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顶管工程土与结构的性状及理论研究

作　者: 魏纲
导　师: 徐日庆
学　校: 浙江大学
专　业: 岩土工程
关键词: 顶管盾构隧道支护压力管道应力管土接触压力管道失稳土体移动土体损失正面附加推力摩擦力 Mindlin解平行顶管附加荷载土体反力工作井矩形沉井圆形沉井 SMW工法
分类号: TU990.3
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

随着社会城市化进程的推进,地下空间的开发和利用越来越受到人们的重视。顶管法作为一种暗挖施工技术,可以在不开挖地表土的情况下将管道敷设完毕,具有无可比拟的优点,得到越来越广泛地应用。但是顶管法施工不可避免地会引起地面和地下土体的移动,在土中产生附加应力。当土体位移过大时,将对周围建(构)筑物和邻近地下管线构成危害。本文对顶管施工中管土相互作用、土体变形及工作井土体反力计算方法进行了研究。主要工作和研究成果如下: (1)假定开挖面失稳时滑动块的形状为一个梯形楔体,滑动块上部为一梯形棱柱。采用太沙基松动土压力理论,根据滑动块的整体受力平衡,推导出砂性土中考虑成层土的开挖面最小支护压力计算公式。算例分析表明,本文方法的计算结果小于楔形体模型的计算结果,更接近离心模型试验结果。 (2)对顶进过程中管道纵向与环向钢筋应力及管土接触压力进行了现场测试。测试结果表明,轴力和管土接触压力都随顶进距离增大而增大,顶进到一定距离后基本稳定。管道顶部和底部的内侧钢筋受拉,外侧钢筋受压;管道左右两侧的内侧钢筋受压,外侧钢筋受拉。环向钢筋受力很小,但变动较大。注浆对管顶接触压力影响较大,注浆后压力明显减小,对左右两侧接触压力影响较小。 (3)对长距离直线顶管施工中管土相互作用进行了分析,认为管道在承受对角荷载时产生转动力矩,当管道端部的最大土体反力超过土体承载力时土体产生破坏,造成管道失稳。分析了传统曲线顶管施工中管土之间的相互作用,采用考虑位移的土压力计算方法计算环向土压力,得出首节管道和后续管道的最大土体反力计算公式。提出了长距离直线和曲线顶管施工中防止管道失稳的控制措施。 (4)考虑土的内摩擦角φ对土体移动的影响,认为垂直土体变形区域边界线的水平倾角应等于45°+φ/2,而不是45°,提出了修正的Loganathan公式,首次提出了剪切扰动区范围的计算公式。考虑土体初始应力场,假定土体是均匀线弹性材料,通过向掘进机周围土体施加向外侧的椭圆形径向位移来模拟顶管挤土过程。在小应变情况下,推导了半无限空间中土体位移场的近似解析解。考虑空间效应,给出了修正的计算公式。本文方法也适用于盾构法施工。 (5)假定土体不排水,利用弹性力学的Mindlin解推导了正面附加推力、掘进机和后续管道与土体之间的摩擦力引起的土体变形计算公式,结合土体损失引起的土体变形计算公式,得到顶管施工引起的总的土体变形计算公式,该方法适用于施工阶段。当不考虑后续管道摩擦力时,本文方法也适用于盾构法施工。 (6)对某欠固结土中水平平行顶管施工引起的地面变形规律进行分析,提出了地面横向和纵向扰动区范围及工后沉降的计算方法。考虑先建顶管的影响,提

