大口径玻璃钢夹砂顶管室内试验与数值分析

摘要

玻璃钢夹砂管作为一种柔性的非金属复合材料管道，将其应用于地下给排水管道顶管工程具有重量轻、耐腐蚀、摩阻系数小、寿命长、管道和接口抗渗强度高等优点。目前，在我国的发达地区，玻璃钢夹砂顶管的应用已呈上升趋势。本文结合上海地区首个大口径玻璃钢夹砂管顶管工程，主要从室内试验和数值分析两个方面研究了玻璃钢夹砂顶管的力学性能以及在顶管施工中的力学效应。 首先通过室内试验测定大口径玻璃钢夹砂顶管管材的抗压强度、弹性模量以及在径向荷载作用下整管的刚度、刚度因子、荷载-变形曲线以及挠曲变形能力，分析研究了大口径玻璃钢夹砂顶管的破坏规律以及破坏模式。结果表明：玻璃钢夹砂顶管管材属于脆性材料，缠绕式玻璃钢夹砂顶管的材质试样基本沿着层与层之间的分界面破坏，而离心浇铸式玻璃钢夹砂顶管材质试样的破坏是沿着某个滑裂面破坏；缠绕式玻璃钢夹砂顶管的抗径向荷载性能要优于离心浇铸式玻璃钢夹砂顶管，同时两者在径向荷载作用下的破坏形式明显不同。 然后通过对玻璃钢夹砂顶管进行摩阻力特性整管试验与直剪试验研究，得到了玻璃钢夹砂顶管外壁、混凝土与上海地区典型土层间的摩擦系数，以及玻璃钢夹砂顶管外壁摩阻力的发展特性，并且分析了注浆减阻对外壁摩阻特性的影响。结果表明：玻璃钢夹砂顶管外壁比混凝土光滑，更适合于长距离顶管；另外，注浆可以显著减小土与玻璃钢夹砂顶管以及土与混凝土之间的摩阻力，但注浆减阻效果和土的类型以及顶管的材质有关系。 最后采用考虑管土接触界面大变形滑动的数值方法，参考管材抗压力学性能试验与摩阻力特性试验的结果，动态模拟玻璃钢夹砂顶管的顶进过程，分析讨论大口径玻璃钢夹砂顶管的施工力学效应。结果表明：大口径玻璃钢夹砂顶管施工时，顶管顶力以及管身纵向应力随着顶进距离的增加而增大，管身纵向应力在管端处有一定的应力集中；沿顶管的纵向方向，顶进面后方地表的土体发生沉降，随着顶管的顶进，沉降不断增大；顶管前方地表的土体发生隆起，并在顶进面前方一定距离处达到峰值，峰值的位置随着顶管的顶进而前移。沿顶管的横向，地表发生隆起，在顶管正上方隆起量最大，随着顶管的顶进，顶管上方土体隆起量逐渐减小；顶管的顶进对管侧以及顶进面前方的土体的应力和位移有一定影响，它的影响范围在2~3D。