它适用于挠性管的计算。

这里也认为,开挖渠道是矩形,基金会是均匀的。现有的管道被视为弹性地基梁上闪耀的基础。假设解决任意点的基础上仅是成正比的单位面积的压力点,无论在其他点的压力。有一个相对较长的埋管道的纵向延伸,这被认为是一个无限的梁。在地下开挖工程中,应力区域现有的管道上层分为五部分。如图2公元前,CD部分开挖区域,和德部分土壤松散部分由开挖引起的,和AB和EF部分地区不受开挖的影响。施工扰动为每个部分创建不同的地基系数。假设地基系数的AB和EF部分k₁,公元前的部分k₂,CD的部分k₃。

埋地管道的最大负载主要来源于土壤上面的严重性。Terzaghi松散的土压力计算模型通常被用来确定垂直土压力在埋地管道10]。Terzaghi模型,土壤颗粒的位错产生应力转移,这使得周围的土壤限制向下移动的垂直土压力由地下结构的重力小于土壤柱。如图2,如果其他外部负载的上部现有管道不被认为是均匀分布的负载问₁现有的部分AB和EF顶管不受开挖影响,可以使用Terzaghi模型计算。上面的土开挖部分和excavation-affected部分由施工扰动影响。土壤的机械性能和容量的下降部分减少,这就增加了土压力由地下管道承担。假设上述管道土压力由开挖部分CD问₃和BC和DE excavation-affected部分问₂。

如图2每个部分的挠度微分方程可以得到如下: 在哪里EI现有管道的弯曲刚度,N∙m²;ω_我的每个部分的挠度是现有的管道,米,我= 1、2、3;x是每个点之间的距离的一半的现有的管道和点啊,米;k_我是每个部分的地基系数根据现有的管道,N / m³,我= 1、2、3;问_我土压力是由每个部分现有的管道,Pa,我= 1、2、3;和b反应的计算宽度是基础,米。

灵活性的特征值是由反应的计算宽度的基础。 在哪里我= 1,2,3。

的偏微分方程的通解为每个部分,第一,第二,第三的导数可以获得每个部分如下: 在哪里一个_我,B_我,C_我,D_我(我= 1,2,3)待定系数。

如果光束的偏转,旋转角,弯矩和剪力的任何部分梁可获得根据材料力学的知识。 在哪里θ表示现有管道的角落;米现有管道的弯矩,N∙m;和问的剪切力是现有的管道,N。

在实际的工程中,管道很长。由于管道周围土壤的约束对现有的管道,管道下的开挖范围有限的影响力。最后远离开挖范围(x,∞),可以假定为固定边界条件的支持。因此,下面的边界条件和变形协调条件。

点(x,∞)是固定端:

点O是对称的点:

根据挠度之间的协调,旋转角度,弯矩,与剪切力左右结束点B和C,以下补充条件。

B点:

C点:

12的系统可以建立方程和12个未知数用公式(5)- (8)到公式(3)。待定系数的解析解一个_我,B_我,C_我,D_我在MATLAB得到,然后代入公式(5)- (8)获取偏转,旋转角度,弯矩和剪切力产生的每一点在公元前的现有管道开挖期间AE部分。现有管道的安全可以通过选择适当的评估基于结果的判断标准。

3所示。在理论计算确定相关参数

3.1。现有管道垂直土压力的计算

在这项研究中,选择了Terzaghi松散的土压力计算模型来计算垂直土压力问₁在现有的管道不受开挖影响。上面的土开挖部分和excavation-affected部分是受施工扰动影响。土壤的力学性能和容量的向下移动部分减少,从而增加管道上的土压力。基于简化计算和部分安全考虑,周围的土壤容量的向下移动的部分可以忽略。地球列理论可以直接用来计算土压力问₂和问₃在现有顶管在开挖和excavation-affected板块之上。

3.2。测定Excavation-Affected部分长度

断裂表面的夹角和隧道开挖表面可以被假定为(45°−φ/ 2)在隧道开挖引起的土壤松散区(11)(图3)。宽松的部分的长度可以计算如下: 在哪里一个excavation-affected部分的长度,米;H是开挖区域的顶端之间的距离和现有管道,米;h开挖区域的高度,米;和φ土的内摩擦角,°。

3.3。测定基础宽度的反应

假设现有管道的直径D反应,计算宽度的土壤b如下(12]:

当B≤1 m,

当b> 1 m, 在哪里d的外径是现有的管道,米。

3.4。确定施工扰动下的地基系数

地基系数是最重要的参数的理论模型。很少有先前的研究在路基施工扰动的影响系数,但是有很多关于其他施工扰动下土壤力学性能的研究成果。徐永福(13)指出,土壤扰动引起的盾构隧道的变形模量降低30 - 70%,而凝聚力和内摩擦角有关土壤应变率:当土壤应变率从0增加到6%,完全失去了凝聚力,内摩擦角降低线性初始值的50%。刘哲(14隧道开挖扰动)分为三个领域根据体积应变率(图4):面积,体积应变超过3%;区域B,体积应变是1 - 3%;和C区,体积应变小于1%。变形模量的变化范围在每个地区被发现比凝聚力和内摩擦角,而内摩擦角的总体变化很小。在不同区域,变形模量减少了37 - 91.7%,凝聚力下降了31.4 - -63.7%,内摩擦角下降了3.6 - -12.3%。在不同区域B,变形模量下降了8.1 - -24.1%,凝聚力下降了2.5 - -23.1%,内摩擦角下降了1.1 - -2.3%。

