直线及曲线顶管施工中的顶推力研究

摘要

顶管施工技术作为一种现代化的管道敷设施工方法,具有很多优点.随着环境问题越来越受到重视,作为非开挖的顶管施工技术应用也越来越广泛.但由于理论研究相对滞后于实际和施工经验提升不够到位,使顶管施工技术的广泛应用受到影响.本文在现有的顶推力理论、试验成果和计算方法的基础上,研究了直线、曲线及超长距离顶管施工中顶推力的变化规律;提出了更加合理的顶推力计算方法;推导出直线顶管及曲线施工中顶推力的理论解;并给出了直线顶管施工中的一个经验公式;最后采用有限元法分析了曲线顶管施工对管节和周围土体的影响效应.论文的具体内容如下:(1)在现有直线顶管顶推力计算公式的基础上,分析直线顶管施工中顶推力的影响因素;考虑稳定土层拱效应的影响,推导出直线顶管顶推力的计算公式;根据某污水处理厂工程实例,采用分段函数模型拟合得出了一摩阻力的经验公式;在此基础上得到反映该地区实际的顶推力经验公式,并以图的形式将实测值与拟合值做了比较.(2)对楔形套环及楔形垫块法和单元曲线顶管法两种工法在施工中的力学性状进行分析,得出了管侧土体抗力的递推公式;考虑稳定土层拱效应的影响,推导出楔形套环及楔形垫块法施工时顶推力的递推公式;结合工程实例以图的形式给出了顶推力实测值与理论值的比较.同时,以图表的形式给出了曲线顶管施工中管节轴向应力的计算方法,总结了曲线顶进时管节中部应力和管节接缝处的应力计算公式.(3)采用有限元法分析了曲线顶管施工对管节和土体的影响效应.基于土体和管节变形协调原理,分析顶管施工中土体应力和管节内力的变化情况.研究土层弹性模量、管节外径和覆土厚度对管节内力和土体变形的影响.(4)从触变泥浆减摩技术和中继接力技术两个方面对超长距离顶管施工中的顶推力进行了研究.对中继环的设计原则提出建议并对超长距离顶管的发展进行展望.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2顶管施工技术的应用与优点

1.3本文的研究背景

1.4顶管施工技术概述

1.4.1顶管施工过程

1.4.2泥水加压平衡顶管施工工艺

1.5国内外顶管法施工技术的发展历史

1.5.1国外顶管技术的发展历史

1.5.2国内研究现状

1.6国内外直线与曲线顶管技术的研究现状

1.7本文的研究内容

第二章直线顶管的顶推力研究

2.1目前国内外的顶力计算公式

2.1.1目前顶力计算理论公式

2.1.2目前顶力计算的经验公式

2.1.3顶力计算公式分析

2.2顶管施工过程中影响顶推力的因素分析

2.2.1顶管的受力分析

2.2.2顶管施工中顶力的分析

2.3顶力计算公式的分析探讨

2.3.1管道上的土压力

2.3.2管顶土压力引起的正压力

2.3.3管道侧向土压力引起的正压力

2.3.4顶力计算公式

2.4顶力计算的数值模拟

2.4.1工程概况

2.4.2管道摩阻力和顶力的数值拟合

2.4.3结论

2.5顶力的理论分析

2.6本章小节

第三章曲线顶管的顶推力及管节轴向应力研究

3.1曲线顶管顶进的施工方法

3.2曲线顶管施工的力学分析

3.2.1楔形套环及楔形垫块法的力学分析

3.2.2单元曲线顶管法的力学分析

3.2.3两种施工方法的对比分析

3.3曲线部分的推进力计算

3.3.1顶管的荷载作用模式

3.3.2顶管在顶进过程中受到的摩阻力计算

3.3.3曲线顶管顶进中顶推力的推导

3.4算例分析

3.4.1工程概况

3.4.2参数确定与计算

3.4.3计算结果分析

3.5曲线顶管施工中管节轴向应力分析

3.5.1断面核理论

3.5.2管节中部的应力计算

3.5.3管端接缝处的应力计算

3.5.4管节轴向应力计算分析

第四章曲线顶管施工对管节和土体影响的数值分析

4.1概述

4.2 PLAXIS有限元分析

4.2.1 PLAXIS有限元法材料模型分析

4.2.2 Mohr-Coulomb模型

4.2.3 Mohr-Coulomb模型的构建

4.2.4 Mohr-Coulomb模型基本参数

4.3工程概况

4.4曲线顶管施工中的有限元模拟

4.5有限元模型参数的确定

4.6有限元计算

4.6.1土体初始的有效应力

4.6.2工况一时土体和管节的应力变形分析

4.6.3工况二时土体和管节的应力变形分析

4.6.4顶管施工中参数变化对管节和土体的影响

4.7顶管工程的施工控制

4.7.1选择适当的工具管

4.7.2减小纠偏角度

4.7.3改善土层的物理力学性质

4.8小结

第五章超长距离顶管施工的顶推力研究

5.1概述

5.2触变泥浆减摩技术

5.3中继环的设计原则

5.4中继环的设计

5.4.1目前中继环设计中存在的问题

5.4.2中继环的设计计算

5.5算例分析

5.6超长距离顶管的发展展望

5.6.1工具管形式趋于多样化，性能应更加完善

5.6.2组合密封中继环的研究

5.6.3高压供电取得了突破

5.6.4曲线顶管测量技术研究

5.6.5软弱土层中的顶管顶进问题

第六章结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

研究生学习期间发表的论文及工程实践情况

致谢