全文目录

摘要  8-10
Abstract  10-13
第一章绪论  13-32
  1.1 引言  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-29
    1.2.1 管土相互作用  14-17
    1.2.2 单顶管施工引起的土体变形计算方法  17-26
    1.2.3 平行顶管施工相互作用及地面变形计算  26-27
    1.2.4 工作井土体反力计算方法  27-29
  1.3 目前存在的问题  29-30
  1.4 本文的主要研究内容  30-32
第二章顶管施工中管土相互作用及现场测试分析  32-59
  2.1 引言  32-33
  2.2 砂性土中顶管开挖面最小支护压力的计算  33-41
    2.2.1 楔形体计算模型及其不足之处  33-36
    2.2.2 本文计算方法  36-40
    2.2.3 算例分析  40-41
  2.3 顶管施工中管道受力性能的现场试验研究  41-48
    2.3.1 工程概况  41-42
    2.3.2 测试内容及布置  42-44
    2.3.3 测试结果及分析  44-48
  2.4 长距离顶管管道的失稳分析  48-57
    2.4.1 长距离直线顶管管道的失稳分析  48-51
    2.4.2 传统曲线顶管管道的失稳分析  51-56
    2.4.3 防止管道失稳的控制措施  56-57
  2.5 本章小结  57-59
第三章顶管施工引起土体变形的二维解  59-79
  3.1 引言  59
  3.2 对Loganathan公式的修正  59-65
    3.2.1 Loganathan公式及假设条件  59-61
    3.2.2 对 Loganathan公式假设条件的修正  61-62
    3.2.3 修正的Loganathan公式  62
    3.2.4 算例分析  62-65
  3.3 顶管施工引起的挤土效应研究  65-73
    3.3.1 顶管施工挤土过程模拟  65-66
    3.3.2 解析解推导  66-70
    3.3.3 算例分析  70-73
  3.4 土压平衡式盾构施工引起的挤土效应  73-77
    3.4.1 引言  73-74
    3.4.2 算例分析  74-77
  3.5 本章小结  77-79
第四章顶管施工引起土体变形的三维解  79-121
  4.1 引言  79-80
  4.2 土体变形影响因素分析  80
  4.3 正面附加推力和摩擦力引起的土体变形计算公式  80-87
    4.3.1 计算模型及假定  80-81
    4.3.2 正面附加推力引起的土体变形计算公式  81-83
    4.3.3 摩擦力引起的土体变形计算公式  83-86
    4.3.4 Mindlin解直接积分方法的可靠性分析  86-87
  4.4 土体损失引起的土体变形计算  87-100
    4.4.1 通用经验公式的建立  87
    4.4.2 对 Sagaseta公式的修正(本文方法)  87-90
    4.4.3 姜忻良法  90-94
    4.4.4 随机介质理论  94-98
    4.4.5 算例分析  98-100
  4.5 顶管施工引起的土体变形计算  100-106
    4.5.1 顶管施工引起的土体变形计算公式  100-101
    4.5.2 算例分析  101-106
  4.6 盾构施工引起的土体变形计算  106-114
    4.6.1 盾构施工引起的土体变形计算公式  106-108
    4.6.2 算例分析  108-114
  4.7 考虑扰动的土体变形计算方法  114-119
    4.7.1 引言  114-115
    4.7.2 扰动度的定义  115-117
    4.7.3 隧道施工对土体的扰动  117-119
    4.7.4 考虑扰动度的土体变形计算方法  119
  4.8 本章小结  119-121
第五章水平平行顶管施工相互作用及地面变形计算  121-143
  5.1 引言  121-122
  5.2 水平平行顶管施工引起的地面变形分析  122-129
    5.2.1 工程概况  122
    5.2.2 地面变形监测结果分析  122-124
    5.2.3 水平平行顶管引起的土体扰动范围计算  124-126
    5.2.4 水平平行顶管施工引起的地面变形计算  126-129
  5.3 水平平行顶管施工引起的地面变形计算方法研究  129-133
    5.3.1 平行管道之间相互作用的理论分析  130
    5.3.2 本文计算方法  130-131
    5.3.3 算例分析  131-133
  5.4 相邻水平平行顶管推进引起的附加荷载分析  133-142
    5.4.1 力学分析模型及假定  133-135
    5.4.2 正面附加推力和摩擦力引起的附加应力计算  135-138
    5.4.3 附加荷载分布的影响因素分析  138-142
  5.5 本章小结  142-143
第六章顶管工程中沉井工作井土体反力计算方法的研究  143-162
  6.1 引言  143
  6.2 矩形沉井工作井后背土体反力的计算  143-148
    6.2.1 计算说明及假定  143-144
    6.2.2 矩形沉井后背土体反力计算  144-147
    6.2.3 算例分析  147-148
  6.3 矩形沉井工作井土体反力计算方法的研究  148-154
    6.3.1 矩形沉井工作井受力性状分析  148-151
    6.3.2 矩形沉井土体反力计算公式  151-153
    6.3.3 算例分析  153-154
  6.4 圆形沉井工作井土体反力计算方法的研究  154-160
    6.4.1 圆形沉井土体反力分析  154-157
    6.4.2 圆形沉井土体反力计算公式  157-159
    6.4.3 算例分析  159-160
  6.5 本章小结  160-162
第七章顶管工程中SMW工法工作井土体反力计算方法的研究  162-176
  7.1 引言  162
  7.2 圆形 SMW工法工作井土体反力计算方法的研究  162-170
    7.2.1 圆形 SMW工法工作井受力分析  162-164
    7.2.2 顶进过程中后背土体反力计算  164-166
    7.2.3 算例分析  166-170
  7.3 矩形 SMW工法工作井土体反力计算方法的研究  170-175
    7.3.1 计算模型及假定  170-172
    7.3.2 土体反力计算方法  172-173
    7.3.3 算例分析  173-175
  7.4 本章小结  175-176
第八章总结与展望  176-180
  8.1 主要成果与结论  176-178
  8.2 进一步工作的建议与展望  178-180
参考文献  180-191
致谢  191-192
作者简介  192-195
附录1 弹性半无限体内作用水平集中力的Mindlin解  195-197
附录2 弹性半无限体表面作用水平集中力的Cerruti解  197-199
附录3 浙江大学岩土工程研究所历届博士学位论文目录  199-203

顶管工程土与结构的性状及理论研究

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