对于特定的项目,原状土和扰动土的地基系数应该由现场板负载测试或室内固结试验。如果没有可用的测试数据,提出的方法Vesic [15)可用于确定地基系数(公式(8)),它不仅是有关地基土本身的力学性能还行动宽度和刚度的梁16,17]。地基系数也可以由已知的变形模量和泊松比。根据现有的管道之间的空间关系和地下挖掘空间,基于现有文献,地下开挖扰动分区可以定义如图4。平均变形模量和平均土壤内摩擦角在每个区域可以估计。泊松比可以通过公式(11)- (12)根据平均内摩擦角,然后,它可以替换为公式(8)一起估计计算地基变形模量系数的影响下施工干扰。 在哪里E_如果土的变形模量在每个部分根据现有的管道,Pa;υ_我土的泊松比在每个部分根据现有的管道。

根据土力学的相关理论,泊松比可以根据侧压力系数计算k_0我每个部分的土壤。

侧压力系数可以测量三轴剪切仪或侧向压力计。测试数据缺乏时,也可以根据经验内摩擦角的基础上每个部分的土壤φ_我。

4所示。例计算和分析

本研究中使用的案例分析数据取自文献[18]。武汉Zhuodaoquan交换地下人行通道工程位于东侧的Luoyu路的十字路口,Zhuodaoquan南路,Zhuodaoquan北路。Zhuodaoquan公园的南边通道,和Zhuodaoquan中学在北边。它穿过Zhuodaoquan交换和Luoyu路,连接南北两侧的人行道。

地下行人通道的埋深3米,宽8米,高度为3.55米。地下通道的负担过重的土壤主要是粉质粘土与凝聚力的15个kPa,内摩擦角12°,重力19.3 kN / m³,地基系数1.4×10⁴kN / m³。(这地基系数法计算的部分3所示。3根据文献中给出的变形模量。)地下通道上方有一个DN100铸铁管的外径114毫米和埋深1.5米。现有的管道沉降计算的方法比较不同路基下对活动区实测沉降系数(表1在开挖部分和excavation-affected部分(数据5- - - - - -6)。

正如上面的图所示,当路基开挖部分系数是10%的原始地基系数和excavation-affected部分的地基系数是30%的原始地基系数,计算沉降曲线与实测沉降曲线是一致的(计算值和测量值)。最大沉降发生在暗挖段的中点,和计算值略大于测量值。的宽度左右沉降曲线的计算和测量约12米。只有轻微区别每个测点的测量和计算值。面积的计算值略超过测量大结算(0 - 3米的中点开挖部分),但仍然满足工程要求的安全预测。与中心的距离的增加,测量曲线显示了一个持续下降的趋势,而计算曲线显示了一个突然的变化。这种差异的原因是固有的缺陷剔出弹性地基梁理论,不反映地基变形的连续性。

计算的结果表明,路基开挖部分是最关键的参数系数的计算,这直接影响沉降计算结果最大结算和面积最大的定居点(区间的中点0-3m开挖部分)。在这种情况下,当路基开挖部分系数低于适用价值25% (0.1 k₁),计算最大沉降值增加35%。当路基开挖部分系数大于25% (0.1 k适用价值₁),计算最大沉降值增加20%。可以看出,该参数的值对计算结果有很大的影响,直接关系到预测和评估的准确性。因此,如果可能的话,室内和现场试验应使用确定路基开挖部分系数。

excavation-affected部分的地基系数似乎微不足道的影响最大,对沉降计算结果影响不大的最大沉降面积(0 - 3米的中点暗挖部分),和一个第二大结算面积相对较大影响(3 - 9米的中点暗挖部分)。如果地基系数值在开挖部分是准确的,其价值在excavation-affected部分(相对于0.3 k₁)增加或减少30%,计算最大的差异沉降和最大沉降面积值相对较小,和所有的值都是保守的。第二大的计算值之间的差异沉降面积相对较大,但计算的绝对差值低于2.5毫米。总的来说,这个参数的适当的值范围比较大,和偏差在30%以内,表明相对较少对管道沉降值计算结果的影响。

5。结论

基于文克尔弹性地基梁理论,考虑路基的差异系数在每个领域现有的管道、地下开挖的影响的理论计算模型在一个上层上现有管道成立于这项研究。偏转、旋转角度、弯矩和剪力的每个点现有的管道可以使用这个模型计算,然后,现有管道的安全可以通过选择适当的判断标准来评估的。此外,模型参数等各个部分的垂直土压力对现有的管道,excavation-affected部分的长度,计算宽度的基础反应,地基系数的影响下建筑干扰经验确定。当没有测试数据供参考,估计变形模量和泊松比的值可以确定基于扰动分区。路基施工扰动系数可以根据Vesic提出的方法计算。

该方法被用来计算解决现有管道开挖的影响下,并对沉降值测量结果进行了比较。适当的地基系数时,计算沉降曲线与实测沉降曲线基本一致。与中心的距离的增加,测量曲线显示了一个持续下降的趋势,而计算曲线显示了一个突然的变化。这种差异的原因是固有的缺陷剔出弹性地基梁理论,不反映地基变形的连续性。

开挖部分的地基系数在计算过程中是最重要的参数。其价值显著影响最后的计算结果和直接相关的预测和评估的准确性。如果可能的话,应该进行了室内和现场试验确定路基开挖部分系数。适当的值范围的路基excavation-affected部分系数相对较大,和值的偏差在30%以内,表明相对轻微的对管道沉降计算结果的影响。

数据可用性

所有的数据都包含在本研究可按照客户要求定制相应的作者。

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(2021 jj30078)。